Feste Transformatoren werden zum neuen Wendepunkt für Chiphersteller.

In der Vergangenheit waren Transformatoren über einen langen Zeitraum die stabilsten und traditionellsten Geräte im gesamten Stromversorgungssystem. Sei es in großen Substationen am Stadtrand oder zwischen Industriegebieten und Energieanlagen, die traditionellen Transformatoren, die auf Eisenkernen, Kupferwicklungen und Netzfrequenz basieren, haben seit Jahrzehnten die Kernaufgaben der Spannungswandlung und Stromübertragung übernommen. Sie sind riesig, haben eine sehr lange Lebensdauer und eine hohe Zuverlässigkeit und haben sich im Wesentlichen nicht grundlegend verändert.

Heute steht die gesamte Stromversorgungsinfrastruktur vor einem neuen Evolutionszyklus. Die Massenverbreitung von Elektrofahrzeugen erhöht die Lastdichte des Stromnetzes stetig. Photovoltaikanlagen, Windkraftanlagen und Energiespeichersysteme werden zunehmend verteilt in das Stromnetz integriert. Die rasante Expansion von KI-Datencentern treibt die Leistungsanforderungen einer einzigen Station in den Gigawatt-Bereich. Für das Stromnetz bedeutet dies nicht nur eine Zunahme des Strombedarfs, sondern auch Veränderungen in der Stromversorgungsstruktur, der Energieflussweise und der Leistungswirtschaftslogik.

Eine Technologie, die seit Jahrzehnten erforscht wird und lange in der Labor- und Validierungsphase verblieben ist, rückt wieder in den Mittelpunkt der Branche.

Dies ist der Solid-State Transformer (SST).

Valerio Zurello, der globale Anwendungsleiter für Solid-State Transformatoren und UPS bei Infineon, erwähnt, dass der SST kein neues Konzept ist. Die ersten Patente für elektronische Transformatoren lassen sich auf die Zeit um 1970 zurückverfolgen. In den 1980er und 1990er Jahren haben viele Hochschulen und Forschungsinstitute die Möglichkeit erforscht, herkömmliche Netzfrequenztransformatoren durch Hochfrequenzleistungselektronik zu ersetzen.

In den letzten Jahrzehnten hat der SST nie wirklich die industrielle Phase erreicht. Der Kerngrund dafür liegt darin, dass die Leistungshalbleitertechnologie lange Zeit die Anforderungen an Mittelspannungsnetze nicht erfüllen konnte.

EEWorld hat festgestellt, dass kürzlich Infineon und Xi'an Weiguang Energy eine tiefe Partnerschaft geschlossen haben und gemeinsam eine neue Ära der Energie-technologischen Innovation eingeleitet haben. Beide Seiten werden auf Infineons führende Technologien der 1200V TRENCHSTOP IGBT7 und CoolSiC MOSFET G2 Siliziumcarbid-Discretbauelemente aufbauen, um Weiguang Energy bei der Entwicklung kompakterer und effizienterer universeller Solid-State Transformatoren (SST) zu unterstützen.

Mittelspannungsnetze sind die echte Schwelle für den SST

Herkömmliche Transformatoren arbeiten direkt auf der Mittelspannungsseite des Netzes. Ihr Eingang muss oft hohen Spannungen im Bereich von Tausenden oder sogar Zehntausenden von Volt standhalten. Wenn der SST Hochfrequenzbetrieb und Elektronisierung erreichen will, muss er auf Hochspannungsleistungshalbleiter angewiesen sein, die unter Mittelspannungsbedingungen langfristig stabil funktionieren.

Frühere Silizium-basierte Leistungshalbleiter konnten es schwerlich schaffen, hohe Spannungsfestigkeit, hohe Frequenz, hohe Effizienz und langfristige Zuverlässigkeit gleichzeitig zu gewährleisten. Die gesamte Branche fehlte lange Zeit an geeigneten Bauelementen, die den SST wirklich umsetzen könnten.

Mit der Reife der neuen Generation von Breitbandhalbleitern, repräsentiert durch Siliziumcarbid (SiC), beginnt sich diese Situation zu ändern.

Was den SST wirklich in die Branchenkrise bringt, ist nicht die Veränderung des Konzepts selbst, sondern die Tatsache, dass Hochspannungsleistungshalbleiter endlich praktikabel geworden sind. Insbesondere die Entstehung von Hochspannungs-SiC-Leistungsschaltern ermöglicht es dem System, unter Mittelspannungsbedingungen eine Hochfrequenz-, Hochleistungseffizienz- und Hochzuverlässigkeits-Stromumwandlung zu erreichen, was der SST in den letzten Jahrzehnten immer vermisst hat.

In einem SST-System sind die Bauelemente nicht mehr nur "Schalter", sondern werden zum Kernbaustein des gesamten Energiemanagementsystems im Stromnetz.

