GaN-Halbleitertechnik
Gleichstromgespeistes Haus spart Energie
Beim vernetzten Haus geht es nicht nur um den Informationsaustausch zwischen Haushaltsgeräten und dem IoT, sondern auch um ein effizientes Energiemanagement. Wie es geht, zeigt ein Wohngebäude-Konzept aus Amerika – das NextHome.
In fast jedem amerikanischen Wohnhaus geht jedes Jahr Energie im Gegenwert von mehr als 1000 Dollar durch deren Umwandlung verloren. Bei Stromausfällen kommen Taschenlampen und Kerzen zum Einsatz. Natürlich ist das kein rein amerikanisches Phänomen, denn es passiert ebenso in europäischen und anderen Ländern. Ein neuartiges Wohngebäude-Konzept in Amerika verschafft Abhilfe. Beim „NextHome“ handelt es sich um ein vernetztes und mit Gleichstrom versorgtes Haus, dass Energie effizient wandelt und bei Stromaufall das Elektrofahrzeug in der Garage auf Einspeisung umschaltet und so dafür sorgt, dass das Haus mit Energie versorgt wird. Eine entscheidende Rolle spielen dabei Galliumnitrid-Leistungshalbleiter.
Warum Gleichstromversorgung?
Mit Gleichstrom lässt sich ein Haushalt wesentlich effizienter betreiben als mit herkömmlichem Wechselstrom. Allerdings werden die Häuser vom Netz aus mit Wechselstrom versorgt. Viele der technisch fortschrittlichen Produkte, die während der letzten Jahre in unsere Haushalte Einzug gefunden haben, werden jedoch konstruktionsbedingt mit Gleichspannung versorgt – LEDs, Konsumelektronik, Heizungs- und Kühlungsanlagen sowie Haushaltsgeräte – im Grunde alles, was ein Halbleiterbauteil mit Gleichspannungsversorgung hat. Deshalb sind diese elektronischen Geräte typischerweise mit einem AC/DC-Wandler ausgestattet.
Jede Wandlung von Wechsel- zu Gleichstrom bedeutet einen kleinen Leistungsverlust. Waren diese Verluste früher noch vernachlässigbar gering, so ist der Gesamteffekt mit mittlerweile Milliarden Geräten in den Haushalten sehr groß (Tabelle). Ein Projekt, das sich dieser Problematik annimmt, ist NextHome. Der Initiative unter Führung von NextEnergy, einer amerikanischen Non-Profit-Organisation, gehören u.a. Hersteller von Haushaltsgeräten und PV-Modulen an sowie Unternehmen, die Batterieladesysteme für E-Fahrzeuge entwickeln. NextHome ist das erste Wohnhaus mit einem integrierten Gleichstrom-Versorgungsnetz, das wiederum auf die Fortschritte in der Gebäude- und Fahrzeugtechnik und bei den entsprechenden Systemen aufsetzt. Die Leistungsverteilung im NextHome als realem Wohnprodukt erfolgt über Direct Coupling von Nextek Power Systems. Das Verteilsystem ist ein integrierter Bestandteil für die komplette komplexe Vernetzung von Haus, Fahrzeug, Stromversorgungsnetz und Geräten.
Das Wohngebäudekonzept soll den Bewohnern bei der Verwaltung ihrer Haushaltsversorgung helfen und deckt alle Aspekte der Bereiche Energieeffizienz, Smart Grid, Kommunikationssysteme, Energiespeicherung, Infrastruktur für E-Fahrzeuge und die Integration Erneuerbarer Energien ab. Darüber hinaus ist dies eine reale Umgebung, in der die Unternehmen ihre Technologien testen, vorführen und zur Marktreife führen können.
Bild 1 zeigt, wie sich bei einem vernetzten, mit Gleichstrom versorgten Haus die Kommunikation mit den vielen Geräten über ein Wohngebäude-Kleinstversorgungsnetz darstellt: Ein kurzer Überblick über die Elemente des Mikroversorgungsnetzes für Wohngebäude:
- Photovoltaik-Module auf dem Dach erzeugen 3,1 kW an Solarenergie, womit Gleichstrom für den Betrieb von Haushaltsgeräten, für das Laden des Elektroautos oder – sollte er nicht direkt benötigt werden – für das Speichern in einem Energiespeicher zur Verfügung steht. Der Vorteil: Gleichstrom kann quasi direkt von der PV-Anlage an die Gleichstrom-Verbraucher im Haus geleitet werden. So werden 7 % Verlust vermieden, die sonst bei Übertragung und Verteilung entstehen. Beim Projekt NextHome geht man im Durchschnitt von einer jährlichen Einsparung von 447 Dollar an Stromkosten aus.
- Das Heiz- und Kühlsystem besteht aus einer 24-V-DC-Fußbodenheizung und 24-V-DC-Deckenlüftern, mit einer bedarfsgesteuerten Warmwasseranlage mit DC-Steuerung. Das ganze System wird direkt durch die PV-Module, die in der Hausbatterie gespeicherte Energie oder die Netzversorgung mit Gleichstrom gespeist. Fußbodenheizung und bedarfsgesteuerte Warmwasseraufbereitung sind bis zu 60 % effizienter als ihre Vorgängeräquivalente und kommen bei der Herstellung auch mit weniger Bauteilen aus. Beim NextHome spart das im Vergleich zur durchschnittlichen Energiebilanz eines Einfamilienhauses in Michigan bis zu 54 BTU (British Thermal Unit; 1000 BTU ≈ 293 Wh) an Energie ein, was im Jahr bis zu 700 Dollar ausmachen kann.
