Kondensatoren für die Photovoltaik
Solarwechselrichter auf Effizienz trimmen
Beim Schaltungsdesign für Solarwechselrichter sollten Entwickler darauf achten, dieses so auszulegen, dass die Geräte stets effizient und zuverlässig arbeiten können. Die metallisierten PP- und die Polymer-Aluminium-Kondensatoren OS-CON von Panasonic bieten hierbei optimale Unterstützung.
Ein Solarwechselrichter, auch PV-Wechselrichter genannt, wandelt Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) um und kommt vorwiegend in photovoltaischen Stromerzeugungssystemen zum Einsatz. Die heute verfügbaren Solarwechselrichter sind in drei Typen unterteilt:
- Zentralwechselrichter werden hauptsächlich in groß angelegten Bodenstromstationen eingesetzt und eignen sich für den Anschluss an Hochspannungsnetze. Der Leistungsbereich liegt normalerweise zwischen 100 kW und 2.500 kW.
- Stringwechselrichter, auch als verteilte Wechselrichter bekannt, sind die am häufigsten verwendeten und finden hauptsächlich in industriellen, kommerziellen und Wohngebieten Verwendung. Kraftwerke, die Stringwechselrichter verwenden, sind im Allgemeinen nicht sehr groß und werden durch Voll- oder Überschussnetzanschluss in das nationale Versorgungsnetz integriert. Der Leistungsbereich liegt normalerweise bis zu 200 kW.
- Mikrowechselrichter kommen vorwiegend für die direkte Integration auf Batterieplatinen zum Einsatz, die für kleine Haushaltskraftwerke geeignet sind.
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Prinzip und Einsatz von Folienkondensatoren
Ganz gleich, welche Art von Solarwechselrichter für die Photovoltaik-Anlage gefordert ist – die wichtigsten Anforderungen sind hohe Effizienz, große Zuverlässigkeit und eine Eingangsspannung mit einem weiten Bereich von Kapazitätswerten. Diese Kombination an Anforderungen ist der Grund, warum die metallisierten PP-Folienkondensatoren von Panasonic im Schaltungsentwurf eines Solarwechselrichters eine große Rolle spielen. Denn sie weisen eine hohe Stromtragfähigkeit, große Zuverlässigkeit und optimale Sicherheitsleistung auf. Die Kondensatoren werden für Eingangs- und Ausgangsfilterung, EMI-Unterdrückung sowie für Snubber- und Gleichstromverbindungsschaltungen verwendet.
Auf der Eingangsseite des primären Gleichstromfilters (Position 1 in Bild 1) sowie für die Gleichstromverbindungsschaltung (Position 5 in Bild 1) bieten DC-bewertete Folienkondensatoren eine Gleichstromfilterung. Bauteile mit Spannungsbewertungen von bis zu 1.300 V (DC) und einem weiten Kapazitätsbereich von bis zu 110 μF sind als ein einzelnes Bauteil erhältlich; es sind sowohl 2-polige als auch 4-polige Terminallösungen verfügbar.
Auf der Eingangsseite der DC/DC-Wandler-Schaltung sowie in Snubber-Schaltungen (Position 2 und 4 in Bild 1) sind DC-bewertete Folienkondensatoren der ECWFD-, ECWFE- und ECWFG-Serie optimal zur Glättung geeignet.
Die Kondensatoren dieser Serien gibt es in Nennspannungswerten von 450 V (DC) bis 1.100 V (DC); der Kapazitätsbereich erstreckt sich von 0,01 μF bis 12 μF. Eine integrierte Sicherungsfunktion sorgt für eine sehr gute Zuverlässigkeit. Mit ihren Frequenzeigenschaften und der hohen Ripplestromkapazität optimieren die drei genannten Folienkondensatorserien den Hochspannungskreis eines Solarwechselrichters.
AC-bewertete EZPQ-Serien-Folienkondensatoren mit einem höheren Nennspannungsbereich von 250 V (AC) bis 600 V (AC) bietet Panasonic ebenfalls an, ebenso wie Bauteile nach AEC-Q200. Diese Kondensatoren kommen als Ausgangsfilter zum Einsatz.
Da Solarwechselrichter meist im Freien beziehungsweise unter feuchten Bedingungen betrieben werden, hat Panasonic eine spezielle Gehäuseabdichtungstechnik (100-prozentige Aluminium-Verdampfungsprozesse) entwickelt (Bild 2), die Folienkondensatoren sehr feuchtigkeitsbeständig macht – damit die Solarwechselrichter stets zuverlässig funktionieren.
Die »Patterned Metallization« (Bild 3) gewährleistet über die gesamte Lebensdauer des Kondensators hinweg ein sehr stabiles Kapazitätsniveau – und damit eine hohe Zuverlässigkeit in der Anwendung. Diese »Patterns« (Musterstrukturen) dienen als Sicherungsmechanismus, der fatale Kurzschlussfehlermodi verhindert.
Platz sparen mit Polymer-Aluminium-Kondensatoren
Solarmodule sind in der Regel in Serie mit dem Leistungswandler verbunden – daher wirkt sich Schatten auf einem der Module auf die gesamte Leistung aus. Mittlerweile ist aber für jedes Modul ein Mikrowechselrichter verbaut, sodass Schatten auf einem der Module nicht die gesamte Leistung beeinträchtigt. Diese Mikrowechselrichter müssen langlebig sein, Platz sparen und kosteneffizient sein. Die leitfähigen Polymer-Aluminium-Kondensatoren OS-CON von Panasonic erfüllen diese Anforderungen.
Ein Kondensator dieser Serie kann mehrere MLCCs in einem Mikrowechselrichter ersetzen (Bild 4) und die Leiterplattenfläche um 31 Prozent reduzieren. Im Gegensatz zu MLCCs, die durch Gleichspannungsverzerrungen ihre Kapazität verringern, bleibt die Kapazität bei der Verwendung von OS-CON-Bauteilen erhalten.
Auch Aluminium-Elektrolytkondensatoren können durch diese Kondensatoren ersetzt werden, was die Lebensdauer des Mikrowechselrichters erhöht. Denn OS-CON-Bauteile haben eine Lebensdauer von bis zu zehn Jahren, was die Lebensdauer von Elektrolytkondensatoren deutlich übersteigt. Zudem sparen die OS-CON-Kondensatoren Platz ein. So lassen sich zum Beispiel mit der Verwendung von zwei OS-CONs drei Elektrolytkondensatoren ersetzen.
Der Autor
Shahrokh Kananizadeh
ist Senior Product Manager für Kondensatoren bei Panasonic Industry Europe.
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