Schalttechnik für künftige DC-Netze Wenn Elementarrelais und Leistungselektronik gemeinsam schalten

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Gleichstromnetze bis 1.500 V stellen Schaltgeräte vor ein grundsätzliches Problem: Anders als beim Wechselstrom gibt es keinen natürlichen Nulldurchgang des Stromes, an dem sich ein Lichtbogen von selbst löscht. Hybridrelais kombinieren einverlustarmes mechanisches Schaltgerät mit einem schnellen Halbleiterschalter. Im Forschungsprojekt HybSchaDC2 soll dieses Prinzip für Stromstärken bis 3,5 kA weiterentwickelt werden.

Ein Hybridrelais teilt die Schaltaufgabe auf mehrere parallele Strompfade auf. Im Normalbetrieb fließt der Strom beispielsweise über den Kontakt eines elektromechanischen Relais mit einem Widerstand im Bereich weniger 10 µΩ. Parallel dazu liegt ein Leistungshalbleiter, der beim Abschalten den Strom übernimmt. Ein dritter Pfad dient der Energieabsorption, beispielsweise über einen Metalloxid-Varistor. Für die sichere elektrische Trennung kommt ein mechanischer Isolierschalter zum Einsatz.

Damit werden die unterschiedlichen Anforderungen beim Gleichstromschalten auf mehrere Komponenten verteilt: Der mechanische Kontakt übernimmt die verlustarme Dauerstromführung, der Halbleiter die schnelle Stromunterbrechung und der Varistor als Energieabsorber führt die beim Abschalten in der Kreisinduktivität gespeicherte Energie ab. Zusätzlich begrenzt der Varistor die maximal auftretende Überspannung im System.

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Mechanischer Bypass-Schalter im Hybridrelais

Der mechanische Bypass-Schalter (MBS) ist das Element mit der größten Bedeutung für den zuverlässigen Betrieb des hybriden Schaltgeräts. Er führt im Normalbetrieb den gesamten Laststrom und ist gleichzeitig Bestandteil des Abschaltvorgangs. Alterungsmechanismen dieses Schalters können deshalb unmittelbar die Funktion des gesamten Hybridgeräts beeinträchtigen. Die Lebensdauer muss daher der Anwendung in einem hybriden Schütz angepasst werden.

Hybride Konzepte setzen genau an dieser Grenze mechanischer Schalter an. Die meisten beschriebenen Hybridschalterkonzepte basieren auf einer parallelen Grundstruktur aus mechanischem Schalter, Halbleiterpfad und Überspannungsschutz, wie sie in Bild 1 dargestellt ist. Der mechanische Schalter übernimmt im Normalbetrieb die verlustarme Stromführung, während der Halbleiterpfad im Fehlerfall die schnelle Kommutierung und Abschaltung ermöglicht. Damit verbindet der hybride Ansatz geringe Leitverluste mit kurzen Ausschaltzeiten.

Weniger Lichtbogen und veränderte Verschleißmechanismen

Der Hybridansatz verändert dabei auch die Verschleißmechanismen. Wird der Strom frühzeitig auf den Halbleiter kommutiert, lässt sich die Lichtbogenenergie am mechanischen Kontakt stark reduzieren oder sogar vollständig vermeiden. Die Untersuchungen zeigen jedoch, dass damit nicht automatisch ein verschleißfreier Kontakt entsteht. Statt des Lichtbogenabbrands dominieren thermisch und mechanisch bedingte Materialtransportprozesse.

Beim Öffnen wird der Strom zunächst auf immer kleinere Kontaktflächen konzentriert. Die daraus resultierende Stromdichte erwärmt das Material lokal bis zum Aufschmelzen. Beim anschließenden Abriss des beim lastbehafteten Kontaktöffnungsvorgang entstehenden metallenen Schmelzbrückefadens kann Material von einem Kontakt zum anderen übertragen werden. Die Materialverlagerung ist ausgepägt. Bei AgNi-Kontakten wurden entsprechende Spitze- und Krater-Strukturen beobachtet.

Der Materialtransfer erfolgt von der Anode zur Kathode. Mithilfe der optischen 3D-Mikroskopie im Z-Stacking-Modus wurden Profilbilder erstellt, um eine Volumenbestimmung der Materialverlagerungen zu ermöglichen. Die entsprechenden Kontaktoberflächen sind in Bild 2 dargestellt.

