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Verbundprojekt "'SwiSS' Halbleiterbasierter SiC-Trafo"
In diesem Projekt wurden Technologien für hocheffiziente Leistungselektroniksysteme auf der Basis von Silizium-Karbid (SiC) für Netz-Anwendungen entwickelt und deren möglicher Einsatz im Schweizer Stromnetz am Beispiel eines halbleiterbasierten Transformators (solid-state transformer, SST) untersucht.
Projektbeschrieb (abgeschlossenes Forschungsprojekt)
Lokale Stromnetze können bezüglich Spannungen und Überstrom destabilisiert werden, wenn viele erneuerbare Energiequellen eingebunden sind. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, werden neue und flexiblere Leistungselektronik-Technologien wie SST benötigt. Um eine höhere Effizienz leistungselektronischer Umrichter zu erzielen, eignet sich der Einsatz des neuartigen Materials SiC für aktive Halbleiterelemente. SiC ist jedoch noch nicht so weit entwickelt wie siliziumbasierte Technologien. Für zuverlässige, energie- und kosteneffiziente Systeme sind vertiefte Forschung und Entwicklung erforderlich.
Zielsetzung
- Grundlegende materialwissenschaftliche Untersuchung von SiC und Entwicklung geeigneter Analyse- und Herstellungsmethoden.
- Entwicklung eines neuartigen, vollständig passiven Kühlsystems für SiC-Komponenten auf der Grundlage des Thermosiphonprinzips.
- Entwicklung und Umsetzung eines hocheffizienten, SiC-basierten 25kW-SST für die Wand-lung von 3.8 kV Einphasenwechselstrom zu 400V Gleichstrom. .
- Bewertung der Anwendung und der Nachhaltigkeit von SiC-basierten SST für das zukünftige Schweizer Stromnetz.
Resultate
Es wurden verschiedene neue Technologien, die zur Realisierung effizienter, kompakter und zuverlässiger SiC-basierter Leistungselektroniksysteme beitragen, entwickelt und zum ersten Mal demonstriert. Zu den wichtigsten Ergebnissen gehören eine neue Analysemethode für die SiC/SiO2-Grenzfläche in SiC-basierten Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) unter Verwendung eines Freie-Elektronen-Lasers, eine vollständig passive und dennoch leistungsfähige Kühlmethode für SiC-Elemente und die Realisierung eines extrem kompakten AC/DC-SST auf der Grundlage des neuesten 10kV-SiC-MOSFET mit bisher unerreichter Effizi-enz (AC/DC-Stufe: 99,1%; DC/DC-Stufe: 99%). Das Design der einzelnen Technologien wurde so angelegt, dass sie zueinander kompatibel sind, um Wandler zu ermöglichen, die alle Vorteile in einem System vereinen.
Darüber hinaus wurde das Potenzial künftiger Anwendungen von SiC-SST am Beispiel eines realen Verteilnetzes mit 100 Transformatoren geprüft. Bei umfassender Einbindung von Photovoltaik-Quellen gemäss den Zielen der Energiestrategie 2050 empfehlen die Forschenden eine hybride Transformatortechnologie, mit der bei gleichzeitig minimalem ökologischem Fussabdruck sowohl Nieder- als auch Mittelspannungsnetze stabilisiert werden.
Bedeutung
Bedeutung für die Forschung
Das Projekt hat aufgrund des interdisziplinären Charakters Einfluss auf mehrere Forschungsgebiete: Es macht neuartige SiC-Materialanalyseverfahren für Forschende verfügbar; es realisiert erstmals ein Kühlsystem ohne Energieverbrauch für SiC-Elemente; es weist die Machbarkeit eines hocheffizienten und extrem kompakten SiC-basierten AC/DC-SST nach, zusammen mit präzisen Methoden zur Charakterisierung; und es hat eine Methode zur Gesamtbeurteilung der ökologischen Nachhaltigkeit netzbasierter Anlagen eingeführt.
Bedeutung für die Praxis
Unternehmen, die auf dem Gebiet der Leistungselektronik tätig sind, können die technologischen Erkenntnisse und Entwicklungen nutzen, um eigene Entwicklungen der SiC-Technologie und passiver Kühlsysteme voranzutreiben. Zudem können Verteilnetzbetreiber die Ergebnisse des Projekts verwenden, um abzuschätzen, wie viele erneuerbare Energiequellen sich in ihre Netze integrieren lassen und welche Technologien am besten geeignet sind, um Netzdestabilisierungen zu vermeiden.
Originaltitel
"SwiSS Transformer" – Solid State SiC Transformer
Verbundene Projekte
Zu diesem Verbund gehören folgende vier Forschungsprojekte
- Prof. Jens Gobrecht, Labor für Mikro- und Nanotechnologie, Paul Scherrer Institut, Villigen; Dr. Hans Sigg, Paul Scherrer Institut, Villigen
- Prof. John R. Thome, Laboratoire de transfert de chaleur et de masse, EPF Lausanne
- Dr. Dominik Bortis, Departement für Hochspannungstechnologie, ETH Zurich
- Prof. Dr. Nicola Schulz, Institut für Aerosol- und Sensortechnik, Fachhochschule Nordwestschweiz, Hochschule für Technik, Windisch