Elektronisch statt elektromechanisch Sicherungstechnik für Gleichspannungsnetze

Gleichspannung muss sich schnell und sicher ein- und ausschalten lassen.
Gleichspannung muss sich schnell und sicher ein- und ausschalten lassen.

Energieverluste in Stromnetzen und elektrischen Geräten sollen sich künftig um mehr als die Hälfte verringern lassen: Mit halbleiterbasierten, vollelektronischen Leistungs-Schutzschaltern zum Einsatz in Gleichspannungsnetzen und -anwendungen.

Die Leistungs-Schutzschalter wurden im Rahmen des Forschungsprojekts NEST-DC entwickelt, an dem fünf Partner aus Industrie und Wissenschaft beteiligt waren. Mit den Schutzschaltern soll sich überall dort Gleichspannung nutzen lassen, wo heute Wechselspannung üblich ist. Ohne eine effiziente und kostengünstige Sicherungstechnik ist es nicht möglich, Verteilnetze und Bordnetze im Bereich Elektromobilität auf Gleichspannungsversorgung umzustellen.

Bislang gab es nur elektromechanische Schutzvorrichtungen – hier können allerdings Lichtbögen beim Schalten von Gleichspannungen und Strömen entstehen. Außerdem springen elektromechanische Schutzvorrichtungen vergleichsweise langsam an und sind schwer, wenig robust und teuer.

Sie wurden entwickelt, um Gleichspannung möglichst schnell und sicher ein- und im Notfall ausschalten zu können. Durch diese Fähigkeit lässt sich Energie aus regenerativen Quellen effizienter in Energienetze und -speicher einspeisen sowie die Netzstabilität verbessern. Außerdem ist mit den neuen Komponenten die Realisierung kompakterer Gesamtsysteme möglich.

Die Projektpartner

Beteiligt an dem Projekt waren Airbus, E-T-A Elektrotechnische Apparate, Infineon, Siemens sowie das Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente (IALB) der Universität Bremen. Die Projektleitung von NEST-DC hatte Infineon inne. Maßgebliche Unterstützung kam außerdem vom European Center for Power Electronics (ECPE).

Die Projektpartner erforschten unter anderem neuartige Halbleiterbauelemente wie den Over-Current Blocking Field Effect Transistor (OCB-FET). Daneben wurden neue Aufbau- und Verbindungstechniken sowie neue Schaltungstopologien für elektronische Leistungs-Schutzschalter erarbeitet und getestet. Als Projektergebnisse sind Demonstratoren für die Bereiche Luftfahrt-Bordnetze, Elektromobilität, Photovoltaik und Gleichspannungs-Verteilnetze entstanden.

Die Aufgabe des IALB war es, neuartige Halbleiterstrukturen für den Einsatz im OCB-FET zu untersuchen. Zudem wurden an dem Institut die entwickelten Leistungs-Schutzschalter statisch und dynamisch vermessen sowie ihr thermisches Verhalten und ihre Zerstörungsgrenze getestet. Airbus war für die Definition der Anforderungen aus der Sicht von Luftfahrt-Anwendungen zuständig und erarbeitete eine geeignete Topologie. In Zusammenarbeit mit den Partnern wurde die Topologie als Demonstrator ausgeführt und getestet.

Siemens erarbeitete den Aufbau und die Verbindungstechnik der Leistungsschutzschalter. E-T-A definierte die Anforderungen für Industrieanwendungen und validierte gemeinsam mit den Projektpartnern für die Industrie ausgelegte Leistungs-Schutzschalter für Spannungsklassen bis 1500 V. Infineon steuerte seine Kompetenz bei Leistungshalbleitern bei und forschte an den Leistungshalbleitern für die OCB-FETs.

Der Projektname NEST-DC steht für „Neuartige elektronische Leistungs-Schutzschalter für Gleichspannung im Bereich der erneuerbaren Energien und Bordnetze“. Während der dreijährigen Projektlaufzeit investierten die fünf Forschungspartner etwa 4,5 Mio. Euro. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützte das Projekt mit rund 2,1 Mio. Euro.