Moderne Ferritmaterialien für Photovoltaikanlagen Solarstrom fast verlustfrei wandeln

Bild 1: Solarwechselrichter benötigen mindestens zwei Leistungsdrosseln (orange unterlegt), eine im Aufwärtswandler und eine am Ausgang des Wechselrichters für die EMV-Filterung
Bild 1: Solarwechselrichter benötigen mindestens zwei Leistungsdrosseln (orange unterlegt), eine im Aufwärtswandler und eine am Ausgang des Wechselrichters für die EMV-Filterung

Auf dem zunehmend wettbewerbsintensiven Solarmarkt beeinträchtigen selbst Verluste von unter einem Prozent der Ausgangsleistung die Absatzchancen für eine Photovoltaikanlage. In der Folge spielt das Design von Drosseln und Übertragern für die Hersteller von Wechselrichtern eine immer größere Rolle. Verlustarme Kernmaterialien mit hoher Sättigungsflussdichte für die Drosseln und Übertrager können die Verluste in den Aufwärtsregel- und Glättungskreisen minimieren und damit den Umwandlungswirkungsgrad erhöhen.

Moderne Stromrichter und Wechselrichter (Inverter) für Photovoltaikanlagen besitzen mindestens zwei Drosseln, die für die Umrichtung des Stromes nötig sind. Eine Drossel wird für den Aufwärtswandler (Aufwärtsregelkreis) benötigt und zwei weitere am Ausgang zur EMV-Filterung oder Glättung (Bild 1). Um auf dem Markt wettbewerbsfähig zu sein, müssen moderne Inverter einen Wirkungsgrad von über 98% erzielen.

Neben den IGBTs haben die Verluste in den Drosseln einen entscheidenden Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad des Wechselrichters. Konventionelle Kernmaterialien verursachen Verluste in Höhe von ungefähr einem halben Prozent der Ausgangsleistung einer jeden Drossel. Bis vor kurzem wurden Verlustwerte in dieser Größenordnung als nicht signifikant betrachtet. Doch auf dem zunehmend wettbewerbsintensiven Solarmarkt beeinträchtigen solche Verluste die Absatzchancen für eine Photovoltaikanlage.

In der Folge spielt das Design von Drosseln und Übertragern für die Hersteller von Wechselrichtern eine immer größere Rolle. Wenn die Drosseln und Übertrager dazu beitragen sollen, den Wirkungsgrad von Wechselrichtern zu erhöhen, müssen sie eine sehr hohe magnetische Sättigungsflussdichte aufweisen. Diese muss so hoch sein, dass die Drosseln und Übertrager den Spitzenstrom von Wechselrichtern der Leistungsklasse von 3,3 kW bis 5,5 kW tolerieren.

Wechselrichter dieser Klasse sind in den Photovoltaikanlagen von Privathaushalten weit verbreitet. Zudem müssen die induktiven Bauelemente weitaus geringere Kernverluste aufweisen, als sie mit konventionellen Materialien wie Siliziumstahlblech oder »Sendust« (Fe Si 9,6 Al 5,4) erreichbar sind. Eine Lösung für diesen Anwendungsbereich präsentiert TDK-EPC mit dem Ferritmaterial »PE90«.

10 Prozent mehr Strom

Das neue Ferritmaterial PE90 stellt eine Weiterentwicklung des vorhandenen Produkts »PE22« mit hoher Sättigungsflussdichte dar. Beide Materialien wurden in einer Prototyp-Drossel mit den Abmessungen 109 mm × 55 mm × 115 mm getestet. Die angepassten Werte für den Luftspalt und die Induktivität von PE22 und PE90 waren etwa gleich hoch (1,1 mH). Der Spitzenwert des Stroms bei DC-Überlagerung, der durch die magnetische Sättigung bestimmt ist (Induktivitätsabnahme um 10 Prozent bei IDC von 0 A), wurde auf etwa 20 A angepasst.

Die DC-Überlagerungseigenschaften, die die Strombelast-barkeit von Drosseln und Übertragern entscheidend beeinflussen, sind ein wesentlicher Bemessungsfaktor. Während das Material PE22 mit hoher magnetischer Sättigungsflussdichte bei 19 A die magnetische Sättigung erreichte, hielt das neu entwickelte PE90 seine Drosselfunktion noch bis 21 A aufrecht. Dieser Wert liegt um etwa 10 Prozent über dem von PE22 (Bild 2).