- Energiespeicher: Das NextHome verfügt über eine Energiespeicheranlage mit 5 kW (13,1 kWh), die mit der gespeicherten Energie der PV-Anlage (oder aus anderen Erneuerbaren Energien) oder der Netzversorgung den Haushalt versorgt oder sogar das Elektrofahrzeug auflädt. Mit Hilfe eines Home Energy Management System lassen sich die elektrischen Verbraucher priorisieren. Das Managementsystem entscheidet auch darüber, wann zusätzlicher Strom vom Versorger zugekauft und gespeichert wird, z.B. in Abhängigkeit vom Preis.
- Gleichstromnetze im NextHome für 24 V DC und 380 V DC. Es wird angenommen, dass sich allein durch die Gleichstromverteilungsanlage 6,9 % bis 8,28 % Energie einsparen lassen [1].
- Das Ladesystem für das Elektrofahrzeug ist bidirektional ausgelegt und wird über Erneuerbare Energien, z.B. die PV-Hausanlage, oder aus dem Versorgungsnetz gespeist – der Clou der bidirektionalen Anlage ist aber, dass ein E-Auto bei Bedarf als Notstrombatterie für das Haus fungieren kann.
- Gleichstrom-Haushaltsgeräte im DC-gespeisten NextHome reduzieren die Wandlungsverluste auf ein Minimum und sind daher nicht nur effizienter als ihre AC-Gegenstücke, sondern aufgrund der reduzierten Bauteilezahl auch günstiger in der Herstellung.
- Internet der Dinge (IoT) ist natürlich ein integraler Bestandteil des NextHome-Ökosystems, zu dem neben maßgeschneiderten Systemen für die Integration von Verbrauchern und Erzeugern, der Datenerfassung, der Überwachung/Steuerung und der geräteübergreifenden Anwendung komplexer Logikschaltungen auch Produkte mit offenen Application Programming Interfaces (APIs) gehören, was die Entwicklung durch Fremdanbieter ermöglicht.
Die Rolle der GaN-Halbleiterbausteine
Gleich zu Beginn war im Projekt klar, dass effizientere Leistungssysteme erforderlich sein würden. Herkömmliche Leistungs-Halbleiter könnten hier an ihre Grenze stroßen; daher fiel die Wahl auf Galliumnitrid (GaN), da dieses Material im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Transistoren die Schalt- und Leiteigenschaften verbessert und zudem die Systemkosten senkt. Das NextHome-Konsortium hat Hochstrom-Schaltbausteine in einem bidirektionalen 3-kW-Gleichstromwandler verbaut, der speziell auf die Erfordernisse einer Wohngebäude-Mikroverteilung ausgelegt ist. Mit dem NextHome-DC/DC-Wandler lassen sich Gleichstromsysteme mit verschiedenen Betriebsspannungen bis 800 V koppeln, wobei die Richtung des Energieflusses keine Rolle spielt. Beim Wandler kommen zwei reihengeschaltete Paare 650-V-Leistungsschaltbausteine von GaN Systems zum Einsatz, die ein einzelnes Bauteil mit 1200 V oder 1300 V ersetzen (Bild 2).
Durch die GaN-Bauteile kann das System Schaltgeschwindigkeiten von 1 MHz erreichen und ermöglicht eine effiziente und quasi verlustfreie Leistungswandlung. Die Hochleistungsschalttransistoren GS66506P mit 25 A und 73 mΩ gehören zur 650-V-Familie der als Anreicherungstyp ausgeführten Transistoren von GaN Systems. Sie bieten gute Sperrstrom-Eigenschaften, eine Sperrverzögerungsladung gleich Null und Source-Sense für ein optimiertes Hochgeschwindigkeitsdesign. Die Bauteile setzen auf zwei Kerntechnologien des Unternehmens auf: Die Chip-Ausführung in Island Technology und die Aufbau- und Verbindungstechnik GaNPX. Chips in Island Technology werden als Anordnung wechselnder „Inseln“ aus jeweils Drain- und Source-Material mit dem Gate als Gitterverbindung zwischen diesen Inseln gefertigt. Dadurch kann sowohl die Länge des Gate in einer gegebenen Fläche maximiert als auch die Wärme vom Kanal gleichmäßig über das Bauteil verteilt werden. So können die Abmessungen und die Kosten für Bauteile auf Galliumnitrid-Basis nachhaltig reduziert werden. Die Aufbau- und Verbindungstechnik GaNPX wurde entwickelt, um Induktivität und thermischen Widerstand auf ein Minimum zu reduzieren. Die Packages kommen ohne Bond-Drähte aus, wodurch zum einen die Induktivität begrenzt und zum anderen ein verbreitetes Zuverlässigkeitsproblem bei Halbleiterbauteilen umgangen wird. Die AvT GaNPX ermöglicht äußerst kompakte Gehäuse und macht es Design-Ingenieuren sehr einfach, GaN-Bauteile in ihre Anwendungen zu integrieren.
Girvan Patterson (GaN Systems)
Literatur
[1] Uesugi, T.: Quantitative simulation of energy saving impacts through DC power supply at residential sector. Arthur D. Little (Japan), Ind.; EC/SG4 Workshop 29. September 2011.
[2] Savage, P.; Nordhaus, R.; Jamieson, S.: DC Microgrids: Benefits and Barriers. Yale School of Forestry & Environmental Studies.
[3] www.nextenergy.org/nexthome
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