Solid-State-Transformatoren Höherer Wirkungsgrad durch Halbleitertechnik

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Infineon Technologies AG

ET System electronic GmbH

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Solid-State-Transformatoren ersetzen klassische Netztransformatoren zunehmend durch leistungselektronische Systeme. In Zusammenarbeit mit DG Matrix setzt Infineon dabei auf Siliziumkarbid-Halbleiter, um Effizienz, Leistungsdichte und Regelbarkeit für Anwendungen wie KI-Rechenzentren zu verbessern.

Klassische Transformatoren basieren auf niederfrequenten Magnetkernen und erfüllen im Wesentlichen die Aufgabe, Spannungen zwischen verschiedenen Netzebenen anzupassen. Solid-State-Transformatoren verfolgen hingegen einen vollständig anderen Ansatz. Sie ersetzen den konventionellen Transformator durch ein mehrstufiges leistungselektronisches System, in dem elektrische Energie zunächst gleichgerichtet, anschließend hochfrequent umgewandelt und über einen kompakten Hochfrequenztransformator galvanisch getrennt wird, bevor sie wieder in die benötigte Spannungsform überführt wird.

Durch die Verlagerung auf hohe Schaltfrequenzen lassen sich die magnetischen Komponenten deutlich verkleinern, während gleichzeitig neue Funktionen entstehen. Spannung, Strom und Leistungsfluss sind nicht mehr statisch vorgegeben, sondern können aktiv geregelt werden. Damit wird der Transformator zu einem steuerbaren Element innerhalb des Energiesystems.

Wie genau funktionier ein Solid-State-Transformator

Ein Solid-State-Transformer ist ein mehrstufiges leistungselektronisches System, das die Funktion eines klassischen Transformators durch aktive Wandlungsprozesse ersetzt. Am Eingang wird die Mittelspannung zunächst über leistungselektronische Schalter gleichgerichtet und in einen DC-Zwischenkreis überführt, wobei bereits hier eine aktive Beeinflussung des Netzes möglich ist, etwa zur Spannungsstabilisierung oder Blindleistungskompensation. Anschließend wird diese Gleichspannung in eine hochfrequente Wechselspannung umgewandelt, die über einen kompakten Hochfrequenztransformator galvanisch getrennt wird. Durch die hohe Frequenz kann der Transformator deutlich kleiner ausgeführt werden als bei klassischen 50-Hz-Systemen. In der Ausgangsstufe wird die Energie schließlich wieder in die gewünschte Form gebracht, entweder als Niederspannungs-AC oder direkt als DC, etwa für Rechenzentren oder industrielle Anwendungen.

Der entscheidende Unterschied zu konventionellen Transformatoren liegt in der aktiven Regelbarkeit des Systems. Ein SST erfasst kontinuierlich elektrische Größen und passt seine Schaltvorgänge dynamisch an, wodurch nicht nur eine reine Spannungsanpassung erfolgt, sondern auch Funktionen wie Leistungsflusssteuerung, Netzstabilisierung und die Integration mehrerer Energiequellen ermöglicht werden. Moderne Architekturen, wie sie beispielsweise von DG Matrix entwickelt werden, erweitern dieses Prinzip durch Multi-Port-Konzepte, bei denen mehrere Ein- und Ausgänge gleichzeitig bedient werden können. Die technische Grundlage dafür bilden leistungsfähige Halbleiter, insbesondere Siliziumkarbid-Bauelemente von Infineon Technologies AG, die hohe Schaltfrequenzen, geringe Verluste und kompakte Bauformen ermöglichen und damit erst die praktische Umsetzung solcher Systeme erlauben.

SiC-Leistungshalbleiter als Enabler

Die technische Umsetzung solcher Systeme ist eng mit der Entwicklung moderner Leistungshalbleiter verknüpft. Siliziumkarbid spielt hier eine wichtige Rolle. Die von Infineon bereitgestellten SiC-Bauelemente ermöglichen Schaltfrequenzen und Spannungsbereiche, die mit klassischen Siliziumlösungen nur schwer erreichbar sind.