Die Hybridtechnik verschiebt damit den dominanten Verschleißmechanismus: Der Lichtbogen wird unterdrückt, aber die Materialmigration bleibt eine zentrale Lebensdauergrenze.

Diese Erkenntnis ist für die Auslegung besonders wichtig. Die Kontaktgeometrie, der Werkstoff, die Schaltkinematik, die Strom- und Spannungsbelastung sowie das konkrete Schaltregime müssen gemeinsam optimiert werden. Eine universell beste Kontaktwerkstoffkombination lässt sich aus den bisherigen Untersuchungen nicht ableiten.

Versagensmechanismen: Verkleben der mechanischen Kontakte

Als kritischster Versagensmechanismus wird das Verkleben der mechanischen Kontakte infolge der Spitze-Krater-Bildung identifiziert. Öffnet der MBS nicht, kann der Strom unter Umständen nur noch über den mechanischen Isolierschalter beziehungsweise einen entsprechend ausgelegten Backup-Pfad unterbrochen werden. In der Failure-Mode-Analyse erreicht dieser Fehler die höchste Priorität. Daneben sind Kontaktabbrand und die Bildung von Verunreinigungsfilmen relevant.

Steigt der Kontaktwiderstand durch Erosion oder Oberflächenverunreinigungen, erhöht sich die Verlustleistung im Kontakt. Daraus folgt bei hohen Betriebsströmen unmittelbar eine starke thermische Belastung. Ein zunächst kleiner Anstieg des Kontaktwiderstands kann deshalb zu einer sich selbst verstärkenden Alterung führen.

Damit wird deutlich: Die Lebensdauer eines Hybridrelais lässt sich nicht allein anhand der Zahl der Schaltzyklen beurteilen. Entscheidend ist vielmehr, wie sich der elektrische und mechanische Zustand des Kontakts während dieser Zyklen verändert.

Aus dem Relais wird ein selbstüberwachendes Schaltgerät

Genau hier eröffnet die Fehleranalyse einen interessanten Ansatz. Die Wissenschaftler leiten aus den identifizierten Fehlermechanismen konkrete Möglichkeiten für eine Selbstdiagnose ab. Besonders wirkungsvoll ist die Überwachung des Kontaktwiderstands.

Dazu muss die Spannung über dem mechanischen Kontakt und der durch das gesamte Schaltgerät fließende Strom gemessen werden. Aus beiden Größen lässt sich der aktuelle Kontaktwiderstand bestimmen. Steigt dieser über einen kritischen Wert, kann das Schaltgerät eine letzte kontrollierte Abschaltung auslösen und ein erneutes Einschalten verhindern.

Für diese grundlegende Zustandsüberwachung sind nur wenige zusätzliche Messgrößen erforderlich. Ergänzt man das Konzept um eine Spannungsmessung über dem mechanischen Kontakt beim Hybridrelais, entsteht eine einfache Möglichkeit, dessen Alterungszustand zu überwachen. Eine umfangreiche Sensorik ist dagegen nicht zwingend erforderlich.

Für den Halbleiter und den Energieabsorber wäre theoretisch eine Strommessung in jedem der drei parallelen Pfade erforderlich, um deren Zustand ebenfalls detailliert zu überwachen. Aufgrund der vergleichsweise kurzen Belastungsdauer des Halbleiters und der damit verbundenen geringen Fehlerwahrscheinlichkeit erscheint eine solche zusätzliche Sensorik jedoch nicht für jedes Design wirtschaftlich.

Das eröffnet einen wichtigen Perspektivwechsel: Ein zukünftiges Hybridrelais könnte seinen eigenen Alterungszustand überwachen und bei beginnender Degradation selbstständig in einen sicheren Zustand wechseln.

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Hybrider Abschaltvorgang bei 800 V und 500 A

In Bild 3 ist ein vollständiger hybrider Abschaltvorgang bei 800 V und 500 A mit einer Induktivität von 0,44 mH dargestellt. Für den Versuch wurden zwei diskrete IGBTs in Common-Emitter-Konfiguration verwendet. Die IGBTs (IKQ140N120CH7) besitzen laut Datenblatt einen spezifizierten maximalen Strom von 140 A.

