Bedeutung der Leistungselektronik für die Megathemen der Gesellschaft, die verbesserte Energieeffizienz und die Energiewende
Die Funktion der Leistungselektronik besteht darin, mithilfe von Halbleiterbauelementen die elektrische Energie möglichst effizient in die von den verschiedenen Anwendungen benötigte Form umzuwandeln und den Leistungsfluss zu steuern. Die Leistungselektronik ist eine Querschnittstechnologie, die in nahezu allen Anwendungen und Leistungsbereichen (von MilliWatt bis Mega- und GigaWatt) zu finden ist, die mit elektrischer Energie umgehen. Wichtige Anwendungsfelder liegen in den Bereichen der Fahrzeug- und Bahntechnik, Informations- und Kommunikationstechnik, Haushalts- und Gebäudetechnik, Automatisierung und Fördertechnik sowie der Stromerzeugung, Stromübertragung und Stromverteilung.
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Dr.-Ing. Bernd Bitterlich
Clustermanager
Cluster Leistungselektronik im ECPE e.V.
Leistungselektronik - die Querschnittstechnologie in vielen Anwendungen im Leistungsbereich
Quelle: Prof. Dr. M. März, Friedrich-Alexander-Universität, Lehrstuhl für Leistungselektronik
Die Wide Bandgap (WBG)-Halbleiter Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), die einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Leistungsdichte bieten, stehen im Wettbewerb mit dem dominierenden Leistungshalbleitermaterial Silizium.
Die Vorteile von WBG-Halbleitern auf Systemebene, d. h. höhere Spannungen und Temperaturen sowie eine höhere Schaltfrequenz, die eine Verringerung des Volumens und des Gewichts ermöglicht, hängen mit den grundlegenden Eigenschaften dieser Materialien zusammen, z. B. elektrisches Feld, Bandlücke, Elektronen-geschwindigkeit, Schmelzpunkt und Wärmeleitfähigkeit.
Schnelles Schalten wird in vielen Anwendungen eine Schlüsselrolle spielen, da dies eine neue Generation von Leistungselektronik eröffnet. Die Erhöhung der Schaltfrequenz ermöglicht die Miniaturisierung von passiven Komponenten für die Energiespeicherung und Filterung in leistungselektronischen Systemen. In einem Photovoltaik-Wechselrichter beispielsweise führt die Erhöhung der Schaltfrequenz von 48 kHz auf 250 kHz zu einer Gewichts- und Volumenreduzierung um den Faktor fünf.
Nach vielen Jahren der Forschung auf dem Gebiet der SiC-Materialien und der Bauelementetechnologie sehen wir, dass immer mehr Bauelemente von verschiedenen Anbietern in Europa, Japan und den USA auf den Markt kommen. Nun sollten sich die Forschungen auf die Systemintegration der WBG-Halbleiter konzentrieren, die alle erforderlichen Technologieschritte entlang der Wertschöpfungskette der WBG-Leistungselektronik bis hin zu den Systemen und Anwendungen umfasst.
Robustheitsvalidierung beschreibt einen Prozess, wie man elektronische Geräte, Komponenten und Systeme entwirft, entwickelt, herstellt und testet. Es handelt sich um einen Prozess, der auf der Kenntnis der Einsatzbedingungen (Einsatzprofil), der Ausfall-mechanismen sowie der für beschleunigte Tests benötigten Modelle basiert.
Dies beinhaltet einen Paradigmenwechsel vom "Test für Standards" zum "Test-to-fail". Der Ansatz der physikalischen Versagens- und End-of-Life-Tests erfordert eine Vielzahl neuer Strategien und Methoden.
Die Leistungselektronik spielt eine wichtige Rolle bei der Einsparung elektrischer Energie und der damit verbundenen CO2-Reduktion. Für die Steigerung der Energieeffizienz z. B. bei hocheffizienten Motorantrieben mit variabler Drehzahl und Energierückgewinnung, bei intelligenten Stromversorgungen, die einen hohen Wirkungsgrad über einen weiten Lastbereich und eine nahezu stromlose Standby-Funktion ermöglichen sowie bei effizienten DC-Netzen für Industriehallen, Bürogebäude und für Data Center birgt die Leistungselektronik ein Gesamteinsparpotenzial von 25 - 30 % der elektrischen Energie.
In zentralen Feldern der Energiewende wie der Netzeinspeisung und Speicherung erneuerbarer Energien aus Photovoltaik und Windkraft, der Übertragung und Verteilung der elektrischen Energie sowie der Elektromobilität ermöglicht die Leistungselektronik eine effiziente Wandlung der elektrischen Energie an jeder Schnittstelle.
Die Leistungselektronik ist eine Schlüsseltechnologie für die netzkonforme Einspeisung von erneuerbaren Energien aus PV-Solaranlagen und Windgeneratoren, dem Anschluss von Offshore-Windpark-Anschluss mittels Gleichstromnetzen sowie der Integration von Energiespeichern zur optimierten Nutzung der fluktuierenden Energie aus Wind und Sonne.
Für die Elektromobilität hat die Leistungselektronik eine Schlüsselrolle, sowohl auf der Fahrzeugseite als auch auf der Netzseite. Die leistungselektronischen Wandler in einem elektrifizierten Fahrzeug (Hybrid, batterie-elektrisch, Brennstoffzelle) umfassen den Antriebs-umrichter, DC/DC-Spannungswandler, das Batteriemanagementsystem und den Ladewandler. Für die Integration von Elektrofahrzeugen in das Stromnetz wird eine Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge benötigt einschl. DC-Schnellladen.
Die Leistungselektronik wird in zukünftigen Energiesystemen eine zunehmende Bedeutung haben, insbesondere im Hinblick auf die Energiewende hin zu einem von leistungs-elektronischen Wandlern dominierten Stromnetz, auf der Erzeugungs- wie auf der Verbraucherseite. Der Übergang von fossilen Brennstoffen mit zentraler Stromerzeugung in Großkraftwerken zu erneuerbaren Energien mit dezentraler Erzeugung läuft bereits seit einigen Jahren, aber jetzt nähern wir uns einem Übergangspunkt, an dem die fluktuierenden erneuerbaren Energien überwiegen. Die Stabilisierung und Kontrolle solcher Netze ohne ein starkes 50-Hz-Backbone aus der konventionellen Stromerzeugung stellt eine große Herausforderung dar. Für alle relevanten Schnittstellen im Stromnetz wird eine intelligente Leistungselektronik benötigt.
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