Ein wesentlicher Bestandteil jedes Photovoltaiksystems ist der Wechselrichter. Er wandelt Gleichspannung in Wechselspannung um. Seine Effizienz wird dabei stark durch die Schaltverluste der Leistungstransistoren beeinflusst. Der optimale Wirkungsgrad lässt sich durch die richtige Schaltkreistopologie sowie die korrekte Auswahl der verwendeten Bauelemente erzielen. Um die Effizienz zu erhöhen, werden zunehmend Transistoren aus Materialien mit weitem Bandabstand in Wechselrichtern eingesetzt, wie Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumkarbid (SiC). Das Problem dabei ist, dass die Kosten solcher Technologien deutlich höher sind als bei auf Silizium basierenden Komponenten. Ein kostengünstiges System erfordert somit Innovationen im Schaltkreisdesign, die bei gleichzeitiger Verwendung siliziumbasierter Komponenten den maximal möglichen Wirkungsgrad erreichen.
Das Beispiel einer Halbbrücke soll illustrieren, wie der Wirkungsgrad eines Wechselrichters durch deutliche Reduktion der Schaltverluste optimiert wird. Dabei wird die Kommutierung des Stromflusses von der Freilaufdiode des sperrenden oberen Schalttransistors zum unteren Schalttransistor betrachtet. Die neben den ohmschen Verlusten auftretenden Schaltverluste werden durch zwei Verlustmechanismen bestimmt: zum einen durch die in der Freilaufdiode gespeicherte Reverse-Recovery-Ladung (Qrr), die im gerade aktivierten, in den leitenden Zustand übergehenden unteren Schalttransistor einen Strom-Peak verursacht. Zum anderen durch den Ladestrom-Peak, der beim Umladen der Ausgangskapazität (COSS) des sperrenden oberen Schalttransistors fließt. Bei Synchronous Reverse Blocking (SRB) wird mit Hilfe eines in Reihe geschalteten zweiten Schaltransistors Q2 der Rückstrom durch die Freilaufdiode des Schalttransistors Q1 blockiert. Die Ansteuerung von Q2 erfolgt synchron zu Q1. Der Rückstrom wird durch eine parallele Siliziumkarbid-Schottky-Diode mit hoher Durchbruchspannung und extrem niedriger Reverse-Recovery-Ladung geführt. Dadurch wird der Effekt von Qrr deutlich reduziert. Die Freilaufdiode von Q2 ist so gepolt, dass sich keine hohe Spannung über diesem Transistor aufbauen kann. Es genügt ein Typ mit niedriger Spannungsfestigkeit,
etwa 60 V.
Reduktion um den Faktor 100
Bei Advanced-SRB (A-SRB) werden die durch das Umladen der Ausgangskapazität von Q1 verursachten Verluste durch das Vorladen von Q1 auf eine niedrige Spannung drastisch vermindert. Der Verlauf der Ausgangskapazität COSS über der Drain-Source-Spannung VDS zeigt eine sehr hohe Spannungsabhängigkeit. Eine Erhöhung von VDS von 0 V auf etwa 40 V führt beispielsweise zu einer Reduktion der Kapazität um den Faktor 100. Diese Charakteristik führt dazu, dass im Verlauf des Schaltvorgangs der Verluste verursachende Ladestrom vorwiegend im Bereich niedriger VDS von Q1 fließt. Eine niedrige Spannung über Q1 ist aber gleichbedeutend mit einer hohen Spannung über dem in den leitenden Zustand übergehenden unteren Transistor der Halbbrücke. In diesem wird daher durch den Ladestrom-Peak eine hohe Verlustleistung erzeugt.
Wird COSS von Q1 auf eine Spannung von zum Beispiel 40 V vorgeladen, bevor der untere Schalttransistor der Halbbrücke eingeschaltet wird, fließt der überwiegende Teil des Ladestroms nicht durch diesen Transistor und kann somit kaum Verluste verursachen. Das Vorladen erfolgt durch eine zusätzliche Spannungsquelle, die mit Hilfe einer Ladungspumpe im Gate-Treiber-IC realisiert wird.
Der eigentliche Schalttransistor (Q1) ist ein Hochvolt-Superjunction-
DTMOS-IV-Typ mit maximaler Sperrspannung von beispielsweise 650 V. Der zu Q1 in Reihe geschaltete Hilfstransistor Q2 ist ein Niedervolt-Superjunction-UMOS-VIII-Typ mit einer Sperrspannung von 60 V. Als Freilaufdiode findet eine SiC-Schottky-Diode mit sehr niedriger Reverse-Recovery-Ladung Verwendung. Die Ansteuerung dieser speziellen Schaltungstopologie erfolgt durch ein dediziertes Treiber-IC T1HZ1F. Aus einem PWM-Eingangssignal generiert dieses IC alle erforderlichen Steuersignale für die Transistor-Gates sowie den Ladungspuls zum Vorladen der Ausgangskapazität von Q1.
A-SRB verringert Verluste
Die von Toshiba entwickelte A-SRB-Technologie führt zu stark reduzierten Schaltverlusten. Sie eignet sich für vielfältige Applikationen wie zum Beispiel Photovoltaik-Wechselrichter, DC/DC-Wandler, Leistungsfaktorkorrektur (PFC) oder auch Antriebssteuerungen. Um die Effektivität der A-SRB-Technologie zu demonstrieren, wurden SPICE-Simulationen einer Wechselrichter-Brücke (H4 Topologie) sowohl mit als auch ohne A-SRB durchgeführt. Für bipolare Modulation lässt sich mit Hilfe von A-SRB die Effizienz für unterschiedliche Ausgangsleistungen und Schaltfrequenzen verbessern. Als Schalttransistor wurde ein DTMOS-IV-Typ von Toshiba mit niedrigem RDS(on) (100 A, 600 V) verwendet. Da A-SRB die Schaltverluste reduziert, ist der Effizienzgewinn für hohe Schaltfrequenzen am deutlichsten. Der maximale Effizienzgewinn erreicht in diesem Beispiel etwa vier Prozent.
Der Hauptteil des Systems, die Wechselrichterbrücke mit A-SRB-Funktionalität, kann je nach Nennleistung auf unterschiedliche Weise realisiert werden. Für Modulwechselrichter mit einer maximalen Eingangsleistung von etwa 300 W bietet Toshiba die Modullösung T1JM4 an. Das Modul verfügt über eine komplette Halbbrücke, einschließlich der Gate-Treiber mit A-SRB-Funktionalität, der Schalttransistoren sowie der SiC-Schottky-Dioden. Für Photovoltaik-Wechselrichter mit höherer Eingangsleistung bis ungefähr 5 kW stehen diskrete Gate-Treiber als Kit in Kombination mit den Schaltelementen zur Verfügung.
Erhebliche Effizienzgewinne
Für die Kostenoptimierung von Leistungselektroniksystemen müssen Verluste effektiv angegangen werden. Intelligentes Verlustleistungsmanagement ermöglicht auch auf der Grundlage bewährter Silizium-Technologie kostengünstige Systeme mit einer erhöhten Leistungsdichte und Energieeffizienz. Die A-SRB-Technik von Toshiba sorgt für erhebliche Effizienzgewinne. Sie eignet sich nicht nur für Photovoltaik-Wechselrichter, sondern auch für viele andere Anwendungen in der Leistungselektronik wie zum Beispiel
DC/DC-Wandler, zur Blindleistungskompensation sowie ebenfalls für Motor-
antriebe.
