Forschungsprojekt »NEST-DC«
Leistungsschutz-Schalter bis 1.500 V für Gleichspannungsnetze
Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Forschungsprojekt NEST-DC soll die Grundlagen für einen neuartigen halbleiterbasierten, vollelektronischen Leistungs-Schutzschalter für Gleichspannungsnetze und -anwendungen erforschen. Denn Gleichspannung bringt gegenüber der heute üblichen Wechselspannung viele Vorteile.
Bei Spannungen bis zu 1.500 V soll der neue Leistungs-Schutzschalter Gleichspannung möglichst schnell und sicher einschalten und vor allem ausschalten können. NEST-DC – die Abkürzung steht für »Neuartige elektronische Leistungs-Schutzschalter für Gleichspannung im Bereich der erneuerbaren Energien und Bordnetze« - erforscht unter anderem neuartige Halbleiterbauelemente wie den Over-Current-Blocking-Field-Effect-Transistor (OCB-FET). Für die Leistungs-Schutzschalter, die die OCB-FETs verwenden, sollen eine neue Aufbau- und Verbindungstechnik und neue Schaltungstopologien erarbeitet und geprüft werden. Zu den Projektergebnissen wird es Demonstratoren im Bereich von Luftfahrt-Bordnetzen, Elektromobilität, Photovoltaik und für Gleichspannungs-Verteilnetze geben.
Das wäre eine vielversprechende Technik, denn Verluste in den Gleichspannungnetzen und in elektrischen Geräten sind insgesamt um 5 bis 7 Prozent geringer als bei Wechselspannung. Außerdem lässt sich bei Gleichspannung die elektrische Energie aus regenerativen Quellen effizienter in Energienetze und -speicher einspeisen und die Netzstabilität verbessern; elektrische Geräte könnte man noch deutlich kompakter bauen.
Das Fehlen von effizienter und kostengünstiger Sicherungstechnik verhindert es bislang, das Potential der Gleichspannung auszuschöpfen; beispielsweise in Verteilnetzen von Rechenzentren und von Photovoltaik- und Telekommunikationsanlagen sowie in Bordnetzen in Luft- und Schifffahrt, in Elektrofahrzeugen und Bahntechnik. Heute gibt es nur elektromechanische Schutzvorrichtungen, bei denen Lichtbögen beim Schalten von Gleichspannungen und Strömen entstehen können; zudem sind sie langsam ansprechend, schwer, wenig robust und teuer.
Die NEST-DC-Partner: vom Chip bis zum Netz
Die Forschungspartner von NEST-DC bilden die komplette Wertschöpfungskette vom Halbleiterchip bis zum System eines Gleichspannungsnetzes ab. Zum Team gehören das Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente (IALB) der Universität Bremen und die vier Unternehmen Airbus Group, E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH, Siemens AG und Infineon Technologies AG (Projektleitung). Unterstützung kommt außerdem vom European Center for Power Electronics e.V. (ECPE), das seinen Sitz in Nürnberg hat.
Im Projekt übernimmt es das IALB, neuartige Halbleiterstrukturen für den Einsatz im OCB-FET zu untersuchen und zu simulieren, die entwickelten Leistungs-Schutzschalter statisch und dynamisch zu vermessen sowie ihr thermisches Verhalten und ihre Zerstörungsgrenze auszutesten. Airbus Group Innovations definiert die Anforderungen aus Sicht der Luftfahrt-Anwendungen. Man erarbeitet hierfür eine geeignete Topologie, die man zusammen mit den Partnern als Demonstrator ausführt. Der Test der Hardware erfolgt bei Airbus Group in Ottobrunn.
Siemens kümmert sich um Aufbau und Verbindungstechnik der Leistungs-Schutzschalter. Die E-T-A Elektrotechnische Apparate definiert die Anforderungen für Industrieanwendungen und validiert dafür ausgelegte Leistungs-Schutzschalter für Spannungsklassen bis zu 1.500 V zusammen mit den Partnern. Infineon leitet das Projekt, steuert seine Kompetenz für Leistungshalbleiter bei und forscht an den in OCB-FETs angedachten Leistungshalbleitern.
Das Forschungsprojekt NEST-DC unterstützt das BMBF im Rahmen des Förderschwerpunkts »Leistungselektronik zur Energieeffizienzsteigerung« mit rund 2,3 Millionen Euro. Projektstart war im Oktober 2013; die Laufzeit beträgt drei Jahre.
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