Wie SiC-Halbleiter die Effizienz von PV-Anlagen verbessern können

| Autor / Redakteur: Jonathan Dodge* / Gerd Kucera

Für die Photovoltaik bieten sich Siliziumkarbid-Schalter in neuen Designs als Ersatz für IGBTs an.
Für die Photovoltaik bieten sich Siliziumkarbid-Schalter in neuen Designs als Ersatz für IGBTs an. (Bild: gemeinfrei / Pixabay)

Der Autor skizziert, wie sich zum Entwurf eines Photovoltaik-Wechselrichters die Vorzüge von SiC bestmöglich nutzen lassen. Er gibt Tipps zur Topologie-Auswahl und analysiert dazu die Verlustleistungen.

Dreiphasige Wechselrichter für die Photovoltaik erweisen sich in Sachen Schaltfrequenz den herkömmlichen, zweiphasigen Wechselrichtern als leicht überlegen. Der besondere Vorteil einer dreiphasigen Topologie ist, dass je nach Modulstrategie die Schwankungen der Gleichtaktspannung eliminiert werden; in Systemen ohne Transformator ist das unerlässlich.

Wechselrichter müssen Energieeffizienz-Spezifikationen erfüllen – auch um konkurrenzfähig zu sein. Das ist besonders beim Aufbau mit 1200-V-IGBTs eine große Herausforderung: Von der Dicke der Stromschienen bis hin zum Material des Drosselspulenkerns ist alles bis ins kleinste Detail abzuwägen. Doch wozu dient der Aufwand, den Wirkungsgrad eines Wechselrichters zu optimieren, wenn die Umwandlungsleistung des Solarpanels mit den heute möglichen Mitteln bestenfalls bei 26,6% und im praktischen Einsatz sogar nur zwischen 17% und 21% [1] liegt. Eine sorgfältig ausgelegte Mechanik mit Ziel, die Verschattung der Solarzellen zu minimieren und möglichst jedes Photon einzufangen, birgt ein gewisses Verbesserungspotenzial. Warum also verwendet man nicht lieber günstigere Wechselrichter mit einem etwas niedrigeren Wirkungsgrad?

Dazu lassen sich zwei Aspekte nennen. Der Wechselrichter ist zum einen fester Bestandteil einer langfristig (über 20 Jahre) ausgelegten Photovoltaik-Installation, mit der elektrische Energie gewinnbringend verkauft werden soll. Wie schnell die Energieerzeugung aus fossilen Brennstoffen oder anderen nicht wünschenswerten Quellen durch erneuerbare Energien ersetzt wird, hängt in hohem Maße auch von der staatlichen Förderung ab. In jedem Fall sollte sich die Investition in eine PV-Anlage schnellstmöglich auszahlen. Neben den Kosten des Wechselrichters, die sich nach dessen Wirkungsgrad richten, fallen auch die Kosten für Grundstück, Panels, Verkabelung, Combiner-Boxen (Anschlusstechnik) und Arbeit nicht nur für die Installation, sondern auch die Wartung ins Gewicht. Im Sinne der Rentabilität sind hier die Auswahl der richtigen Panels (Art und Anzahl), der Wirkungsgrad und nicht zuletzt die Zuverlässigkeit des Wechselrichters die wesentlichen Ansatzpunkte.

Zum anderen muss die durch Verlustleistung erzeugte Verlustwärme auch abgeführt werden. Würde der Wirkungsgrad eines 500-kVA-Wechselrichtersystems beispielsweise um 1% steigen, ist das gleichbedeutend mit dem Ausschalten von fünf 1-kW-Heizgeräten in einem Schaltschrank. In der Leistungselektronik ist dreht sich alles um Abwärme – sie ist eine nicht nutzbare Wärme und damit unerwünscht. Wenn weniger Verlustwärme durch höheren Wirkungsgrad abgeführt werden muss, sinken die Kosten für Kühlkörper und gleichzeitig steigt die Zuverlässigkeit. Doch ein höherer Wirkungsgrad bedeutet steigende Kosten für Anzahl und Typ der Leistungshalbleiter.

