APEC 2017 Kolar enthüllt seinen Beitrag zur Google Little Box Challenge

Prof. Johann Kolar von der ETH Zürich stellt auf APEC 2017 der seinen Beitrag zur Google Little Box Challenge vor.
Prof. Johann Kolar von der ETH Zürich stellt auf APEC 2017 der seinen Beitrag zur Google Little Box Challenge vor.

Die Google Little Box Challenge elektrisierte Leistungselektroniker aus aller Welt im letzten Jahr. Wer könnte den kleinsten 2-kW-Solarumrichter bauen? Auf der APEC 2017 gewährte Prof. Johann Kolar und sein Team von der ETH Zürich einen Einblick in ihren Entwurf, der es bis ins Finale schaffte.

Bevor Prof. Kolar uns unter die Haube seiner »Maschine« und die einiger Mitfinalisten blicken ließ, zeigte er kurz die Anforderungen des Wettbewerbs auf: Es war ein 2-kW-Solarumrichter aufzubauen mit einer Leistungsdichte von über 3 kW pro Liter und einem gewichteten Wirkungsgrad von über 95 %. Darüber hinaus sollte er die Gehäusetemperatur von +60 °C nicht überschreiten und die EMV-Richtlinie FCC Part 15 B einhalten. Interessanterweise waren zehn der 15 Finalisten – darunter auch der spätere Sieger – aus Europa, allein vier aus dem deutschsprachigen Raum!

Als besonders herausfordernd erwies sich der Eingangsteil, denn Google schrieb vor, dass die DC-Quelle einen Innenwiderstand von 10 Ω hat. Dadurch war eingangsseitig ein gewisser Energiespeicher vorzusehen. Der erste Gedanke: Elektrolytkondensatoren! Aber die sind nicht wirklich klein. Außerdem trocknen sie aus. Gibt es da vielleicht eine bessere und vor allem kompaktere Lösung? Nach einigem Herumprobieren mit verschiedenen Topologien entschied sich das Team für einen »Full Active Power Pulsation Buffer«.

Nun ging es darum, den Hauptumrichter zu entwerfen. Das Rennen bei den Forschern der ETH Zürich machte ein Zero-Voltage-Switching-Umrichter mit TCM-Ansteuerung (Triangle Current Mode) und 4D-Interleaving. Dabei werden bis zu zwei Brückenzweige pro Phase ineinander verschachtelt angesteuert, sodass bei kleiner Leistung nur ein Brückenzweig pro Phase moduliert wird. Steigt die Leistung über ein gewisses Level, wird die Last auf zwei parallele Brückenzweige verteilt. Die Schaltfrequenz variierte wegen der TCM-Ansteuerung naturgemäß, in diesem Fall zwischen 250 kHz und 1 MHz.

Im Anschluss gewährte ein Mitarbeiter von Prof. Kolar, Dominik Neumayr, einen Einblick in die Auswahl der Komponenten und die Ansteuerschaltung für die GaN-Schalter von Infineon (in Lizenz von Panasonic). Gerade die Spulen erwiesen sich als schwer zu beherrschende Bauteile, die Verluste waren um das Siebenfache höher als erwartet. Warum das so ist, ist derzeit Gegenstand der Untersuchung. Weitere wichtige Elemente waren das thermische Management und die Nullstrom-Erkennung. Bei den Kondensatoren für den aktiven Energiepuffer machten die CeraLinks von TDK das Rennen gegenüber keramischen X6S-Kondensatoren, nicht weil sie weniger Verluste hätten, sondern weil sie in einem mechanisch stabilen, gut zu handhabenden Pack bereits vorlagen. Bei den MLCCs hätte das Team die vielleicht hundert Kondensatoren händisch zusammenlöten müssen.

Prof. Kolar machte dann weiter mit dem mechanischen Aufbau, wie die Einzelbaugruppen ineinander verschachtelt worden sind. Auch da sieht er noch Verbesserungspotenzial, denn die mehreren Platinen mit den jeweiligen Baugruppen ließen sich noch mehr konsolidieren, aber da war keine Zeit mehr dafür.

Einige interessante Punkte besprach Prof. Kolar anschließend, als er verschiedene Finalistensysteme miteinander verglich. So waren nicht alle mit GaN-Schaltern unterwegs, jeweils zwei Teams nutzen Siliziumkarbid und Silizium. Also selbst mit Silizium lassen sich so hohe Leistungsdichten erreichen. Einen Finalisten, den Kolar hervorhob, ist das System von Robert Pilawa (ECE Illinois). Dieses nutzt einen siebenstufigen Flying-Capacitor-Umrichter mit Niederspannungs-GaN-Schaltern (100 V), aber extrem komplex anzusteuern. Das unterstützt die Aussage von Prof. Lorenz, dass Multilevel-Topologien auch für niedrigere Spannungen interessant sind.

Dass es auch recht einfach geht, zeigte ein Team vom Fraunhofer IISB. Sie nutzten eine bewährte, einfache Topologie mit 900-V-SiC-MOSFETs bei 140 kHz. Auch das ist ein klares Indiz dafür, dass man mit einfachen Topologien und recht moderaten Schaltfrequenzen hohe Leistungsdichten erreichen kann. Voraussetzung ist aber ein sehr durchdachtes Design. Es gibt in der Physik nichts umsonst!

Mit einem Ausblick darauf, wo es beim eigenen Design noch Verbesserungspotenzial gibt, und was sie aus den anderen Entwürfen gelernt haben, schloss Prof. Kolar die dreistündige »Motorinspektion«.