Hocheffizienz-Gleichrichtersysteme mit 99,2% Wirkungsgrad

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3,3 KW Ausgangsleistung und nur 20 W Verlust

Wie eine Verlustanalyse und eine Wirkungsgradmessung mittels Power Analyzers (Yokogawa WT3000, Genauigkeit der Wirkungsgradmessung 0,04%) zeigt, weist das System (Leistungsdichte 1,1 kW/dm³) bei Nennspannung eine Nennlast-Effizienz von 99,23% und an der oberen Eingangsspannungstoleranzgrenze (+10%) einen Wirkungsgrad von 99,34% auf, womit die gegenüber dem CCM-Betrieb angestrebte Wirkungsgraderhöhung unter Beibehaltung der Leistungsdichte erreicht wird. Insgesamt treten so bei einer Ausgangsleistung von 3,3 kW nur Verluste von ca. 20 W auf! Nach Wissen der Autoren stellt dies den höchsten bisher für Einphasen-PFC-Gleichrichterschaltungen gemessenen Wirkungsgrad unter Berücksichtigung aller Hilfsversorgungen/Verlustanteile dar.

Aufgrund der geringen Verluste kann eine forcierte Kühlung unterbleiben. Nach einer Betriebszeit von einer Stunde beträgt die maximale Temperaturerhöhung gegenüber der Umgebung nur 23 °C. Die Verluste entfallen zu nahezu 50% auf die Leistungs-MOSFETs und zu etwa 25% auf die Boost-Induktivitäten, welche speziell mit einem bei relativ tiefer Temperatur das Verlustminimum aufweisenden Kernmaterial (Ferroxcube 3C95) ausgeführt sind.

Die Verluste der wieder im Sinne der Verlustminimierung mit Folienkondensatoren (Polyester) anstelle von Elektrolytkondensatoren (Leckströme, Serienersatzwiderstand) ausgeführten Ausgangskondensatoren betragen etwa 1,7 W (8%). Weiter entfallen auf die Gate-Ansteuerungen 1,1 W (5%, Gatesteuerspannung 10 V), auf den DSP und das CPLD 1, 5 W (7%) und auf die Stromnulldurchgang-Erkennung und die Strommessung ungefähr 2 W (10%). Durch Reduzierung der Zahl aktiver Zweige kann die Effizienz bis zu 500 W Ausgangsleistung auf Werte >99% gehalten werden.

Die Messung der leitungsgebunden elektromagnetischen Störaussendung zeigt trotz eines nur einstufigen EMV-Filters (siehe Bild 1) aufgrund der relativ tiefen mittleren und über die Netzperiode stark variierenden Schaltfrequenz ein bei 150 kHz um 6 dB unter dem Grenzwert CISPR 22/Class B liegendes Störniveau, welches auch aufgrund fehlender steiler Schaltflanken eine nach hohen Frequenzen hin monoton abfallende Charakteristik aufweist.

Zusammenfassend ist also ein Konvertersystem höchster Effizienz bei Wahl einer geeigneten Betriebsart ohne SiC-Leistungshalbleiterelemente realisierbar. Als wesentliche Merkmale des hier beschriebenen Ansatzes sind ein direkt mit der Konvertergrundstruktur, d.h. ohne Hilfsnetzwerke realisierter, ideal schaltverlustfreier Reonant Transition Mode und eine hohe Zahl von phasenversetzt taktenden Zweigen hervorzuheben. Die Schaltverlustfreiheit wird dabei letztlich durch die Inkaufnahme diskontinuierlicher Ströme ermöglicht, welche jedoch aufgrund der hervorragenden Leiteigenschaften von Superjunction-MOSFETs nur in geringen Leitverlusten resultieren.

Vorteilhaft erfordert die Dreieckstromform nur geringe Induktivitätswerte und unterstützt so ein geringes Bauvolumen. Über die hohe Zahl von Zweigen ist bei entsprechender Synchronisierung trotz des hohen Einzelstrom-Rippel ein weitgehend glatter Gesamtstrom möglich. Diese Betriebsweise ist in einfacher Form nur durch digitale Steuerbausteine (DSP, CPLD) möglich. Das gewählte Konverterkonzept gewinnt also den Performancevorteil vor allem durch Abstützung auf zwei sich nach wie vor dynamisch entwickelnde Technologien und durch Minimierung von Komponenten mit geringer Entwicklungsdynamik (z.B. Magnetmaterialien).

Mit der Weiterentwicklung des Standes der Technik (jährlich in umfassender Form durch die Fachausstellung und Fachkonferenz der PCIM Europe abgebildet) ist also eine weitere Steigerung der Performance zu erwarten.

Wie aufgrund der Konvertergrundstruktur unmittelbar einsichtig, erlaubt das gezeigte PFC-Gleichrichtersystem auch eine Rückspeisung von Energie in das Netz (z.B. für Vehicle-to-Grid Applications). Ohne Potenzialtrennung der Last ist hier allerdings die durch den Polaritätsumschaltzweig hervorgerufene netzfrequente Rechteck-CM-Spannung zu berücksichtigen.

Abschliessend sei darauf hingewiesen, dass bei der Beurteilung der Effizienz eines Konvertersystems stets auch die übrigen Performancegrößen wie die Leistungsdichte und der Realisierungsaufwand im Blick zu behalten sind. Nur die Kombination dieser Grössen vermittelt ein vollständiges Bild des durch eine Realisierung erreichten „Technology-Node“. Wie eine umfassendere Analyse zeigt, ist für das vorgestellte Gleichrichterkonzept eine Wirkungsgrad/Effizienzkombination von 99,2%/1,1 kW/dm³ oder alternativ von 98,5%/5 kW/dm³ möglich.

Hoher Wirkungsgrad verlangt also einen Verzicht auf Leistungsdichte (im gegenständlichen Fall: Halbierung der Verluste durch Reduktion der Leistungsdichte um einen Faktor 5). Oder es erlaubt ein niedriger Wirkungsgrad eine kompaktere Bauweise, bis zum Erreichen einer thermischen Grenze, welche durch forcierte Kühlverfahren jedoch relativ flexibel ist.

Die Autoren danken dem European Center for Power Electronics (ECPE) für die Unterstützung des Forschungsprojektes im Rahmen einer Technologiestudie zu hocheffizienten Konvertersystemen, sowie Dr. G. Deboy/Infineon für die Bereitstellung der im Demonstratorsystem eingesetzten Leistungshalbleiter.

* * Prof. Johann Kolar ... ist Director Power Electronic Systems Laboratory an der ETH Zürich. ** Johann Miniböck ... ist Consultant für Leistungselektronik in Purgstall, Österreich.

Artikelfiles und Artikellinks

Link: Das Ernergy Science Center an der ETH Zürich

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