Power-MOSFET 10 Anforderungen für den Einsatz in Photovoltaik-Wechselrichtern

UniFET- und Ultra-FRFET-MOSFET sind Hochspannungs-Leistungsbauteile auf Basis der MOSFET-Technologie. Der Artikel beschreibt MOSFET-Anforderungen für Wechselrichter-Anwendungen.

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Fairchild Semiconductor

Zu den wichtigsten Anwendungen von MOSFETs gehören DC/DC- und AC/DC-Wandler, Motorsteuerungen, unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Solar-Wechselrichter, Schaltnetzteile sowie elektrische Fahrzeuge und deren Ladegeräte. Um den Wirkungsgrad in diesen Anwendungen weiter zu erhöhen, entwickeln die Bauteilanbieter mittlerweile auch anwendungsspezifische MOSFETs. Fairchild Semiconductor beispielsweise bietet mehrere spezielle MOSFETs für Wechselrichter an, die die Systemeffizienz verbessern.

Vor der Nutzung der MOSFETs kamen hauptsächlich Silicon-Controlled-Rectifier und Bipolar-Junction-Transistoren (BJT) zum Einsatz. Der BJT ist ein stromgesteuertes Bauteil, während der MOSFET spannungsgesteuert ist. In den 1980er Jahren kam der ebenfalls spannungsgesteuerte Insulated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT) dazu.

MOSFETs haben relativ kurze Schaltzeiten und sind damit für hochfrequente Anwendungen bestens geeignet. Wechselrichter können damit problemlos im Ultraschallbereich arbeiten, sodass hörbare Störungen vermieden werden. Im Allgemeinen werden IGBTs für Hochstrom- und niederfrequente Anwendungen ab 200 V genutzt, während MOSFETs dagegen eher für kleine Ströme und hochfrequente Schaltanwendungen im Bereich von 20 bis 1000 V Verwendung finden. Moderne MOSFETs haben niedrige Leitungs- und Schaltverluste und ersetzen daher IGBTs oftmals in Anwendungen mit mittleren Spannungen bis 600 V.

Ein schnell wachsender Anwendungsbereich ist inzwischen die Windenergie, wo eine große Zahl von MOSFETs unter anderem zur Steuerung der Rotorblätter von Windrädern eingesetzt werden. An dieser Stelle helfen anwendungsspezifische MOSFETs bei der Verbesserung des Wirkungsgrads, weil sie ganz unterschiedlichen Anforderungen gerecht werden.

Weitere künftige Anwendungsbereiche von spezifischen MOSFET-Lösungen sind beispielsweise Ladesysteme für Elektrofahrzeuge für den privaten und kommerziellen Bereich. Auch für Wechselrichter von Photovoltaik-Anlagen werden spezielle MOSFETs benötigt. Der stark gesunkene Preis von Polysilizium (von 400 US-$/kg in 2007 auf 70 US-$/kg in 2009) ermöglichte ein enormes Marktwachstum dieses Segments.

Bei Wechselrichtern ist zwischen netzgekoppelten und selbstgeführten Ausführungen zu unterscheiden. Ein netzgekoppelter Wechselrichter wandelt den von Photovoltaikanlagen oder Windrädern erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um und speist diesen in das vorhandene Stromnetz ein. Solche netzgeführten Wechselrichter müssen mit einem bestehenden Stromnetz verbunden werden.

Selbstgeführte Wechselrichter dagegen nutzen einen anderen Aufbau und können nicht mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden werden, sondern ermöglichen den Betrieb eines eigenständigen Stromnetzes (Inselnetz). Am Markt sind heute Wechselrichter mit unterschiedlichen Topologien verfügbar, die den verschiedenen Anforderungen gerecht werden.

Weil künftig immer mehr elektrische Energie durch alternative Energiequellen erzeugt werden soll, wird die Nachfrage nach Leistungsschaltern steigen. MOSFETs sind deshalb für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche optimiert und sorgen so bei den jeweiligen Endprodukten eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrads.

Der Power-MOSFET und seine Verluste

Ideal für Anwendungen mit hohen Schaltfrequenzen sind MOSFETs mit niedrigeren parasitären Kapazitäten, was allerdings auf Kosten des Einschaltwiderstands RDSON geht. Bei niederfrequenten Anwendungen hat dagegen die Reduzierung des RDSON höchste Priorität. Eine kurze Erholzeit T_RR und eine geringe Reverse-Recovery-Ladung Q_RR der MOSFET-Body-Diode sind für symmetrische Soft-Switching-Anwendungen wichtig und zudem für die Zuverlässigkeit entscheidend. In Hard-Switching-Anwendungen steigen die Ein- und Ausschaltverluste mit zunehmender Betriebsspannung. Um die Ausschaltverluste zu reduzieren, werden C_RSS und C_OSS gegenüber R_DSON optimiert.

MOSFETs haben besonders bei hochfrequenten Wechselrichtern für Solaranwendungen, UPS (unterbrechungsfreie Stromversorgungen) und Motorantrieben an Beliebtheit gewonnen. Sie verfügen über eine eigenleitende Body-Diode mit einer sehr schlechten Schaltcharakteristik, die im Allgemeinen hohe Einschaltverluste im komplementären MOSFET verursacht. Mit niedrigeren Frequenzen arbeitende Wechselrichter benötigen einen zusätzlichen Ausgangsfilter und sind dadurch größer, schwerer und teurer. Wechselrichter mit hohen Frequenzen kommen dagegen mit einem kostengünstigeren Tiefpass-Design aus.

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