PV- & USV-Systeme Wie rückwärtssperrende IGBTs Energie sparen

Autor / Redakteur: Daniel Hofmann * / Gerd Kucera

Eine Minimierung der eingesetzten Komponenten durch Nutzung rückwärtssperrender IGBTs (RB-IGBT) verringert die Verluste des Umrichters und erhöht damit die Effizienz in 3-Level-Umrichtern.

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Bild 1: Die Spannungsniveaus des 2-Level- (oben) und 3-Level-Wechselrichters
Bild 1: Die Spannungsniveaus des 2-Level- (oben) und 3-Level-Wechselrichters
(Bild: Fuji Electric)

Die Steigerung des Wirkungsgrades von Wechselrichtern ist eines der Hauptziele der Leistungselektronik speziell in Photovoltaikanwendungen sowie bei unterbrechungsfreien Stromversorgungsanwendungen. Die Entwicklung der 3-Level-Topologie unterstützt die Realisierung der Effizienzsteigerung durch einen neutralen Mittelpunktzweig namens NPC (Neutral Point Clamped), der dazu führt, dass die volle Zwischenkreisspannung aus zwei Kondensatoren mit jeweils halber Spannungskapazität aufgebaut werden kann. Letztendlich lässt sich somit ein Spannungsprofil erstellen, das insgesamt drei Spannungsniveaus besitzt (Bild 1).

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Aufgrund dieser drei Spannungsebenen lassen sich die nichtlinearen Verzerrungen in der anzustrebenden sinusförmigen Spannung minimieren. Die gesamte harmonische Verzerrung wird somit geringer als in den Standard-2-Level-Anwendungen. In anderen Worten, die Ausgangspannung eines 3-Level-Wechselrichters ist ein glatterer Sinus als die des 2-Level-Umrichters, der nur mit zwei Spannungsniveaus (volle Energie E und Null) arbeitet. Dementsprechend können Glättungsfilter am Ausgang kleiner und kostengünstiger gewählt werden.

Unterschiedliche Möglichkeiten einer 3-Level-Topologie

Es gibt mehrere Wege eine 3-Level Konfiguration aufzubauen. Zwei durchaus bekannte Topologien tragen den Namen NPC1 und NPC2. Dabei setzt sich NPC1 aus zwei inneren (T2, T3) und zwei äußeren (T1, T4) IGBTs zusammen. Die Dioden dienen zur Separierung der halben Zwischenkreisspannung Vcc/2. Äußere und innere IGBTs hingegen fehlen bei den T-förmigen Anordnungen (T-Typ). Allerdings befinden sich bei beiden T-Typ-Versionen zwei Hauptschalter, die die Zwischenkreisspannung blockieren können müssen, und der neutrale Punkt (Mittelpunkt) wird einmal durch eine Serienschaltung von IGBT und Diode angesteuert sowie durch den besonderen RB-IGBT.

Die Neuentwicklung des rückwärtssperrenden IGBT (englisch Reverse Blocking IGBT oder auch RB-IGBT) besitzt einige Vorteile gegenüber den zuvor genannten Konfigurationen wie beispielsweise weniger Gesamtverluste bis zu einer Taktfrequenz von 30 kHz und einer sehr niedrigen internen Induktivität von 35 nH an den Hauptanschlüssen.

Der NPC1: Vorteil dieser Anordnung von Transistoren und Dioden ist die Serienschaltung der IGBTs. Somit muss ein einzelner Schalter nur die Hälfte der vollen Zwischenkreisspannung blocken können. Zwei Transistoren in Serie ist es möglich, die ganze Zwischenkreisspannung zu blockieren. Die Spannungsklasse der IGBT ist demnach gleich der Hälfte des Zwischenkreises zuzüglich 200 V als Schutz gegen Überspannungen beim Schalten. Physikalisch bedingt weisen IGBTs mit geringerer Blockierspannung auch geringere Durchlass- und Schaltverluste auf, welches einen Vorteil für die Gesamtverluste darstellt. Nachteilig dagegen ist die Verwendung von vielen Transistoren, die ein- und ausgeschaltet werden müssen und somit die Schaltverluste dieser Topologie steigen lässt.

NPC2: Im Gegensatz zur NPC1-Topologie werden in dieser Anordnung weniger Komponenten verwendet und sie sieht Fuji Electrics RB-IGBT-Lösung schon sehr ähnlich. Allerdings werden im mittleren Zweig statt rückwärtssperrende IGBTs eine Kaskade aus IGBTs und Dioden verwendet. Durchaus von Vorteil an dieser Anordnung ist die Reduktion der Einschaltverluste aufgrund der Nutzung von nur zwei Schaltern im Hauptzweig (vgl. Bild 2 Schalter T1 und T2). Nachteilig ist dagegen, dass T1 und T2 die volle Zwischenkreisspannung blockieren müssen. Dies führt physikalisch zu höheren Durchlass- sowie Schaltverlusten. Verglichen mit der NPC1-Anordnung sind die Gesamtverluste niedriger und die Effizienz ist höher.

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