Gleichspannungsnetze / HGÜ Technologiebasis für elektronische Leistungsschutzschalter

Der Forschungsverbund NEST-DC hat die Technologiebasis dafür erarbeitet, Energieverluste in Stromnetzen und in elektrischen Geräten um mehr als die Hälfte zu verringern. Möglich könnte das durch die Nutzung von Gleichspannung werden.
Der Forschungsverbund NEST-DC hat die Technologiebasis dafür erarbeitet, Energieverluste in Stromnetzen und in elektrischen Geräten um mehr als die Hälfte zu verringern. Möglich könnte das durch die Nutzung von Gleichspannung werden.

Mehr als halbieren sollen sich die Verluste in Stromnetzen und elektrischen Geräten durch Gleichspannungsnetze. Im Projekt »NEST-DC« haben fünf deutsche Partner die Grundlagen für entsprechende halbleiterbasierte, vollelektronische Leistungsschutzschalter erforscht.

Ohne effiziente und kostengünstige Sicherungstechnik lassen sich Verteilnetze sowie Bordnetze der Elektromobilität nicht auf Gleichspannungsversorgung umstellen. Bislang gab es nur elektromechanische Schutzvorrichtungen, bei denen Lichtbögen beim Schalten von Gleichspannungen und Strömen entstehen können. Zudem sprechen elektromechanische Schutzvorrichtungen langsam an und sind schwer, wenig robust und teuer.

Erforscht wurden die halbleiterbasierte Leistungsschutzschalter im Rahmen des Forschungsprojekts NEST-DC von Airbus, E-T-A Elektrotechnische Apparate, Infineon Technologies, Siemens sowie dem Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente (IALB) der Universität Bremen. Infineon hatte die Projektleitung inne. Das European Center for Power Electronics (ECPE) mit Sitz in Nürnberg unterstützte das Projekt maßgeblich.

Die Projektpartner erforschten unter anderem neuartige Halbleiterbauelemente, wie den Over-Current-Blocking-Field-Effect-Transistor (OCB-FET). Für elektronische Leistungsschutzschalter wurden neue Aufbau- und Verbindungstechniken sowie neue Schaltungstopologien erarbeitet und getestet. Zu den Ergebnissen des Projekts gehören Demonstratoren im Bereich von Luftfahrt-Bordnetzen, Elektromobilität, Fotovoltaik und Gleichspannungs-Verteilnetzen.

Forschungsaufgaben der NEST-DC-Partner

Im Projekt übernahm es das IALB, neuartige Halbleiterstrukturen für den Einsatz im OCB-FET zu untersuchen und zu simulieren. Zudem wurden die entwickelten Leistungs-Schutzschalter statisch und dynamisch vermessen sowie ihr thermisches Verhalten und ihre Zerstörungsgrenze getestet. Airbus definierte die Anforderungen aus Sicht von Luftfahrt-Anwendungen und erarbeitete eine geeignete Topologie. Diese wurde zusammen mit den Partnern als Demonstrator ausgeführt und getestet.

Siemens untersuchte Aufbau und Verbindungstechnik der Leistungsschutzschalter. E-T-A definierte die Anforderungen für Industrieanwendungen. Zusammen mit den Partnern validierte E-T-A dafür ausgelegte Leistungs-Schutzschalter für Spannungsklassen bis zu 1500 V. Infineon leitete das Projekt, steuerte seine Kompetenz für Leistungshalbleiter bei und forschte an den Leistungshalbleitern für die OCB-FETs.

NEST-DC steht für »Neuartige elektronische Leistungsschutzschalter für Gleichspannung im Bereich der erneuerbaren Energien und Bordnetze«. Während der Projektlaufzeit investierten die Forschungspartner etwa 4,5 Millionen Euro. Projektstart war im Oktober 2013; die Laufzeit betrug drei Jahre. Die Bundesregierung hat das Ziel, Strom mit Hilfe innovativer Leistungselektronik in Zukunft effizienter zu nutzen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert auf der Grundlage des Rahmenprogramms IKT 2020 multidisziplinäre Forschungs- und Entwicklungsprojekte zum Thema »Leistungselektronik zur Energieeffizienz-Steigerung« (LES). NEST-DC wurde mit rund 2,1 Millionen Euro unterstützt.