Kommentar von Prof. Leo Lorenz Entwicklungstrends in der Leistungselektronik

Prof. Leo Lorenz ist Präsident der ECPE und Vorsitzender des Boards of Directors der PCIM Europe.
Prof. Leo Lorenz ist Präsident der ECPE und Vorsitzender des Boards of Directors der PCIM Europe.

Industrie 4.0, die Energiewende und die Elektromobilität. Die aktuellen wirtschaftlichen und technischen Entwicklungen bieten erhebliches Wachstumspotenzial für die Leistungselektronik. Im Vorfeld der PCIM gab uns Prof. Leo Lorenz seine Einschätzung zu den wichtigsten Leistungselektronik-Trends.

Die Leistungselektronik ist die Schlüsseltechnologie für die streng bedarfsorientierte Steuerung des elektrischen Energieflusses von der Energiequelle bis hin zum Verbraucher. In der Energie-Flusskette von der Energieerzeugung bis zum Verbraucher – zum Beispiel im Privat- und Büro-Bereich, in der Fabrikautomatisierung oder in Transport-Systemen – existieren  eine Vielzahl leistungselektronischer Wandler unterschiedlicher Leistungsklassen, die abhängig von der Lastcharakteristik und der Regeldynamik des augenblicklichen Energiebedarfs mehr oder weniger komplexe Schalt- und Regelstrukturen aufweisen.

Allen gemeinsam ist, das jeder einzelne Energiewandler einen sehr hohen Wirkungsgrad haben muss. Denn häufig sind viele Energiewandler in der Energie-Flusskette aktiv hintereinander geschaltet, und der Gesamtwirkungsgrad ergibt sich aus dem Produkt aller einzelnen Wandler-Wirkungsgrade. Darüber hinaus müssen die Energiewandler störsicher sein und für die durchgängige Kommunikation power-internetfähig.

Der »digitale, kommunikationsfähige leistungselektronische Wandler« muss die an das Cyber-Security-System gestellten Bedingungen erfüllen. Aus diesen Systemanforderungen heraus leiten sich die aktuellen Entwicklungsschwerpunkte in der Leistungselektronik ab:

  • Erhöhung des Wirkungsgrads zum Einsparen von Energie und für eine bessere Umweltverträglichkeit
  • Optimierung der Leistungsdichte und 3D-Integration für die System-Miniaturisierung
  • Erhöhung der Zuverlässigkeit und Robustheit zur Verlängerung der Systemlebensdauer
  • Entwicklung digitaler Energiewandler mit IoT-Funktionalität für eine einfachere Kommunikation
  • Kostenreduzierung zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit

In diesem Jahrzehnt sind eine Reihe wichtiger und neuer großer Applikationsfelder entstanden, bei denen die Leistungselektronik im Zentrum steht. Die drei wichtigsten Entwicklungsrichtungen lassen sich mit den Schlagwörtern »Energie«, »Mobilität« und »Factory of the Future« zusammenfassen.

Applikationsfeld Energie

Die Entwicklungsrichtung Energie umfasst die Energie-Erzeugung, die Energie-Übertragung, die Energie-Speicherung und die Energie-Verteilung. Der Trend geht hin zur dezentralen Energieerzeugung, den sogenannten Microgrids – unter anderem mit den Erzeugungsarten Windenergie, Solarenergie, Wasserkraft-Energie und Biomassekraftwerken.

Mittels präzise arbeitenden Regelkonzepten speisen eine Vielzahl leistungselektronischer Wandler in das Netz ein. Damit sind sie für die Störsicherheit und Zuverlässigkeit des Energieversorgungssystems verantwortlich. Zukünftige Microgrids müssen E-LAN-fähig (Energy Network) und IoE-fähig (Internet of Energy) sein. Das Einspeisen über Synchron-Generatoren aus den heutigen Großkraftwerken wird in Zukunft drastisch reduziert werden oder sogar ganz entfallen.

Bei der Energieübertragung über größere Entfernungen, zum Beispiel bei Off-Shore-Windparks werden Unterwasser-Kabel und auf dem Festland HGÜ-Leitungen (Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung) eingesetzt. Bei Hochleistungs-Anwendungen wie der Windkraft oder der Energie-Übertragung stehen modulare Multi-Level-Topologien mit abschaltbaren Bauelementen wie zum Beispiel IGBTs im Zentrum der Entwicklung.

Solche Topologien bringen entscheidende Vorteile mit sich: Wegen der multiplen Spannungsebenen wird der hohe Filteraufwand drastisch reduziert, die Spannung und Leistung sind einfach skalierbar, es ist keine Blindleistungskompensation notwendig und auch im Fehlerfall (z.B. Ausfall eines Schalters) ist die Funktionalität sichergestellt.

Im höchsten Spannungsbereich UD > ± 600 kV werden heute noch – und voraussichtlich aus Kostengründen auch in der nächsten Dekade – LTTs (Lichtgezündete Thyristoren) eingesetzt. Bereits jetzt sind eine Vielzahl von HGÜ-Lösungen bis circa ±400 kV mit IGBTs und bis circa ±800 kV mit LTTs realisiert. In China wird derzeit an einer HGÜ-Leitung mit 1100 kV gearbeitet. China ist auch der mit Abstand größte Markt für HGÜ-Leitungen, gefolgt vom übrigen Asien, den USA und Europa.

Photovoltaik-Systeme höherer Leistung, das heißt mit mehr als 1 MW, werden heute mit IGBTs realisiert. Im mittleren und unteren Leistungsbereich finden IGBTs oder Leistungsschalter-Hybride (SiC plus Si-Komponenten) Verwendung. Daneben werden SiC-Transistoren zur Erhöhung des System-Wirkungsgrads oder zum Erreichen hoher Leistungsdichten eingesetzt. Die große Herausforderung bei Photovoltaik-Systemen ist das Energie-Management bestehend aus Energieerzeugung, Energieverbrauch, Speicherung und Netzeinspeisung (Einkauf und Verkauf von Energie).