Hohe Zuverlässigkeit von USV-Systemen mit leistungsstarken 3-Level-Wechselrichtern

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Die Modulleistung im 3-Level-Wechselrichter

Ein 3-Level-Wechselrichter benötigt eine Reihe von Leistungsschaltern, insgesamt vier IGBT und sechs Dioden. Die parasitären Induktivitäten zwischen den unterschiedlichen Chips müssen minimiert werden, um gefährliche Überspannungen zu vermeiden, die möglicherweise ihre Laufzeit in der Anwendung beschränken oder zusätzliche Schutzbeschaltungen erfordern.

USV-Systeme müssen sowohl mit aktiven als auch reaktiven Lasten umgehen können; der Strom fließt entweder in Spannungsrichtung (positiv) oder entgegengesetzt (negativ). In der folgenden Abbildung sind die Strompfade bei positiver Spannung sowie die relative Phasenverschiebung des Stroms dargestellt.

Die Betrachtung schließt auch die Strompfade bei negativer Spannung mit ein (Bild 4 zeigt dies in den Teilbildern 4a bis 4d). Die grünen Bereiche gilt es zu minimieren, um Überspannungen in den Komponenten zu vermeiden. Im Leistungsbereich von 10 bis 40 kVA beträgt die erforderliche Streuinduktivität ungefähr 10 nH.

Die Abmessungen eines kompakten SEMITOP4-Leistungsmoduls betragen nur 60 mm x 55 mm x 12 mm. Um einen kompletten 3-Level-Wechselrichter zu realisieren, werden lediglich drei Module benötigt. Deshalb sind speziell durch Kriechströme verursachte Streuinduktivitäten in den Schaltern gering und es kann auf entsprechende Schutzbeschaltungen, die die Komplexität erhöhen und die Gesamteffizienz des Systems beeinträchtigen würden, verzichtet werden.

Minimierung von Dimensionen und Verlusten

Zur temporären Versorgung der Last mit Speicherenergie sind USV-Systeme mit einem Batteriemodul ausgestattet. Die Dimensionierung dieses Moduls hängt von der Ausgangsleistung der unterbrechungsfreien Stromversorgung ab; die finale Anlagengröße eines UVS-Systems mit Standard-Wechselrichtern bleibt im Vergleich zu einem System mit 3-Level-Technologie im identischen Leistungsbereich gleich.

Die wesentlichen Vorteile liegen in der Chiptechnologie und der Schaltungstopologie. Dank der 3-Level-Architektur mit einer gemeinsamen DC-Gleichspannungsschiene ist es möglich, in einem Standard-Dreiphasen-Frequenzumrichter in 3-Level-Konfiguration 600-V-IGBT an Stelle von 1200-V-IGBT zu verwenden. Sie zeichnen sich durch niedrige Durchlassspannungen aus und erhöhen damit die Zuverlässigkeit des Systems.

Außerdem werden die im Vergleich zur 2-Level-Topologie niedrigeren Schaltverluste auf vier IGBT und sechs Dioden verteilt und nicht auf nur zwei IGBT und zwei Dioden, wie es bei Standard-2-Level-Umrichtern der Fall ist. Die Beanspruchung der Chips durch hohe Temperaturen oder Temperaturlastwechsel ist somit geringer, denn die Temperatur wechselt weniger häufig und wird dabei gleichmäßig auf die Chips verteilt.

Messungen beim Kunden vor Ort ergaben vergleichsweise niedrige IGBT-Sperrschichttemperaturen unter Betriebsbedingungen. Die Belastung der Silizium-Halbleiter ist dadurch geringer, was sich positiv auf die Lastwechselfestigkeit auswirkt.

Die Lebensdauer der Chips ist also höher als in herkömmlichen Dreiphasen-Umrichtern. Die Verbesserung des thermischen Verhaltens der Silizium-Halbleiter bedeutet eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrades. Die Komplexität der Wärmeableitung wurde ebenfalls berücksichtigt: mit einer Kühlkörpergröße von nur 400 mm x 160 mm sind die Module kompakter als in älteren Dreiphasen-Wechselrichtern. Weiterhin wurde durch Verwendung von kleineren Lüftern mit niedrigerer Drehzahl das Luftkühlungssystem optimiert und damit ein weiteres Energieeinsparungspotenzial bei gleichzeitiger Reduzierung der Geräuschemissionen ausgeschöpft.

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