Weiterhin lag die Kernverlustleistung des Materials PE90 bei +100 °C um 23 Prozent unter dem des PE22, was zu einem steileren Anstieg der magnetischen Flussdichte führt (Bild 3). Die Linearität der Hysterese-Nebenschleife wurde bis zur Sättigung aufrechterhalten. Mit anderen Worten: Das Material PE90 ist ein Leistungsferrit mit einer hohen magnetischen Sättigungsflussdichte BS und ein Material, das als verlustarm eingestuft werden darf. Daher ist es nun möglich, Drosseln mit weichen magnetischen Metallen gegen Drosseln gleicher Größe auszutauschen, die das Ferritmaterial PE90 verwenden.

Die Vorteile des Ferritmaterials PE90 zeigen sich auch, wenn man es mit konventionellen Materialien wie Siliziumstahlblech und Sendust vergleicht. Dazu wurde die Leistung der im Wechselrichter integrierten Drosseln auf Grundlage ihrer gesamten Eisen- und Kupferverluste bestimmt. Zum Einsatz kam wieder die Prototyp-Drossel mit den Abmessungen 109 mm × 55 mm × 115 mm.

Bei einer Simulation von Drosseln, wie sie im Glättungskreis von Wechselrichtern für 3-kW-Photovoltaikanlagen zum Einsatz kommen, wies PE90 eine Verlustleistung von 9,7 W auf. Das sind 33 Prozent weniger Verluste als eine Siliziumstahlblech-Drossel vergleichbarer Größe (14,4 W Verluste) und etwa 30 Prozent weniger Verluste als eine ähnlich große Sendust-Drossel (13,8 W).

Wechselrichter mit kleineren Drosseln

Die Mehrzahl der Wechselrichter, die einen Wirkungsgrad von mindestens 95% erreichen, setzt IGBTs ein, um die Schaltfrequenz hoch und die Verlustleistungen niedrig zu halten. Allerdings können diese IGBTs mit einer integrierten schnellen Soft-Recovery-Diode Schaltvorgänge bis ungefähr 30 kHz unterstützen, was den Frequenzbetriebsbereich von Drosseln mit Siliziumstahlblech und Sendust übersteigt.

Zudem bieten die neuesten IGBTs für Hochleistungsanwendungen wesentlich geringere Verlustleistungen und sind auch viel schneller, sodass sie den Einsatz von 30-kHz- bis 50-kHz-Steuerelementen ermöglichen, welche die Hochgeschwindigkeits-Schaltanforderungen der Wechselrichter erfüllen. Wenn alle installierten Drosseln, einschließlich derer für die Aufwärtsregelung, mit dem Ferritmaterial PE90 entworfen werden, lässt sich die Betriebsfrequenz von Wechselrichtern von den heute üblichen 15 kHz bis 20 kHz auf 30 kHz bis 35 kHz erhöhen.

Eine solche annähernde Verdoppelung des Betriebsfrequenzbereichs erschwert aber den Einsatz von Siliziumstahlblechen und Sendust. Selbst im höheren Frequenzbereich weist PE90 immer noch eine viel geringere Kernverlustleistung auf als Sendust bei 15 kHz bis 20 kHz. Während sich die Kupferverluste bei den höheren Frequenzen vergrößern, sinkt die benötigte magnetische Flussdichte, sodass die Kerngröße verringert werden kann. Aus diesem Grund ermöglicht der Einsatz von PE90 als Kernmaterial mit noch kleineren Drosseln die Entwicklung von Wechselrichtern mit noch höheren Wirkungsgraden.

Eigenschaft
Wert
Anfangspermeabilität [1]
2200 kW/m3 ± 25 % (bei +23 °C)
Kernverlustleistung PCV [2] 
60 kW/m3 (bei +90 °C)
 68 kW/m3 (bei +100 °C)
Sättigungsflussdichte BS[3]
530 mT (bei +23 °C)
 430 mT (bei +100 °C)
Remanenzflussdichte BR [3]
170 mT (bei +23 °C)
Intrinsische Koerzitivkraft HC[3]
13 A/m (bei +23 °C)
Curie-Temperatur TC
 +250 °C (min.)
Spezifischer elektrischer Widerstand
6,0  Ω m
Fülldichte dapp
4,9 103 kg/m3
thermischer Ausdehnungskoeffizient
12 10-61/K
thermische Leitfähigkeit κ5 W/(m K)
spezifische Wärme CP
600 J/kg K
Biegefestigkeit δb3
9 107 N/m2
Young-Modul E
1,2 1011 N/m2
magnetostriktive Konstante λS
-0,6 10-6
Tabelle 1: Eigenschaften des Ferritmaterials TDK PE90 ([1] bei 1 kHz, 0,4 A/m; [2] bei 25 kHz, 200 mT; [3] bei 1194 A/m)