Fraunhofer und Partner machen grüne Energie robuster: Neuer Hochgeschwindigkeits-Schutz für moderne Halbleiter-Wechselrichter

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Halle (Saale) - Mit dem wachsenden Einsatz regenerativer Energiesysteme steigen die Anforderungen an die Netzsicherheit. Moderne IGBT/SiC-Wechselrichter arbeiten leistungsdicht und effizient, benötigen jedoch schnelle Schutzkonzepte. Ein neues halbleiterbasiertes System ermöglicht blitzschnelle Abschaltungen und erhöht so Betriebssicherheit und Netzstabilität.

Das Fraunhofer IMWS, die Infineon Bipolar GmbH und die TU Dresden haben im Projekt Green-Grid-Guard eine Lösung entwickelt, die moderne IGBT-Module mit Siliziumkarbid-Dioden in weniger als einer Millisekunde sicher abschaltet. Durch präzise Materialdiagnostik, mikrostrukturelle Analysen und neue Chip-Designs werden die Wechselrichter zuverlässig geschützt - für eine stabile Netzanbindung regenerativer Energien.

Kurzschlussströme sicher beherrschen: Neue Schutzkonzepte für Hochleistungs-Wechselrichter
Mit dem wachsenden Einsatz erneuerbarer Energien und leistungsstarker Halbleiter-Wechselrichter steigen auch die Anforderungen an den Anlagenschutz. Klassische Systeme benötigen bis zu 100 Millisekunden, um Überströme zu unterbrechen - moderne Anlagen verlangen deutlich schnellere Reaktionen.
IGBT-Module integrieren mehrere Chips in kompakten Gehäusen und ermöglichen so hohe Spannungen und Ströme bei hoher Effizienz. Der zunehmende Einsatz von Siliziumkarbid (SiC) steigert die Leistungsdichte weiter und stellt damit neue Anforderungen an den Schutz vor Überströmen.
Hier setzt das neue Schutzsystem an, das Fraunhofer IMWS und seine Partner im Projekt Green-Grid-Guard entwickelt haben: Innerhalb weniger Mikrosekunden wird ein stabiler Kurzschluss erzeugt, der den Wechselrichter gezielt abschaltet und das Gesamtsystem zuverlässig schützt.

Carola Klute, Leiterin des Teilvorhabens Materialdiagnostik und Zuverlässigkeitsanalyse am Fraunhofer IMWS, erklärt:
„Wir haben das Materialverhalten und die Schutzwirkung neuartiger Halbleiter untersucht und zugleich Lösungen entwickelt, wie sich mit einer Kombination aus Leistungsschaltern und Halbleitern im Störfall sehr schnell und dauerhaft ein gezielter Kurzschluss erzeugen lässt.“

Green-Grid-Guard: Materialdiagnostik und neue Bauteil-Designs
Im Projekt Green-Grid-Guard kombinierten Fraunhofer IMWS, die Infineon Bipolar GmbH und die TU Dresden Materialanalysen, Leistungsdiagnostik und Demonstrator-Designs, um zuverlässige Schutzlösungen zu entwickeln. Methoden wie optische Inspektion, Röntgenanalyse, Ultraschallmikroskopie und energiedispersive Röntgenspektroskopie ermöglichten ein präzises Verständnis der Materialveränderungen unter Hochstrombelastung.

„Wir konnten im Projekt ein genaues Verständnis dafür entwickeln, welche mikrostrukturellen und werkstoffmechanischen Mechanismen an den einzusetzenden Komponenten und Systemen wirken“, so Klute. Daraus entstanden Kataloge für Prüfverfahren und Zuverlässigkeitsanalysen. Besonders effektiv zeigte sich ein Chipaufbau mit anodenseitig fester Verbindung und kathodenseitig lose aufliegender Kontaktscheibe, der gezielte Kurzschlüsse ermöglicht, ohne das Gehäuse zu beschädigen.

Zur Entwicklung eines wirksamen Schutzsystems testeten die Partner verschiedene Demonstrator-Designs. Besonders leistungsfähig war ein Chipaufbau mit fester anodenseitiger und lose aufliegender kathodenseitiger Verbindung. Diese Variante wurde weiterentwickelt, um die Kurzschlusswirkung zu optimieren. Mit den Diagnostikmethoden des Fraunhofer IMWS konnten zerstörte Schichtsysteme, Aufschmelzungen, Risse im Silizium sowie Materialdiffusionen analysiert und das Design gezielt verbessert werden.

Die Tests zeigten, dass auch bei Stoßströmen zwischen 20 kA und 100 kA die Schäden auf definierte Sollbruchstellen begrenzt bleiben. So wird die gewünschte Schutzwirkung sichergestellt - für stabile und sichere Wechselrichter in modernen Energiesystemen.