Bei Kontaktöffnung des Relais erfolgt eine lichtbogenfreie Kommutierung auf den IGBT bei einer Kommutierungsspannung von 10 V. Nachdem die Halbleiterstrecke den Strom für 0,7 ms geführt hat, wird durch das Abschalten der IGBTs der Kommutierungsvorgang in den Energieabsorptionspfad eingeleitet. Dabei entsteht eine Überspannung von 1.100 V. Anschließend wird die Energie über einen Zeitraum von ungefähr 1,75 ms im Metalloxid-Varistor dissipiert.

Dies zeigt, dass die IGBTs in der Lage sind, hohe transiente Überlastströme zu führen. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die Halbleiter in hybriden Leistungsschaltern beziehungsweise Hybrid Circuit Breakern (HCBs) kleiner auszulegen.

Interessant ist die unterschiedliche Belastung der drei Strompfade. Der Leistungshalbleiter muss den hohen Laststrom nicht dauerhaft führen. Er wird nur während der Kommutierung und der eigentlichen Unterbrechung belastet. Dadurch kann er für diese kurze Belastungsdauer entsprechend robust dimensioniert werden. Die Fehleranalyse bewertet einen Ausfall des Semiconductor Switch mit einer deutlich niedrigeren Priorität als die kritischen Fehler des mechanischen Bypass-Schalters.

Auch der Metalloxid-Varistor hat eine Lebensdauer

Die Fehleranalyse erweitert den Blick zudem auf den Überspannungsschutz. Der Metalloxid-Varistor ist beim Abschalten für die Begrenzung der Überspannung verantwortlich und muss dabei erhebliche Energie aufnehmen. Versuche mit etwa 100 A und Spannungen bis rund 1 kV zeigten, dass die thermische Belastung mit zunehmender Absorptionsdauer stark ansteigt. Bei Überlast können sich die Lötstelle unter der Passivierung oder sogar die ZnO-Keramik selbst zerstören.

Der Varistor altert also durch wiederholte elektrische Impulse sowie Temperatur- und Umwelteinflüsse. Veränderungen an den Korngrenzen der ZnO-Keramik reduzieren die Potentialbarrieren und erhöhen langfristig die Leitfähigkeit. Im Extremfall kann sich ein dauerhaft niederohmiger Strompfad bilden.

Für ein Hybridrelais bedeutet das: Auch der Energieabsorptionspfad muss in ein Lebensdauer- und Diagnosekonzept einbezogen werden. Ein hybrides Schaltgerät, das seinen mechanischen Kontakt überwacht, gleichzeitig aber einen gealterten Varistor unbemerkt lässt, wäre nur teilweise intelligent. An dieser Stelle sollte man bisherige Konzepte, die eine Überwachung des Varistors durch zusätzlich Stromsensorik als unwirtschaftlich beschreiben, nochmals überdenken.

Was passiert bei einem Fehler in einer der fünf Baugruppen?

Aus der Failure-Mode-Analyse ergibt sich eine Art hierarchisches Sicherheitskonzept. Erkennt die Überwachung beispielsweise einen erhöhten Kontaktwiderstand, kann eine letzte Abschaltung ausgelöst und ein erneutes Einschalten verhindert werden. Versagt dagegen der mechanische Kontakt beim Öffnen, muss ein alternativer Strompfad die Unterbrechung übernehmen. Für bestimmte Fehler des Halbleiters oder des Überspannungsschutzes sind ebenfalls definierte Reaktionen identifiziert worden.

Besonders interessant ist dabei die adaptive Korrektur des Schaltzeitpunkts. Eine fehlerhafte zeitliche Ansteuerung der Control Units kann zu einer hohen Belastung des gesamten Schaltgeräts führen. Durch die Überwachung von Strom und Spannung und den Vergleich mit einer Sollkurve lässt sich eine solche Abweichung erkennen. Im nächsten Schritt könnte die Steuerung das Timing automatisch korrigieren.

Nachhaltigkeit ist auch eine Frage der Lebensdauer

Diese Erkenntnisse verändern auch die Nachhaltigkeitsbetrachtung. Ein ressourcenschonender Schalter ist nicht automatisch derjenige mit dem geringsten Materialeinsatz. Wird beispielsweise die Silberauflage reduziert, sinkt zwar der Rohstoffbedarf. Steigt dadurch jedoch der Kontaktwiderstand oder sinkt die Lebensdauer deutlich, kann die Gesamtbilanz schlechter ausfallen.

