Fraunhofer ISE baut Wechselrichter mit Rekordwirkungsgrad

Den Rekord von 98,5 % erzielten Bruno Burger und Kollegen mit einem einphasigen Wechselrichter, der die patentierte Heric-Topologie aufweist und 5 kW leistet. Damit übertreffen sie die Ergebnisse, die der Niestetaler Hersteller SMA mit der H5-Topologie erzielt, um 0,5 %. Dreht man die Rechnung um, so konnten die Freiburger Forscher die Verluste im Wechselrichter von 2 auf 1,5 % verringern.

Da eine PV-Anlage nur eine Rendite von 3 bis 5 % ermöglicht, zählt jeder Prozentpunkt beim Wirkungsgrad. Für Burger lohnt sich daher der Forschungsaufwand. »Es sind noch viele Wechselrichter mit 93 bis 95 % Wirkungsgrad auf dem Markt. Ich verstehe nicht, wie da eine vernünftige Rendite erzielt werden soll«, sagt Burger. Um die spezifischen Systemkosten einer Solarstromanlage objektiv beziffern zu können, schlägt Burger vor, diese nicht pro kW, sondern pro kWAC zu berechnen. Dabei handelt es sich um die maximale Leistung, die der Wechselrichter tatsächlich ans Netz abgibt. In dieser Angabe wäre der Wirkungsgrad des Wechselrichters, der sich letztlich auf den tatsächlich eingespeisten Strom und somit auf die Rendite auswirkt, eingerechnet.
Den europäischen Wirkungsgrad, der über verschiedene Leistungsbereiche gemittelt wird, kann das ISE allerdings noch nicht angeben. Aus messtechnischen Gründen konnten die Forscher den Wechselrichter erst bis zu einer Leistung von 3 kW vermessen. Aber Burger ist sich sicher, dass die SiC-Geräte auch beim europäischen Wirkungsgrad einen Rekord erzielen werden. Er schätzt, dass der Wert bei 97,7 % liegen wird.

Die Heric Topologie befindet sich seit 2003 auf dem Markt. Das ISE hat die Schaltung entwickelt und ausschließlich an Sunways lizenziert. SMA hat die gleiche Grund­idee zwei Jahre später umgesetzt. Bei beiden Schaltungen handelt es sich um H-Brücken, die aus vier Transistoren bestehen. Das typische Problem von H-Schaltungen besteht darin, dass es im Freilaufmoment zu einem Rückfluss des Stroms vom Ausgang des Wechselrichters zum Pufferkondensator kommt. Dieses Pendeln des Stroms führt zu einem schlechten Teillastwirkungsgrad. Die Heric-Schaltung unterbindet das Pendeln durch zwei zusätzliche Transitoren hinter der H-Schaltung. SMA integrierte einen zusätzlichen Schalter vor der H-Brücke und konnte somit für die H5-Schaltung ein eigenes Patent anmelden.

Den maximalen Wirkungsgrad eines dreiphasigen 7-kW-Wechselrichters konnten die Forscher vom ISE ebenfalls durch den Einsatz von Siliziumkarbid erheblich steigern: von 95,1 % auf 97,5 %. Das dreiphasige Modell arbeitet mit einer B6-Brücke.