Technologie

Leistungselektronik im Offshore-Einsatz

25.08.2021 - Stabilere Halbleiterstrukturen für Windparks auf hoher See.

Mehr als ein Viertel des in Deutschland erzeugten Stroms stammt mittlerweile aus Windenergie, sie ist damit die wichtigste Quelle für Elektrizität hierzulande. Ein erheblicher Teil wird dabei auf hoher See offshore erzeugt. Um die dabei eingesetzten Windkraft­anlagen noch effizienter und robuster zu machen, haben die Unternehmen Infineon Technologies, Semikron Elektronik, Freqcon und Nano­Analytics zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in einem Forschungs­projekt die in Offshore-Windkraft­anlagen eingesetzten Komponenten der Leistungs­elektronik entscheidend verbessert.

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 externe 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, was entsprechende Ertrags­verluste und Wartungskosten mit sich bringt.

Das 2017 gestartete Projekt hat deshalb die Verbesserung von Komponenten und Halbleiter­strukturen der Leistungs­elektronik in den Fokus genommen. „Dieser Ansatz ermöglicht Optimierungen in vielfältigen Bereichen, etwa der Energie­effizienz durch die Reduzierung von Schaltverlusten bei gleichzeitiger Steigerung der Leistungsdichte und Zuver­lässigkeit. Die erarbeiteten Lösungen sind besser geeignet, um die Netz­stabilität sicher­zustellen und steigern die Widerstands­fähigkeit der Anlagen gegenüber Umwelt­einflüssen wie Feuchte und Salz. Die Lebensdauer der Komponenten kann damit von zwanzig auf dreißig Jahre erhöht werden, was die Kosten des Gesamtsystems erheblich senkt“, sagt Bianca Böttge, die am Fraunhofer IMWS für das Projekt zuständig war.

Das Forschungs­institut in Halle brachte dabei vor allem seine Kompetenzen zur Werkstoff­charakterisierung ein und entwickelte verbesserte Methoden für die Materialprüfung der Aufbau- und Verbindungs­technik (AVT), sowohl für die eingesetzten Halbleiter­bauelemente wie Transistoren und Dioden als auch für die verschiedenen Kontaktierungs­konzepte der Halbleiterchips. „Im Projekt kamen verschiedene Kontakt­materialsysteme, Kontaktierungs­technologien und Aufbaukonzepte zum Einsatz. Wir haben Diagnostik­verfahren und Analyse­methoden dafür weiter­entwickelt, um die Zuverlässigkeits- und Material­eigenschaften der im Projekt entwickelten Komponenten sowie der darauf aufbauenden Leistungs­module zu bewerten und sehr zeitig Defekt­mechanismen und Fehler­risiken zu identifizieren. Nur so können die Bauteile später den Beanspruchungen beim Einsatz in Wind­energieanlagen über möglichst lange Nutzungs­zeiträume standhalten, in denen sie hundert­tausende thermische und elektrische Zyklen durchlaufen müssen“, sagt Böttge.

Am Fraunhofer IMWS wurden dabei Methoden der hochaufgelösten, nano­analytischen Material­charakterisierung wie Raster­elektronen- und Transmissions­elektronenmikroskopie eingesetzt, zudem wurde die Anwend­barkeit neuer Ansätze der akustischen Mikroskopie als zerstörungsfreie Alternative für entsprechende Fragestellungen untersucht. 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. Zugleich wurden neue Präparations­verfahren für die morphologische und chemische Analytik der Grenzflächen­prozesse in den Füge­­verbindungen entwickelt und gemeinsam mit den Partnern ein Fehlerkatalog für die identi­fizierten Defektmechanismen formuliert. 

Schwerpunkte der Entwicklungs­arbeiten der Partner waren beispielsweise die Entwicklung von beidseitig gesinterten Systemen anstelle von Drahtbond- und Lötverbindungen, um höhere Chip­temperaturen möglich zu machen, die Verbesserung der Modulkühlung im System oder die Weiter­entwicklung korrosions­beständiger Chip-Randabschlüsse. „Wir haben entwicklungs­begleitend ein tiefgreifendes Verständnis für gesinterte Leistungs­elektroniksysteme auf Basis der neuen Kontaktmaterial­systeme entwickelt, was elementar für die Reduzierung von Defekten und Zuverlässig­keitsrisiken ist“, sagt Böttge. „Gemeinsam mit unseren Partnern haben wir so einen großen Beitrag zur verbesserten Zuver­lässigkeit, Lebensdauer und Performance von Leistungselektronik in Windkraft­anlagen geleistet und damit zugleich für noch mehr Effizienz beim Einsatz erneuerbarer Energien.“

Fh.-IMWS / JOL

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