Ein intelligentes Hybridrelais eröffnet hier einen anderen Ansatz: Materialeinsatz und Lebensdauer können gemeinsam optimiert werden. Wenn der Kontaktzustand kontinuierlich überwacht wird, muss der Kontakt nicht mit überdimensionierten Materialreserven ausgelegt werden, um sämtliche Alterungszustände mit einer großen Sicherheitsmarge abzudecken. Der Schalter kann nach einer letzten Abschaltung ein erneutes Einschalten verhindern, wenn er eine Alterung erkennt.

Damit verbindet sich die Diskussion über Silber, Kontaktwerkstoffe und recycelbare Schaltkammern unmittelbar mit der funktionalen Sicherheit. Je länger ein Schaltgerät zuverlässig betrieben werden kann und je gezielter seine Komponenten ausgelegt sind, desto weniger Ressourcen werden über den gesamten Lebenszyklus benötigt.

Der entscheidende Entwicklungsschritt

Die bisherigen Ergebnisse aus HybSchaDC zeigen damit einen interessanten Paradigmenwechsel. Hybridtechnik kann die Lichtbogenbelastung stark reduzieren oder vollständig vermeiden. Dadurch werden klassische Lichtbogenschäden geringer, gleichzeitig treten andere Alterungsmechanismen wie Materialmigration, Kontaktkleben und Widerstandserhöhung stärker in den Vordergrund.

HybSchaDC2 muss deshalb mehrere Ebenen gleichzeitig betrachten: Schaltphysik, Kontaktwerkstoff, Lichtbogenführung, Energieabsorption, Netzverhalten, Fehlerdiagnose und Recyclingfähigkeit. Erst das Zusammenspiel dieser Faktoren entscheidet darüber, ob ein Hybridrelais tatsächlich für die hochdynamischen DC-Netze der Zukunft geeignet ist.

Der vielleicht wichtigste Befund aus der Fehleranalyse lautet dabei: Die Intelligenz des zukünftigen Schaltgeräts muss nicht zwangsläufig in einer komplexen Sensorlandschaft liegen. Bereits die Kombination aus Gesamtstrommessung und Spannungsmessung am mechanischen Kontakt kann einen großen Teil der relevanten Fehler erkennen.

Das unterstreicht einen zentralen Vorteil der Hybridarchitektur: Sie muss nicht versuchen, einen einzigen Schalter für alle Betriebszustände zu optimieren. Stattdessen kann jeder Pfad auf seine spezifische Aufgabe ausgelegt werden. Der mechanische Pfad wird auf minimalen Durchgangswiderstand und hohe Lebensdauer optimiert, der Halbleiter auf schnelle Unterbrechung und der Energieabsorber auf die Aufnahme definierter Abschaltenergien.

Damit könnte sich das Hybridrelais vom klassischen Schaltgerät zum selbstüberwachenden Schutzknoten im DC-Netz wandeln – mit geringeren Verlusten im Normalbetrieb, sehr kurzen Abschaltzeiten im Fehlerfall und einer Zustandsdiagnose, die Material und Lebensdauer gezielter ausnutzt. (kr)

Literatur

[1] Bernhardt, A. et al.: "Investigating failure mechanisms in DC hybrid switchgear through a methodical evaluation of critical faults," in IEEE Open Journal of Power Electronics, doi: 10.1109/OJPEL.2026.3727057.

[2] Kraus, M.: „Experimentelle Untersuchungen an mechanischen Schaltkontakten in Wasserstoffumgebung für hybride LVDC-Relais“, 28. Albert-Keil-Kontaktseminar, Karlsruhe, Deutschland, 2025.

[3] Volm, D. et al.: “Experimental Verification of a Hybrid DC Breaker Setup up to 800 V and 500 A with Copper Contacts in Hydrogen Environment and Transversal Magnetic Field in Combination with an IGBT Module,” 2024 IEEE 69th Holm Conference on Electrical Contacts (HOLM), Annapolis, MD, USA, 2024, pp. 1–8, doi: 10.1109/HOLM56222.2024.10768579.

[4] Streck, M. et al.: "Methodical Identification and Evaluation of Critical Failures in DC Hybrid Switchgear," 2025 IEEE Seventh International Conference on DC Microgrids (ICDCM), Tallinn, Estonia, 2025, pp. 1-6, doi: 10.1109/ICDCM63994.2025.11144745.

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