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Effiziente und günstige Wechselrichter für Photovoltaik Systeme

Erstellt von Dr. Ralf Hauschild, Principal Engineer, European LSI Design and Engineering Centre, Toshiba Electronics Europe GmbH Co-Autor: Wolfgang Sayer, Linemanager Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH |

Kein Photovoltaik System ohne Wechselrichter. Der sollte möglichst effizient arbeiten, gleichzeitig aber günstig sein. Eine neue Schaltung macht dies jetzt möglich.

Der Wechselrichter, oder Inverter, wandelt die von den Solarzellen produzierte Gleichspannung in die Wechselspannung der öffentlichen Stromnetze um. Je effizienter der Wechselrichter arbeitet, d.h. je geringer seine Verlustleistung, desto effizienter ist nicht nur die gesamte Solaranlage, sondern auch desto günstiger. Denn erstens ist weniger Aufwand für die Kühlung nötig, zweitens lassen sich kompaktere passive Bauteile einsetzen, wenn mit höherer Schaltfrequenz gearbeitet werden kann.

Der Wirkungsgrad des Inverters wird beeinflusst durch:

  • die Schaltkreistopologie
  • die Auswahl der Bauelemente.

Betrachtet man die Bauteile, beeinflussen vor allem die Schaltverluste der Leistungstransistoren die Effizienz des Wechselrichters. Mit Transistoren aus Materialien mit weiterem Bandabstand, z.B. GaN oder SiC, wird versucht, sie effizienter zu machen. Das Problem: Die Kosten von Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumkarbid (SiC) sind deutlich höher als die von siliziumbasierten Komponenten.

Soll der Wechselrichter trotz hoher Effizienz günstig sein, sind also Innovationen im Design der Schaltung nötig.

Wirkungsgrad optimieren: Beispiel Halbbrücke

Wie sich der Wirkungsgrad eines Inverters durch eine deutliche Verminderung der Schaltverluste optimieren lässt, zeigt das Beispiel einer Halbbrücke. Dabei betrachten wir die Kommutierung des Stromflusses von der Freilaufdiode des sperrenden oberen Schalttransistors zum unteren Schalttransistor (Bild 1).

Zwei Mechanismen bestimmen die Schaltverluste, die neben den ohmschen Verlusten auftreten:

  • Die in der Freilaufdiode gespeicherte Reverse-Recovery-Ladung (Qrr), die im gerade aktivierten, in den leitenden Zustand übergehenden unteren Schalttransistor einen Strom-Peak verursacht.
  • Der Ladestrom-Peak, der beim Umladen der Ausgangskapazität (COSS) des sperrenden oberen Schalttransistors fließt.

Synchronous Reverse Blocking Topologie

Bei einer Schaltung mit Synchronous Reverse Blocking (SRB) Topologie wird ein in Reihe geschalteter zweiter Schaltransistor Q2 genutzt, um den Rückstrom durch die Freilaufdiode des Schalttransistors Q1 zu blockieren. Der Schalttransistor Q2 wird synchron zu Q1 angesteuert.

Der Rückstrom wird durch eine parallele SiC Schottky Diode mit hoher Durchbruchspannung und extrem niedriger Reverse-Recovery-Ladung geführt. Dies reduziert den Effekt von Qrr deutlich.

Die Freilaufdiode von Q2 ist so gepolt, dass sich keine hohe Spannung über diesem Transistor aufbauen kann. Es genügt ein Typ mit niedriger Spannungsfestigkeit (60V).

Advanced Synchronous Reverse Blocking (A-SRB) Topologie

Die Advanced SRB (A-SRB) Topologie vermindert die Verluste, die durch das Umladen der Ausgangskapazität von Q1 verursacht werden, ganz erheblich, indem Q1 auf eine niedrige Spannung vorgeladen wird.