Der SST macht das Stromnetz im Wesentlichen elektronisch

Aus der Sicht der Systemstruktur wandelt der SST im Wesentlichen das traditionelle "Kupfer und Eisen"-Transformatorsystem allmählich in einen neuen Energieknotenpunkt um, der auf Leistungselektronik und digitaler Steuerung basiert.

Traditionelle Transformatoren setzen Netzfrequenz-Magnetbauelemente ein, um die Energieübertragung zu bewältigen. Ihr Kern besteht aus großen Eisenkernen und einer Vielzahl von Kupferwicklungen, während der SST nun auf eine Hochfrequenz-Leistungswandlungsarchitektur setzt und die Energieumwandlung über Leistungshalbleiter, Hochfrequenz-Magnetbauelemente und digitale Steuerungssysteme erreicht.

Hochfrequenz-Leistungswandlungssysteme haben in vielen Anwendungsbereichen ihre Effizienzvorteile bewiesen. Selbst wenn der SST im Vergleich zum traditionellen System nur um etwa 1 % effizienter ist, bedeutet dies für Megawatt- oder sogar zukünftige Gigawatt-Systeme dennoch eine erstaunliche Energieersparnis.

Insbesondere in KI-Datencentern hat die Stromnutzungseffizienz einen unmittelbaren Einfluss auf die gesamten Betriebskosten. Mit der ständigen Ausweitung der KI-Trainingskapazität könnte die Leistungsanforderung einer einzigen Station in einigen zukünftigen Datencentern sogar das 1-GW-Niveau erreichen. Bei einem so riesigen Stromversorgungssystem kann eine Effizienzsteigerung von nur einem Prozent zu einer erheblichen Optimierung der Strom- und Kühlungskosten führen.

Die Veränderungen, die der SST bringt, stammen nicht nur aus der Effizienz selbst, sondern auch aus der Veränderung der Systemfähigkeiten.

Traditionelle Transformatoren sind im Wesentlichen passive Geräte. Sie können die Spannungswandlung stabil durchführen, verfügen aber nicht über die Fähigkeit, die Stromqualität aktiv zu verwalten und die Leistung dynamisch zu regulieren. Der SST hingegen beginnt, die Fähigkeit zur aktiven Steuerung von Spannung, Stromqualität und Leistungflussrichtung zu entwickeln.

Eines der wichtigsten Merkmale ist der bidirektionale Leistungfluss.

Zukünftige Stromnetze werden nicht mehr nur ein unidirektionales Stromübertragungssystem sein, sondern werden allmählich zu einem dynamischen Energienetzwerk evolvieren, das Energiespeichersysteme, Photovoltaikanlagen, Elektromobile und große Datencentren miteinander verbindet. Der SST wird zu einem wichtigen Schnittstelle zwischen diesen verteilten Energiequellen und dem Mittelspannungsnetz.

KI-Datencentren, Elektrofahrzeuge und Energiespeicher treiben die Umsetzung des SST voran

KI-Datencentren werden zu einem der am meisten beobachteten neuen Anwendungsbereiche für den SST.

Frühere Datencentren waren im Wesentlichen traditionelle IT-Infrastrukturen, deren Stromversorgungssystem hauptsächlich auf einer Wechselstromarchitektur basierte. Mit der ständigen Ausweitung der KI-Rechenleistung beginnt die Branche erneut über Hochspannungsgleichstrom (HVDC)-Stromversorgungspfade zu diskutieren, da in Supergroßleistungsystemen die Reduzierung der Energiewandlungsebenen selbst für höhere Effizienz und geringere Verluste steht.

Der SST kann eine wichtige Brücke zwischen dem Mittelspannungsnetz und zukünftigen Gleichstromdatencentern werden.

Infineon hat bereits eine Partnerschaft mit SolarEdge eingegangen, um gemeinsam eine Gleichstromversorgungsarchitektur für KI-Datencentren zu erforschen. Der SST ist dabei ein wichtiger Bestandteil.

Neben KI-Datencentern werden auch Schnellladeanlagen für Elektrofahrzeuge und Netzanschlussysteme für Energiespeicher zu den ersten Anwendungsgebieten für den SST. Sowohl die Superleistungsschnellladung als auch der Anschluss von Massenspeichersystemen an das Netz treiben im Wesentlichen das Netz von einer traditionellen statischen Struktur hin zu einem dynamisch regelbaren Leistungssystem voran.

Der SST übernimmt nicht mehr nur die Spannungswandlung, sondern auch die Rolle der dynamischen Steuerung im gesamten Energienetzwerk.

SiC verändert die gesamte Systemstruktur

Unter allen Kerntechnologien, die den SST unterstützen, ist Siliziumcarbid zweifellos einer der wichtigsten Grundbausteine.

Der SST arbeitet in einem Mittelspannungsumfeld und muss gleichzeitig hohen Spannungen, hohen Frequenzen und hoher Effizienz standhalten. SiC kann diese Fähigkeiten in einem einzigen Bauelement realisieren.