Ein Vorteil von Leistungshalbleitern aus Siliziumkarbid liegt in den zwei Größenordnungen niedrigeren Leistungsverlusten im Vergleich zu MOSFETs aus Silizium und zum anderen in den höheren möglichen Schaltgeschwindigkeiten verglichen mit IGBTs. Durch höhere Schaltfrequenzen lassen sich kleinere und günstigere magnetischen Bauteile sowie Kondensatoren einsetzen; das spart Kosten auf Systemebene und kompensiert Ausgaben für die derzeit noch teureren SiC-Bauteile. Die erhöhte Schaltfrequenz, ein weiterer Vorteil, liegt außerdem oberhalb des hörbaren Bereichs.

Gängige Wechselrichter-Topologien

In einer gängigen Solarwechselrichter-Topologie, die ein dreiphasiges 400-VAC-Stromnetz speist (eine in Europa typische Installation), kommen IGBTs in TNPC-Anordnung (Transistor Neutral Point Clamped) zum Einsatz (Bild 1). Ein DC-Link mit 600 bis 800 VDC wird nach Bedarf über die Spannung aus den Solarpanels angetrieben. Beim Schalten im hörbaren Bereich (15 kHz oder darunter) wird ein Spitzenwirkungsgrad von 98% erzielt. Inklusive Booster gibt es beim Einsatz von IGBTs 13 Schaltpositionen, sechs bei 600 V und sieben bei 1200 V. Je IGBT ist eine parallel geschaltete schnelle Diode erforderlich (gegebenenfalls mit Ausnahme des Boosters). Für den Einsatz im Niederfrequenzbereich werden große und schwere Drosselspulen verwendet, um magnetische Sättigung zu vermeiden. Bei höherer Betriebsfrequenz könnten diese zwar proportional kleiner ausgelegt sein, doch würden dann die Schaltverluste des IGBTs schnell ein nicht akzeptables Niveau erreichen.

Um die Komplexität zu senken, könnten die IGBTs Q1-6 (Bild 1) entfallen. Dadurch würde sich jedoch der magnetische Fluss in den Ausgangsspulen L2, L3 und L4 verdoppeln, sodass diese wiederum erheblich größer dimensioniert werden müssten.

Bild 1: In einer gängigen Solarwechselrichter-Topologie, die ein dreiphasiges 400-VAC-Stromnetz speist, kommen IGBTs in TNPC-Anordnung (Transistor Neutral Point Clamped) zum Einsatz.
Bild 1: In einer gängigen Solarwechselrichter-Topologie, die ein dreiphasiges 400-VAC-Stromnetz speist, kommen IGBTs in TNPC-Anordnung (Transistor Neutral Point Clamped) zum Einsatz. (Bild: UnitedSiC)

Vorzüge von SiC und die Topologie-Auswahl

Siliziumkarbid-Schalter bieten sich in neuen Designs als Ersatz für IGBTs an. Sie haben geringere Schalt- und statische Verluste und eignen sich für höhere Frequenzbereiche; passive Bauteile könnten dann kleiner dimensioniert werden. Eine einfache Lösung ließe sich mithilfe von SiC-Kaskoden-Devices [2] in einem zweiphasigen Wechselrichter umsetzen (Bild 2). Diese Hybriden aus SiC-JFETs und herkömmlichen Si-MOSFETs haben eine flexible Ansteuerung und eine schnelle intrinsische Diode mit geringer Durchlassspannung. Die Schaltfrequenz kann auf bis zu 50 kHz oder mehr erhöht werden; in den magnetischen Komponenten entsteht nur ein geringer magnetischer Fluss, zudem wird kein Klemmtransistor benötigt – man erhält eine Brückenschaltung. Zwar ist der Schaltverlust in der Brückenschaltung doppelt so hoch, doch die Verlustleistung des Klemmtransistors wird eliminiert.

