Mit speziell für den Offshore-Einsatz ausgelegten Leistungselektronik-Komponenten will das Fraunhofer-Institut IMWS die Stromerzeugung auf See effizienter und günstiger machen.

 

Leistungselektronik sorgt in Windkraftanlagen dafür, dass die fluktuierend erzeugte Energie gleichmäßig ins Netz eingespeist wird. Die dabei eingesetzten Materialien und Komponenten sind dabei oft extremen Belastungen ausgesetzt.

Gemeinsam mit Partnern wie den Halbleiterherstellern Infineon und Semikron Elektronik hat das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS) jetzt einen Ansatz für deutlich robustere Lösungen entwickelt. Die auf einem Megawatt-Prüfstand getesteten neuen Komponenten vom Chip bis zur Systemebene verringern Schaltverluste, verbessern Leistungsdichte und Zuverlässigkeit und ermöglichen eine um 50 % gesteigerte Lebensdauer.

Leistungselektronik hat in Windkraftanlagen eine zentrale Aufgabe: Je stärker der Wind weht, desto höher sind die Drehzahlen des Rotors und die im Generator erzeugte Spannung. Leistungshalbleiter gleichen diese Schwankungen aus und sorgen für eine gleichmäßige Energieübertragung ins Stromnetz. Bei diesen Schaltvorgängen tritt ein Verlust elektrischer Energie durch Umwandlung in Wärme auf, ein Teil des erzeugten Windstroms kommt also gar nicht im Netz an.

Zusätzlich werden die eingesetzten Komponenten durch Temperaturwechsel, Feuchte, Salz, hohe Spannungen sowie mechanische Kräfte extrem belastet, was ihre Zuverlässigkeit und Lebensdauer begrenzt. Defekte an Leistungsmodulen sind deshalb häufig an Ausfällen von Windkraftanlagen beteiligt.

Lebensdauer der Komponenten um zehn Jahre erhöht

Das 2017 gestartete und vom Bundeswirtschaftsministerium geförderte Projekt hat deshalb die Verbesserung von Komponenten und Halbleiterstrukturen in den Fokus genommen. "Die Lebensdauer der Komponenten kann damit von 20 auf 30 Jahre erhöht werden, was die Kosten des Gesamtsystems erheblich senkt", sagt Bianca Böttge vom Fraunhofer IMWS.

So konnten im Projekt schrittweise Materialien und Herstellungsverfahren für neue Kontaktsysteme sowie die darauf aufbauenden Leistungsmodule ausgewählt werden, die keine mikrostrukturellen Defekte wie Hohlräume (Voids), Delaminationen, Diffusionsmechanismen oder Risse mit sich bringen. 

Schwerpunkte der Entwicklungsarbeiten der Partner waren beispielsweise die Entwicklung von gesinterten Verbindungssystemen anstelle von klassischen Drahtbond- und Lötverbindungen, um höhere Chiptemperaturen möglich zu machen, die Verbesserung der Modulkühlung im System oder die Weiterentwicklung korrosionsbeständiger Chip-Randabschlüsse.