Valerio erwähnt, dass die Entstehung von 3,3-kV-SiC-Bauelementen die gesamte Systemarchitektur deutlich verändert. In der Vergangenheit mussten viele Hochspannungssysteme oft mehrere Bauelemente in Reihe schalten, um die Spannungsfestigkeitsanforderungen zu erfüllen. Höhere Spannungsfestigkeitsgrade von SiC-Bauelementen können die Anzahl der Reihenschaltungen direkt reduzieren und somit die Systemkomplexität senken.

Diese Veränderungen bringen nicht nur eine Reduzierung der Bauelementanzahl mit sich, sondern auch eine Vereinfachung der Treiberschaltung, des Steuerungssystems und des Schutzdesigns.

Für ein komplexes Leistungselektroniksystem wie den SST ist die Reduzierung der Systemkomplexität von entscheidender Bedeutung.

Die Hochfrequenzisierung bringt auch eine Größenreduzierung mit sich.

Traditionelle Mittelspannungstransformatoren sind stark auf Eisenkerne und Kupferwicklungen angewiesen und sind daher normalerweise sehr groß. Hochfrequenz-Leistungsumwandlungssysteme können jedoch die Größe der Magnetbauelemente erheblich reduzieren.

Im Vergleich zu traditionellen Lösungen ist die Größe und der Raumbedarf des SST deutlich geringer. Diese Veränderung bedeutet eine höhere Leistungsdichte, einen geringeren Materialverbrauch und eine niedrigere CO₂-Emission.

Aus Branchenlogik betrachtet ist der SST nicht nur ein Upgrade des Transformators, sondern eher eine Umstrukturierung der zukünftigen Energieinfrastruktur.

Zuverlässigkeit bleibt die größte Herausforderung für die gesamte Branche

Derzeit befindet sich die gesamte Branche noch in der frühen Implementierungsphase des SST. Schnellladeanlagen für Elektromobile, Netzanschlussysteme für Energiespeicher und KI-Datencentren werden zu den am eifrigsten genutzten Anwendungsgebieten.

Die Branche setzt mehr Feldtests und kommerzielle Pilotprojekte um, um die langfristige Stabilität des SST in einer realen Netzumgebung zu validieren.

Zuverlässigkeit bleibt eines der wichtigsten Themen in der gesamten Branche.

Einer der größten Vorteile traditioneller Mittelspannungstransformatoren ist ihre extreme Lebensdauer. Viele Systeme können über 20 bis 30 Jahre stabil funktionieren und erfordern nur sehr geringe Wartung.

Wenn der SST wirklich in die Infrastruktur des Hauptstromnetzes integriert werden will, muss er das gleiche Niveau an langfristiger Zuverlässigkeit erreichen.

Der SST ist nicht nur ein Leistungshalbleitersystem, sondern auch mit Hochfrequenz-Leistungsumwandlung, digitaler Steuerung, Hochfrequenz-Magnetbauelementen, Treibersystemen und komplexen Softwaresteuerungsarchitekturen verbunden.

Die Herausforderung, wie ein so hochgradig elektronisches System die gleiche Zuverlässigkeit wie ein traditioneller Transformator in einem Mittelspannungsumfeld erreichen kann, ist einer der wichtigsten technischen Probleme in der gesamten Branche.

Kosten sind ebenfalls ein Problem, mit dem die Branche konfrontiert ist.

In der Vergangenheit mussten viele Mittelspannungssysteme eine Vielzahl von Bauelementen in Reihe schalten, um die Spannungsfestigkeitsanforderungen zu erfüllen. Dies führte zu einer Erhöhung der Systemkomplexität, der Steuerungskomplexität und der Materialkosten. Die Reife von SiC-Bauelementen mit höherer Spannungsfestigkeit hilft der Branche, die Anzahl der Reihenschaltungen zu reduzieren und gleichzeitig die Treiber- und Steuerungskomplexität zu senken.

Dies ist einer der Schlüsselgründe, warum der SST allmählich kommerziell umsetzbar wird.

Von den Bauelementen zum System: Der SST wird komplett

Der Aufstieg des Solid-State Transformators ist nicht nur auf den Durchbruch eines einzelnen Leistungshalbleiters zurückzuführen, sondern auch auf die zunehmende Fähigkeit der gesamten Leistungselektronikindustrie, eine vollständige Infrastruktur zu schaffen. Mit der Einführung des SST in die Praxis wandelt sich der Wettbewerb in der Branche von der Leistung einzelner Bauelemente hin zu systemübergreifender Koordination, einschließlich Leistungshalbleitern, Isolierung, Treibern, Steuerung, Kommunikation, Überwachung und Sicherheitsarchitektur.

Neben Herstellern wie Infineon, die sich auf SiC-Leistungshalbleiter konzentrieren, greifen andere Halbleiterunternehmen von der Seite der Systemsteuerung und analogen Schaltungen in den SST-Markt