Die höheren Schaltgeschwindigkeiten führen dazu, dass Transformatoren und Filter deutlich kleiner dimensioniert werden können. Gleichzeitig reduzieren sich die Schaltverluste, was sich unmittelbar auf den Gesamtwirkungsgrad auswirkt. Auch die höhere Spannungsfestigkeit trägt dazu bei, Systemarchitekturen zu vereinfachen, da weniger Wandlungsstufen erforderlich sind. Hinzu kommen bessere thermische Eigenschaften, die kompaktere und leistungsdichtere Designs ermöglichen. Ohne diese Eigenschaften wäre die praktische Umsetzung moderner SST-Konzepte in vielen Fällen wirtschaftlich nicht sinnvoll.

Multi-Port-Architektur: Energiefluss statt nur Transformation

Ein wesentlicher Unterschied zu klassischen Transformatoren liegt in der Systemarchitektur. Die Plattform von DG Matrix basiert auf einem Multi-Port-Ansatz, der es erlaubt, mehrere Energiequellen und Verbraucher gleichzeitig zu integrieren. Während herkömmliche Transformatoren lediglich zwei Netzebenen miteinander koppeln, fungieren solche Systeme als aktive Knotenpunkte innerhalb komplexer Energiestrukturen.

In der Praxis bedeutet das, dass beispielsweise ein Rechenzentrum nicht nur mit dem öffentlichen Netz verbunden wird, sondern gleichzeitig Batteriespeicher, erneuerbare Energiequellen oder unterschiedliche Lastpfade eingebunden werden können. Die Energie wird dabei nicht nur übertragen, sondern aktiv verteilt und geregelt. Funktionen wie Spannungsstabilisierung, Leistungsflusssteuerung und Verbesserung der Netzqualität sind integraler Bestandteil des Systems.

Warum KI-Rechenzentren im Fokus stehen

Der Einsatz von Solid-State-Transformatoren in KI-Rechenzentren ist technisch naheliegend. Diese Anwendungen zeichnen sich durch extrem hohe Leistungsdichten und dynamische Lastverläufe aus. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Effizienz und Verfügbarkeit kontinuierlich. Konventionelle Versorgungsstrukturen, die häufig mehrere Umwandlungsstufen umfassen, führen hier zu zusätzlichen Verlusten und erhöhen die Systemkomplexität.

SSTs bieten die Möglichkeit, Energie direkt von der Mittelspannungsebene auf die benötigten Spannungen oder sogar direkt auf DC-Ebenen zu transformieren. Dadurch lassen sich Umwandlungsverluste reduzieren und die Infrastruktur kompakter gestalten. Darüber hinaus ermöglicht die aktive Regelbarkeit eine bessere Anpassung an dynamische Lasten, was insbesondere bei rechenintensiven KI-Anwendungen von Vorteil ist.

Technologische Einordnung und Grenzen

Die oft genannten Vorteile von Solid-State-Transformatoren, etwa deutlich reduzierte Baugröße und Gewicht, sind grundsätzlich physikalisch nachvollziehbar. Hochfrequente Transformatoren benötigen wesentlich weniger Material als klassische 50-Hz-Systeme. Allerdings hängen diese Effekte stark von der konkreten Auslegung und den Betriebsbedingungen ab. Kühlung, Leistungsklasse und Systemintegration spielen eine entscheidende Rolle bei der tatsächlichen Umsetzung.

Auch wirtschaftlich befindet sich die Technologie noch in einer frühen Phase. Die Kosten für Siliziumkarbid-Bauelemente sind nach wie vor hoch, und die Systemkomplexität stellt hohe Anforderungen an Entwicklung und Betrieb. Zudem sind Fragen der Standardisierung und Netzintegration noch nicht vollständig geklärt. Dennoch zeigt sich, dass mit zunehmender Elektrifizierung und Digitalisierung der Bedarf an flexiblen und steuerbaren Umrichtern weiter steigt. (mr)

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