Bekannte Abschalteinrichtungen können neuartige Wechselrichter und hoher Leistungsdichte oft nicht ausreichend schützen. Im Forschungsprojekt Green Grid Guard wurde ein Schutzkonzept speziell für Leistungstransistoren aus Siliziumkarbid entwickelt: Es erzwingt im Störfall in unter einer Millisekunde einen dauerhaften Kurzschluss und schaltet den Wechselrichter sicher ab.
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Bisheriger Schutz ist zu langsam
Wenn es zu Fehlern bei der Stromverteilung kommt, entstehen hohe Kurzschlussströme. Dafür sind Abschalteinrichtungen installiert, die den Überstrom unterbrechen und die Geräte schützen. Verfügbare Lösungen benötigen eine Abschaltzeit von bis zu 100 Millisekunden.
Für Wechselrichter ist das zu lang, denn sie sind die Schnittstelle zum Stromnetz. Besonders häufig kommen IGBT-Leistungssteller zum Einsatz, die mehrere Chips im isolierten Gehäuse integrieren, um hohe Spannungen und Ströme effizient zu schalten. Die erreichbaren Leistungsdichten werden durch Bauelemente aus Siliziumkarbid (SiC) erhöht.
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Drohende Explosion verhindern
Dies führt dazu, dass einige Wechselrichter durch klassische Überstromeinrichtungen nicht mehr ausreichend geschützt sind. Maßgeblich betroffen von diesem Problem sind die Freilaufdioden-Chips von IGBT-Modulen.
Sie können unzulässige Kurzschlussströme nicht aktiv stoppen. Das kann zur Explosion der Halbleitermodule führen. Dabei tritt Plasma aus, das zusätzliche Kurzschlüsse an anderen Komponenten auslösen können.
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Um eine Lösung zu entwickeln, haben Infineon Bipolar, die Technische Universität Dresden und das Fraunhofer IMWS aus Halle im Projekt Green Grid Guard kooperiert. „Wir haben das Materialverhalten und die Schutzwirkung neuartiger Halbleiter untersucht und Lösungen entwickelt, wie sich mit einer Kombination aus Leistungsschaltern und Halbleitern im Störfall sehr schnell und dauerhaft ein gezielter Kurzschluss erzeugen lässt“, sagt Carola Klute vom Fraunhofer IMWS. „Er sorgt dafür, dass sich der Wechselrichter abschaltet.“
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Zwei Jahre geforscht und getestet
Der in weniger als einer Millisekunde erzeugte Kurzschluss bleibt während des Fehlerfalls dauerhaft bestehen. Zugleich wurden Lösungen gefunden, wie sich ein Gehäusebruch bei sehr hohen Belastungen verhindern lässt, sodass kein Plasma aus dem Wechselrichter austreten kann.
Während des zweijährigen Projekts wurden Prototypen entwickelt und getestet. Als besonders leistungsfähig erwies sich ein Chipaufbau mit anodenseitig fester Verbindung zwischen einer dicken Trägerscheibe und kathodenseitig lose aufliegender Kontaktscheibe. Diese Variante wurde weiterentwickelt, um das Bauteil hinsichtlich der Kurzschlusswirkung zu optimieren. (HS)
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