Bild 2: Eine einfache Lösung ließe sich mithilfe von SiC-Kaskoden in einem zweiphasigen Wechselrichter umsetzen.
Bild 2: Eine einfache Lösung ließe sich mithilfe von SiC-Kaskoden in einem zweiphasigen Wechselrichter umsetzen. (Bild: UnitedSiC)

Die Gesamtverlustleistung und Schaltfrequenz beeinflussen sich also gegenseitig. Verglichen mit Zweiphasen-Topologien ist in TNPC-Topologien das Crossover der Schaltfrequenz mit etwa 100 kHz für SiC-Devices sehr hoch; in einer TNPC-Topologie hat die Schaltfrequenz keinen so großen Einfluss auf den Wirkungsgrad. Hier gibt es sechs Schalter und 13 Dioden weniger als bei der IGBT-Lösung. Die magnetischen Bauteile lassen sich so spezifizieren, dass die Leistungsaufnahme optimiert wird und sich Kosten einsparen lassen, da weniger Bauteile benötigt werden.

Bei transformatorlosen Solarwechselrichter-Systemen mit nicht geerdeten Panels (dies ist häufig der Fall) kann es vorkommen, dass in der zweistufigen Topologie Gleichtaktstörungen im Hochfrequenz- und Hochspannungsbereich über den DC-Link in das gesamte Solarpanel-Array übertragen werden. Dies ist natürlich nicht akzeptabel und ließe sich z.B. durch einen vierten Wechselrichter-Anschluss vermeiden; trotz zusätzlicher Hardware wird jedoch der Wirkungsgrad dadurch nicht optimiert. Man könnte auch einen Netzfrequenz-Trenntransformator hinzufügen – und damit auch unerwünschtes Gewicht und Kosten. Auch ein isolierter Aufwärtswandler ist denkbar, oder man greift doch auf einen dreiphasigen Wechselrichter zurück. Die kostengünstigere Lösung findet sich letztlich in der in Bild 1 dargestellten Topologie: Die IGBTs und antiparallel geschalteten Dioden werden durch UnitedSiC-Kaskoden ersetzt und der TNPC-Wechselrichter so konfiguriert, dass er Gleichspannungsschwingungen eliminiert.

Die beste Wahl ist oft ein Kompromiss

In der Dreiphasen-Wechselrichter-Topologie werden Schaltverluste halbiert (da 50% der Spannung geschaltet wird); davon profitieren SiC-Devices zwar nicht so stark wie IGBT-Schalter mit ihren hohen Schaltverlusten, aber immerhin zu einem gewissen Grad. Bei Verwendung von SiC-Devices bieten sie jedoch den wesentlichen Vorteil, dass Gleichtaktstörungen beseitigt werden. Aufgrund der geringeren Verluste einer SiC-Lösung können Bauteile mit erheblich kleineren Abmessungen und weniger Gewicht bei gleichen oder niedrigeren Kosten auf Systemebene eingesetzt werden – eine äußerst geringe Aufwendung, denn der Schaltverlust eines SiC-Devices beträgt bei IGBT-Schaltfrequenz nur einen Bruchteil der Gesamtverlustleistung. Häufig lässt sich die Schaltfrequenz verdoppeln, ohne dass der Gesamtwirkungsgrad merklich beeinträchtigt wird. Dies wirkt sich in hohem Maße auf die passiven Bauteile und Kühlkörper aus – Größe, Gewicht und Installationskosten des Gesamtsystems schrumpfen maßgeblich.

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Quellennachweise

[1] https://cleantechnica.com/2017/08/15/efficient-will-solar-pv-future-10-year-predictions-industry/

[2] http://unitedsic.com/cascodes/

* Jonathan Dodge ist Senior Applications Engineer bei UnitedSiC.

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