Hybrid-Stringwechselrichter Designüberlegungen mit integriertem Speicher

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Nachhaltige Energieversorgung trifft auf smarte Sicherheit: Hybrid-Stringwechselrichter machen Photovoltaik-Anlagen effizienter und zuverlässiger. Mit intelligentem Energiemanagement sorgen sie dafür, dass Sonnenstrom auch nachts und bei Ausfällen verfügbar bleibt.

Nachhaltigkeit und Sicherheit der Energieversorgung sind Aspekte, die die Nachfrage nach Energiespeichersystemen speziell für private Photovoltaik-Anlagen ansteigen lassen. Auf dem Markt werden bereits Mikrowechselrichter mit integrierten Energiespeichersystemen und Leistungen bis zu 2 kW angeboten. Wird jedoch mehr Leistung benötigt, gibt es auch Stringwechselrichter oder Hybrid-Stringwechselrichter, an die ebenfalls ein Energiespeichersystem angeschlossen ist.

Bild 1 zeigt das Blockschaltbild eines Hybrid-Stringwechselrichters, dessen Haupt-Funktionsabschnitte über einen geregelten DC-Zwischenkreis miteinander verbunden sind. Bei den genannten Funktionsabschnitten handelt es sich um folgende:

• Unidirektionaler DC/DC-Wandler für das Maximum Power-Point Tracking (MPPT).

• Bidirektionaler DC/DC-Wandler zum Laden und Entladen des Akkus, der zum Überbrücken der Nachtstunden oder von Stromausfällen dient.

• DC/AC-Wandler zum Umwandeln von Gleich- in Wechselstrom unter Wahrung eines niedrigen Oberschwingungsanteils.

• Mikrocontroller zum Messen von Strömen und Spannungen, zum Ansteuern der Leistungsschalter, zur Isolationsüberwachung, zum Detektieren von Lichtbögen und für die Kommunikation.

• Power Optimizer zum Maximieren des Energieertrags aus den PV-Panels unabhängig von externen Parametern wie Sonneneinstrahlung oder Temperatur.

IGBTs oder GaN-FETs?

Stringwechselrichter enthalten Leistungsschalter wie zum Beispiel IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). Probleme wie etwa der Tailstrom oder das Sperrverzögerungsverhalten der Diode sorgen bei diesen Leistungshalbleitern jedoch für höhere Schaltverluste. Da diese Phänomene darüber hinaus temperaturabhängig sind, nehmen die Verluste noch weiter zu – insbesondere bei Lösungen mit statischer Kühlung. Aus diesen Gründen müssen IGBTs mit niedrigen Schaltfrequenzen betrieben werden, weshalb die passiven Bauelemente und Kühlkörper zwangsläufig größer ausfallen. Üblich sind hier Schaltfrequenzen zwischen 5 und 15 kHz.

Da es bei Leistungsschaltern auf der Basis von Wide-Bandgap-Halbleitern wie etwa Galliumnitrid (GaN) kein Minoritätsträger-Phänomen gibt, sind die Schaltverluste geringer, sodass bei gleichen Verlusten mit höheren Schaltfrequenzen gearbeitet werden kann, was wiederum die Verwendung kleinerer passiver Bauelemente erlaubt. Die Schaltfrequenzen sind hier im Durchschnitt um den Faktor sechs höher.

Im vorliegenden Artikel geht es um einen 10-kW-Stringwechselrichter auf der Basis von Feldeffekt-Transistoren (FETs) auf GaN-Basis. Zusätzlich werden die Vorteile von GaN beleuchtet und es werden die Vorteile herausgearbeitet, die ein solches System für private PV-Anlagen bietet.

GaN-Stringwechselrichter

In Bild 2 ist das 10kW GaN-Based Single-Phase String Inverter with Battery Energy Storage System Reference Design mit sämtlichen aktiven und passiven Bauelementen zu sehen.

