Halbleiterbasierter Leistungsschalter für DC-Stromverteilungen

Aufgrund der im Vergleich zu AC-Lösungen höheren Effizienz ermöglichen DC-Lösungen die Elektrifizierung einer Vielzahl neuartiger Lasten, z. B. im Transportwesen, in der Industrieautomation, in der Klimatechnik usw. Dies wiederum treibt die Integration von erneuerbaren Energien und die Implementierung von Energiespeichern im Stromnetz voran. Durch die wirtschaftlichen Vorteile, welche die DC-Technologie in den verschiedenen Anwendungen ermöglichen kann, gilt deren Wachstumspotenzial als äußerst vielversprechend. Dies gilt besonders im Hinblick auf die höhere Effizienz und die dadurch geringeren Energiekosten, die mithilfe DC gekoppelter Energiespeicher noch weiter verbessert werden können. Aufgrund dieses Effizienzvorteils werden DC-Lösungen bereits heute zunehmend in der Schifffahrt eingesetzt (Bild 1). Dennoch gibt es bedeutende Hürden, beispielsweise im Hinblick auf den Fehlerschutz und die Fehlerisolierung. Die Fehlerisolierung umfasst die komplette Sequenz von der Erkennung des Fehlerstroms, die anschließende Auslösung des Schalters und die Abschaltung des Stroms. Auf diese Weise wird der Funktionserhalt der nicht betroffenen Bereiche sichergestellt.

Herausforderungen beim Einsatz von DC-Systemen

Die Hauptherausforderung resultiert aus der für diese Hochleistungs-DC-Systeme charakteristischen geringen Induktivität im Gesamtleistungspfad, deren Auswirkung im Fehlerfall in der Kombination mit zusätzlichen, direkt DC-gekoppelten Hochleistungs-Energiespeichern noch verstärkt wird. Kommt es zu einem Kurzschluss, ist die Anstiegszeit des resultierenden, sehr hohen Fehlerstroms aufgrund der geringen Induktivität und des geringen spezifischen Widerstands erheblich kürzer (mehrere Hundert Mikrosekunden oder weniger) als bei AC-Anwendungen. Dies stellt eine erhebliche Herausforderung für einen konventionellen Leistungsschalter dar.

Um den Fehlerstrom zu begrenzen und zu löschen, muss das Gerät schnellstmöglich eine Gegenspannung aufbauen, die mindestens der Nennbetriebsspannung des Systems entspricht. Bestehende DC- und AC-Systeme mit elektromechanischen Leistungsschaltern nutzen dazu Löschmechanismen, die den entstehenden Lichtbogen teilen, kühlen und die Lichtbogenenergie über eine Lichtbogenkammer abführen. Diese Methode eignet sich zwar zur Stromunterbrechung in den meisten bestehenden Anwendungen, ist aber – je nach Schaltergröße – mit mehreren Dutzend Millisekunden zu langsam für die neuen DC-Anwendungen.

Halbleiterbasierte Leistungsschalter (Solid-State Circuit Breakers, SSCB) nutzen sogenannte Leistungshalbleiter mit hoher Stromtragfähigkeit und Schaltgeschwindigkeiten im Mikrosekundenbereich, um die erforderliche Freischaltung des Stromkreises und eine ultraschnelle und sichere Unterbrechung der erwähnten, schnell ansteigenden Fehlerströme in DC-Anwendungen zu gewährleisten. Mit dem Ziel, diese DC-Systeme zu ermöglichen und somit den Weg für eine nachhaltige Energiewende zu ebnen, hat ABB den Sace Infinitus entwickelt. Dieser halbleiterbasierte Leistungsschalter löst die Problematik des Fehlerschutzes und der Fehlerisolierung in einem Gerät.

Rückwärts sperrender IGCT für geringe Leistungsverluste

Leistungsschaltern sind die höheren Durchlassverluste aufgrund des größeren Spannungsabfalls über dem Halbleiter im Vergleich zum typischerweise geringen Kontaktwiderstand in einem herkömmlichen elektromechanischen Leistungsschalter. Ein weiterer Nachteil höherer Verluste – neben der verringerten Effizienz – ist die sich dadurch ergebende Notwendigkeit zur Abfuhr der entstehenden Wärme. Selbst das effizienteste Kühlsystem kann die unerwünschte Zunahme der Größe, Komplexität und Kosten nicht kompensieren. 

Ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ist nicht nur in der Lage, Ströme schnell und effektiv ein und auszuschalten, er lässt sich auch leicht steuern. IGBT stellen den Stand der Technik bei Stromrichteranwendungen dar, weisen aber in Leistungsschalteranwendungen höhere Durchlassverluste auf, was besonders bei hohen Nennströmen eine erhebliche Problematik darstellt. 

Im Jahr 1996 hat ABB den IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) in Verbindung mit Mittelspannungs-Umrichtern auf den Markt gebracht. Der IGCT zeichnet sich durch eine niederinduktive Ansteuereinheit (GateTreiber) und ein vollständig steuerbares Gate aus. So kann der Halbleiter ähnlich wie ein Thyristor Strom einschalten und mit sehr geringen Verlusten leiten sowie gleichzeitig wie ein IGBT oder ein Transistor auch abschalten Leistungsschalter. 

Der Sace Infinitus geht noch einen Schritt weiter: Er nutzt einen speziellen rückwärts sperrenden IGCT (RB-IGCT), der einen Thyristor und eine in Reihe geschaltete Diode zum Schutz gegen Rückwärtsspannungen in einem einzigen Siliziumwafer integriert (Bild 2). Durch diese Integration auf Waferebene wird ein besonders niedriger Spannungsabfall in Durchlassrichtung erreicht. Im Zusammenspiel mit einem antiparallel geschalteten zweiten RB-IGCT, der das Durchleiten und Abschalten in entgegengesetzter Richtung ermöglicht, lassen sich bidirektionale Stromflüsse kontrollieren. Das Ergebnis sind um 70 % geringere Leistungsverluste im Vergleich zu einer IGBT basierten Lösung (Bild 3). Die RB-IGCT Lösung von ABB erreicht einen Wirkungsgrad von 99,9 % bei 1 kA und 1 kV, verglichen mit 99,5 % für IGBT-basierte Lösungen [7]. Diese Senkung der Leistungsverluste geht einher mit einer entsprechenden Reduktion des CO₂Fußabdrucks. Aufbauend auf dieser optimierten RB-IGCT-Lösung entwickelte ABB das Konzept für einen solchen halbleiterbasierten Leistungsschalter [8].