Projektlaufzeit: 08/2024 – 06/2026

Im Zuge der fortschreitenden Energiewende stehen grüne und nachhaltige Stromversorgungen unter erheblichem Innovationsdruck. Dieser speist sich zum einen aus den Forderungen nach einer gesteigerten Energieeffizienz, einer Miniaturisierung der Schaltungen sowie einer deutlichen Kostensenkung. Zum anderen rücken aufgrund der angespannten Versorgungslage auf dem Weltmarkt auch strategische Aspekte zur Verfügbarkeit von (Teil-)Technologien in den Fokus. Neue Möglichkeiten eröffnen sich unter anderem durch den Einsatz neuester Wide-Bandgap Halbleiter (WBG) auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN). Denn mit den WBG-Halbleitern lassen sich unter anderem höhere Schaltfrequenzen realisieren, was sowohl Volumen als auch Ressourceneinsatz und damit auch Kosten von Einzelkomponenten und Systemen reduziert.

Besonders vielversprechend sind resonanzgekoppelte Stromversorgungen. Diese ermöglichen zum einen neue Konzepte für potenzialfreie Verbindungen von Stromkreisen, wodurch sich u.a. kleinere Transformatoren realisieren lassen. Zum anderen werden resonante Umladevorgänge gezielt ausgenutzt, um die sonst dominierenden Schaltverluste nahezu vollständig zu vermeiden sowie auftretende EMV-Störungen erheblich zu reduzieren. Damit ermöglicht die Resonanztechnologie noch höhere Schaltfrequenzen, was sich vorteilhaft auf Volumen, Ressourceneinsatz und Kosten auswirkt. Neben diesen Vorteilen bringen Stromversorgungen mit Resonanzkopplung aber auch neue Problemstellungen mit sich, die einer weiter optimierten Leistungselektronik entgegenstehen. Besonders mit Blick auf sichere Isolationssysteme sowie dem Temperatur- bzw. Verlustleistungsmanagement führen immer stärker aneinanderrückende Einzelkomponenten zu Herausforderungen, denn:

• Die Isolierstrecken zwischen den Bauelementen werden kürzer und damit stärker beansprucht.
• Durch die hohen Schaltgeschwindigkeiten steigt auch die Feldstärkebelastung. In der Folge treten neue Effekte auf, welche die Isolationssysteme verstärkt beanspruchen.
• Bei hohen Schaltfrequenzen treten neue Verlustleistungen auf, die bisher nur wenig beschrieben sind.
• Die Verlustleistungsquellen beginnen, sich gegenseitig zu beeinflussen (‚sie leuchten sich an‘), was das Verlustleistungsmanagement stark erschwert.

Die Bewältigung dieser Herausforderungen ist entscheidend, um die Vorteile der Resonanzkoppel-Technologie voll auszuschöpfen und zukünftige Stromversorgungssysteme effizienter und nachhaltiger zu gestalten. Hier knüpft ENABLE an und soll den Kern für ein „Kompetenzzentrum für Resonanzkopplung in Stromversorgungssystemen“ an der HTWK Leipzig schaffen. Die beiden Professuren für Leistungselektronik (Prof. Dr.-Ing. Thomas Komma) und Hochspannungstechnik (Prof. Dr.-Ing. Carsten Leu) bündeln hier ihre Expertisen und wollen sich als anwendungsnahe Forschungsgruppe etablieren. Im Fokus stehen neben weiterentwickelten FuE-Infrastrukturen auch der Aufbau neuer Fachexpertisen sowie eine gesteigerte Sichtbarkeit.

Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft, Kultur und Tourismus (SMWK)