Mit Eisen-Pulver-Legierungen ohne lange Wartezeit elektrisch tanken

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Ist eine Netzleitung zum Beispiel haushaltsüblich mit 16 A abgesichert, kann die maximale Leistung von 3,6 kW nur bei einem in Phase liegenden Sinusstrom effektiv genutzt werden, also dann, wenn keine Blindleistung durch die Leitung fließt.

Eine bisher übliche PFC-Stufe im Leistungsbereich bis 1 kW besteht aus einem Diodengleichrichter sowie einer Boost-Stufe, mit einem Silizium(Si)-Transistor und schneller Si-Diode. In diesen aktiven Bauteilen und der Boostdrossel (Induktivität) entstehen jedoch signifikante Verluste (Bild 3).

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Ein typisches Taktungsschema für diese Stufe ist der Transition-Mode (TM), bei dem der Strom durch die PFC-Drossel bei jeder Ausschaltphase pro Taktzyklus wieder zu Null wird. Dadurch sinken die Schaltverluste in den Si-Transistoren deutlich, jedoch steigen der Maximalwert und Rippelanteil des PFC-Stroms auf das Doppelte des sinusförmigen Netzstroms. Um die hohe Ummagnetisierungsenergie bei solch dynamischen Stromänderungen zu begrenzen, kommen Drosseln mit Ferritkernen zum Einsatz.

Die benötigte Induktivität für diese Drossel ist zwar relativ klein aber aufgrund der sehr hohen Aussteuerung sind für den Transition-Mode ausgelegte Drosseln verhältnismäßig groß (Bild 4). Zur Erhöhung der Leistungsdichte wählt man vorzugsweise den Continuous-Conduction-Mode (CCM) der PFC- Schaltung, d.h. der Strom in der PFC-Drossel kommt in der Ausschaltphase des Transistors nicht mehr zu Null. Dies kann durch eine höhere Induktivität der Drossel oder eine Erhöhung der Schaltfrequenz des Transistors erreicht werden (Bild 5).

Wird der Drosselstrom vor dem erneuten Einschalten nicht mehr zu Null, muss der Transistor auf die leitende Boost-Diode kommutieren. Dadurch entstehen sehr hohe Einschaltverluste infolge des „Reverse-Recovery“-Verhaltens der Diode. Infolgedessen ist beim CCM-Betrieb eine sehr schnelle Diode erforderlich, vorzugsweise aus dem Halbleitermaterial Siliziumkarbid (SiC).

Trägt man der weiteren Erhöhung der Leistungsdichte Rechnung, so werden zusätzliche Optimierungen notwendig, zum Beispiel durch die Verwendung einer sogenannten „Bridgeless- PFC“-Schaltung. Bei dieser Topologie werden die unteren beiden Dioden des passiven Gleichrichters durch Transistoren ersetzt und die Boost-Stufe entfällt. Das spart Durchlassverluste, da der Strom insgesamt durch weniger Bauelemente fließen muss.

Eine weitere Steigerung kann mit der „Totem-Pole“-Topologie erreicht werden. Hier werden auch die oberen Dioden (Polwender) durch aktive Leistungsschalter ausgetauscht. Diese Topologie bietet zudem Bidirektionalität, ist also in der Lage, Leistung sowohl vom Netz aufzunehmen, als auch zurückspeisen. Voraussetzung hierfür sind Transistoren die sehr schnelle interne Reversedioden besitzen oder Transistoren, die diese Reversediodenstruktur nicht aufweisen.

Die internen „Bodydioden“ von Siliziumtransistoren der notwendigen Spannungsklasse (typischerweise 600V) sind für diesen Einsatz zu langsam und daher ungeeignet. IGBTs ohne interne Bodydiode weisen sehr hohe Schaltverluste auf, somit ist mit diesen Bauteilen auch keine weitere Steigerung der Leistungsdichte möglich.

Als künftige Lösung kommen neue Wide-Band-Gap-Schalter auf Basis Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) zum Einsatz. Mit diesen Schaltern lassen sich Schaltfrequenzen weiter steigern und eine Miniaturisierung der Leistungselektronik realisieren. Auf diese Weise wird das Ziel höherer Leistungsdichte in den kommenden Jahren realisiert (Bild 6).

Realisierung zukünftiger Leistungselektronik – Eisenpulverlegierungen MANIFLUX von HARTU Induktive Bauelemente

Bei jeder der zuvor beschriebenen Topologien bleibt der PFC-Betrieb im Continuous-Conduction-Mode bestehen. Dabei ist der Drosselstrom geprägt durch einen hohen Gleichanteil (50 Hz/100 Hz) und einen verhältnismäßig kleinen Rippelstrom im Schaltfrequenztakt.

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