Der Verlauf der Ausgangskapazität COSS über der Drain-Source-Spannung VDS zeigt eine sehr hohe Spannungsabhängigkeit. Wird z.B. VDS von 0V auf ca. 40V erhöht, reduziert sich die Kapazität um den Faktor 100. Damit fließt der Ladestrom, der die Verluste verursacht, während des Schaltvorgangs vorwiegend im Bereich niedriger VDS von Q1.

Eine niedrige Spannung über Q1 bedeutet jedoch eine hohe Spannung über dem unteren Transistor der Halbbrücke, der in den leitenden Zustand übergeht. Damit erzeugt der Ladestrom-Peak in diesem Transistor eine hohe Verlustleistung.

Wird COSS des Transistors Q1 auf eine Spannung von bspw. 40V vorgeladen bevor der untere Schalttransistor der Halbbrücke eingeschaltet wird, fließt der überwiegende Teil des Ladestroms nicht durch Q1, kann also kaum Verluste verursachen. Das Vorladen erfolgt durch eine zusätzliche Spannungsquelle, die mit einer Ladungspumpe im Gate-Treiber-IC realisiert wird.

Bild 2 zeigt die wichtigsten Komponenten der A-SRB Schaltungstopologie:

  • Der eigentliche Schalttransistor Q1 ist ein Hochvolt Superjunction DTMOS IV Typ mit maximaler Sperrspannung von bspw. 650V.
  • Der zu Q1 in Reihe geschaltete Hilfstransistor Q2 ist ein Niedervolt Superjunction UMOS VIII Typ mit einer Sperrspannung von 60V.
  • Als Freilaufdiode kommt eine SiC Schottky Diode mit sehr niedriger Reverse-Recovery-Ladung zum Einsatz.
  • Die Ansteuerung erfolgt durch das Treiber IC T1HZ1F. Es generiert aus einem PWM (Pulsweitenmodulation) Eingangssignal alle erforderlichen Steuersignale für die Transistor Gates sowie den Ladungspuls zum Vorladen der Ausgangskapazität von Q1.

Vorteile der von Toshiba entwickelten A-SRB Technologie:

  • stark reduzierte Schaltverluste

  • günstige und bewährte Komponenten auf Silizium Basis können genutzt werden
  • dadurch günstige Wechselrichter mit hoher Effizienz

Die A-SRB Topologie eignet sich für

  • Photovoltaik Wechselrichter
  • DC/DC Wandler
  • Leistungsfaktorkorrektur (Power Factor Correction)
  • Antriebssteuerungen

Praxistest

Dass die A-SRB Technologie auch in der Praxis für eine höhere Effizienz des Inverters sorgt, haben SPICE-Simulationen einer Wechselrichter-Brücke (H4 Topologie) mit und ohne A-SRB gezeigt. Bild 4 illustriert für bipolare Modulation die mit Hilfe von A-SRB erzielte Verbesserung der Effizienz für unterschiedliche Ausgangsleistungen und Schaltfrequenzen. Da A-SRB die Schaltverluste verringert, ist der Effizienzgewinn für hohe Schaltfrequenzen am deutlichsten, hier erreicht er bis zu vier Prozent.

In dem Aufbau kam als Schalttransistor ein Toshiba DTMOS IV Typ mit niedrigem RDS(on) (100 A, 600 V) zum Einsatz.

Die Wechselrichterbrücke mit A-SRB Funktionalität kann je nach Nennleistung unterschiedlich realisiert werden. Für Modul Wechselrichter mit einer maximalen Eingangsleistung von etwa 300W gibt es von Toshiba das Modul T1JM4. Es integriert eine komplette Halbbrücke einschließlich der Gate Treiber mit A-SRB Funktionalität, Schalttransistoren und SiC Schottky Dioden.

Für Photovoltaik Wechselrichter mit höherer Eingangsleistung bis ca. 5kW stehen Kits aus diskreten Gate-Treibern mit den Schaltelementen zur Verfügung.

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

Figure 1: Commutation of the current and loss mechanisms when switching a half-bridge (source: Toshiba)
Bild 1: Kommutierung des Stromes und Verlustmechanismen beim Schalten einer Halbbrücke (Quelle: Toshiba)