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Schaltverluste in Solar-Wechselrichtern verringern

Schaltverluste in Solar-Wechselrichtern verringern

Mit steigenden Energiekosten und Anforderungen an die Portabilität, wird der Wirkungsgrad von Stromversorgungssystemen immer wichtiger. Dies gilt vor allem für Solar-Wechselrichter, bei denen Entwickler und Betreiber so viel Sonnenenergie wie möglich  in elektrische Energie umwandeln wollen. Obwohl der Stromversorgungssektor relativ ausgereift ist, bleibt immer noch Raum für  weitere Innovationen, wie beispielsweise die neue Technik zur Regelung der Schaltverluste in Halbbrücken-Wechselrichtern.

Synchronous Reverse Blocking (SRB) fügt einen zweiten Schalttransistor in Serie zum Hauptschalter hinzu, um den Rückstrom in der zugehörigen Freilaufdiode zu sperren. Dieser zweite Schalter muss mit dem Hauptschalter synchronisiert werden, so dass der Rückstrom durch eine parallele Siliziumkarbid-(SiC-) Schottky-Diode geführt wird. Diese Diode hat eine hohe Durchbruchspannung und eine extrem niedrige Umkehr-Erholungsladung,  dadurch wird die Wirkung von Qrr deutlich reduziert.

Mit Advanced SRB (A-SRB[1]) werden durch Vorladen auf eine niedrigere Spannung die durch das Aufladen der Ausgangskapazität des Hauptschalters verursachten Verluste deutlich reduziert. Die Ausgangskapazität COSS hängt von der Drain-Source-Spannung VDS ab. Wird diese von 0 auf 40V erhöht, verringert sich die Kapazität um den Faktor 100. Während des Schaltvorgangs bewirkt dies, dass der Ladestrom vorwiegend im Bereich niedriger Drain-Source-Spannungen fließt. Jedoch führt eine niedrige VDS über dem Hauptschalter zu einer hohen Spannung über dem unteren Transistor, was hohe Verluste aufgrund der Ladestromspitze verursacht.

Wird COSS innerhalb des Hauptschalters vor dem Einschalten des unteren Transistors in der Halbbrücke vorgeladen, fließt der Großteil des Ladestroms nicht durch den unteren Transistor und kann somit auch nicht zu Verlusten beitragen. Das Vorladen erfolgt durch eine zusätzliche Spannungsquelle, die durch eine Ladungspumpe im Gate-Treiber-IC realisiert wird.

Auf der Basis der A-SRB-Technologie hat Toshiba eine Lösung für Solar-Wechselrichter mit einer Ausgangsleistung von bis zu 5kW entwickelt. Diese besteht aus vier Hauptkomponenten:
 

  • die Wechselrichterbrücke mit A-SRB-Technologie,
  • eine MCU zur Steuerung des gesamten Systems,
  • zwei Analog-Frontend-ICs (AFE) zur Steuerung der DC/DC-Wandler-Eingangsstufen und des Ausgangswechselrichters.
     

Neben den durch A-SRB erzielten höheren Wirkungsgrad, tragen die beiden hochintegrierten AFE-ICs zu einem kompakten, kostenoptimierten Wechselrichtersystem bei.

Um zu erfahren wie Toshibas integrierte A-SRB-Lösung für die Solartechnik dazu beiträgt, Energie effizienter umzuwandeln, klicken Sie bitte hier:

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1Toshiba Corporation Energy Systems & Solutions Company, 2016. Semiconductor switch and power conversion apparatus. Europäische Patentschrift EP 2 600 527 B1. 03.02.2016

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