Das Referenzdesign besteht aus vier Leistungswandler-Systemen, die mit verschiedenen Schaltfrequenzen arbeiten:

• Zwei Aufwärtswandler mit je 5 kW Nennleistung für zwei unabhängige String-Eingänge (134 kHz)

• Phasenversetzter bidirektionaler DC/DC-Wandler mit 10 kW Nennleistung (67 kHz)

• Bidirektionaler DC/AC-Wandler zur Netzeinspeisung mit 4,6 kW Nennleistung (89 kHz)

Leistungsbausteine

Die Möglichkeit der oberseitigen Kühlung, die bei den für 650 V ausgelegten GaN-FEts vom Typ LMG3522R030 mit einem R_DS(on) von 30 mΩ gegeben ist, reduziert den Wärmewiderstand gegenüber einem unterseitig gekühlten Baustein.

Die integrierten Gatetreiber dieser FETs verringern sowohl die Kosten als auch den Platzbedarf der Gesamtlösung.

Mikrocontroller

Wie in Bild 3 zu erkennen ist, wird das gesamte Referenzdesign von einem einzigen Mikrocontroller gesteuert. Der TMS320F28P550SJ ermöglicht die Echtzeitsteuerung von insgesamt vier Leistungswandler-Stufen und Schutzfunktionen sowie die Implementierung mehrerer Regelkreise. Die Versorgung des MCU kann auf Power Ground (GND DC–) bezogen werden, und dank des integrierten Gatetreibers ist auch die direkte Ansteuerung des GaN-FET möglich. Für die untere Seite ((Q1A, Q1B, Q2, Q4, Q6, Q7) werden keine isolierten Gatetreiber benötigt.

Strommessung

Für die verschiedenen Wandlerstufen macht das System Strommessungen an unterschiedlichen Punkten erforderlich. Die Aufwärtswandler messen den Strom mit einer shuntbasierten Lösung wie dem INA181 an der negativen Leitung, weil der MCU auf Power Ground bezogen ist. Im Fall des phasenversetzten Wandlers muss die Strommessung in der Batterie mit hoher Genauigkeit über Zeit und Temperatur erfolgen. Dies geschieht mit einem Baustein wie dem AMC1302, einem für präzise Strommessungen konzipierten Verstärker mit verstärkter Isolation. Die 5 V, die vom eingebauten Low-Dropout-Regler des GaN-FET erzeugt werden, dienen zur Versorgung des Strommessverstärkers. In der Wechselrichterstufe ermöglicht ein Halleffekt-Stromsensor wie der TMCS1123 das Messen des Netzstroms. Seine große Bandbreite und Genauigkeit ermöglichen die wichtige Reduzierung des Oberschwingungsanteils im Strom.

Versuchsergebnisse

Das Referenzdesign wurde mit den folgenden Systemspannungen betrieben: String-Eingangsspannung: 350 V, Akku-Nennspannung: 160 V, Netzspannung: 230 V, DC-Zwischenkreisspannung: auf 400 V geregelt. Beim Betrieb des Wechselrichters in unterschiedlichen Szenarien wurde der Wirkungsgrad des Wandlers als Funktion der Ausgangsleistung aufgezeichnet:

Energieentnahme aus dem String-Eingang und Einspeisung in das Netz (Bild 3). Energieentnahme aus dem Akku und Einspeisung in das Netz (Bild 4). Energieentnahme aus dem String-Eingang und Einspeisung in den Akku (Bild 5).

Aus den Schaubildern ist zu entnehmen, dass der Gesamtwirkungsgrad auch bei einer Versechsfachung der Schaltfrequenz gegenüber einer herkömmlichen IGBT-Lösung auf dem Niveau einer heutigen Implementierung auf IGBT-Basis liegt. Einschließlich der Versorgung der eigenen Funktionen blieb der Wirkungsgrad im Bereich von 98 %. Bei allen drei Grafiken sind die zwei Leistungswandlerstufen berücksichtigt.

Zusammenfassung

GaN trägt zur Steigerung der Leistungsdichte bei, wodurch sich das Gewicht der endgültigen Lösung verringert. Mit einem Gesamtwirkungsgrad im Bereich von 98 % und einer Leistungsdichte von 2,3 kW/l bringt es das Stringwechselrichter-Referenzdesign auf hervorragende Werte. Die Implementierung einer Lösung mit integriertem Gatetreiber könnte zusätzlich zu niedrigeren Gesamtkosten führen. (mr)

Hinweis: Der Text entstand basierend auf Unterlagen von Texas Instruments.

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