Hybrides ANPC-Modulkonzept SiC-MOSFET trifft IGBT

Um die hohen Anforderungen an das Wechselrichterdesign zu erfüllen, ist das SiC-MOSFETs mit IGBTs zu kombinieren.
Um die hohen Anforderungen an das Wechselrichterdesign zu erfüllen, ist das SiC-MOSFETs mit IGBTs zu kombinieren.

Die neue Generation 1500-V-Photovoltaikanlagen und Energiespeicher stellt hohe Anforderungen an das Wechselrichterdesign. Um diese zu erfüllen, lohnt es sich, SiC-MOSFETs mit IGBTs zu kombinieren. Dabei setzt Infineon Technologies auf die ANPC-Topologie.

Während der vergangenen zehn Jahren durchliefen Photovoltaik-Systeme eine steile Wachstumskurve. Besonders die große Nachfrage und technische Entwicklungen haben eine große Auswirkung auf das steigende Wachstum, da sie unter anderem zur Reduzierung der Stromgestehungskosten führen. Außerdem wechseln viele Anlagen im Kraftwerksmaßstab zu einer DC-Systemspannung von 1500 statt 1000 V, um Kabel- und Installationskosten zu reduzieren und die Systemleistungsdichte durch höhere DC- und AC-Spannungen zu erhöhen. Für Systeme im Kraftwerksmaßstab werden außerdem verstärkt dezentralisierte Hochleistungs-String-Wechselrichter mit bis zu 200 kW pro Einheit eingesetzt. Sie ermöglichen ein flexibleres Design und geringere Wartungskosten. Auch Energiespeichersysteme, die mit DC-Spannungen bis zu 1500 V arbeiten, sind immer häufiger anzutreffen.

Im Hinblick auf die Schaltgeschwindigkeit und Robustheit gegenüber kosmischer Strahlung weisen die CoolSiC-MOSFET-Leistungshalbleiter von Infineon einige Vorteile auf. Kombiniert mit kostenoptimierten Si-Bausteinen können sie eingesetzt werden, um die Schaltfrequenz zu erhöhen. Außerdem sind die gesamten Verluste geringer, und relevante kritische Komponenten wie Filter oder Kühlkörper lassen sich minimieren.

Topologie und Modulation

Zur Implementierung von 1500-V-DC-String-Wechselrichtern ist die NPC1-Topologie mit 1200-V-IGBTs heute ein häufig verwendeter Ansatz. Eine Alternative zur NPC1-Topologie ist die ANPC-(Active Neutral Point Clamped)-Topologie, die mit zwei zusätzlichen aktiven Schaltelementen im Neutralleiter weitere Freiheitsgrade und Vorteile bietet. Sie wurde allerdings bislang hauptsächlich im Bereich sehr hoher Leistungen mit IGBT- oder IGCT-Komponenten eingesetzt (Bild 1).T6

In diesem Beitrag wird eine spezielle Adaptation der ANPC-Topologie vorgestellt, mit der die Vorteile des CoolSiC-MOSFETs in Kombination mit Si-basierten IGBT-Bauelementen optimal genutzt werden. Bild 1a zeigt eine Phase der ANPC-Topologie. Für die Schalter T1 bis T4 werden Si-basierte IGBTs mit zugehörigen Freilauf-Si-Dioden (FWD) genutzt. Dagegen werden für T5 und T6 CoolSiC-MOSFETs mit internen Body-Dioden implementiert. Im hier verwendeten Modulationsverfahren nach Bild 1b dienen die IGBTs zum Polaritätswechsel der Grundschwingung der Ausgangsspannung und werden mit der Netzfrequenz – 50 oder 60 Hz – geschaltet. Aus diesem Grund sollten IGBTs mit niedrigsten Durchlassverlusten zum Einsatz kommen, wie zum Beispiel die neuen Trenchstop IGBT7 1200-V-IGBTs, da diese einen VCEsat-Wert von 1,64 V, bei ICnom = 125 °C aufweisen.

Die Einschaltdauer D des schnell schaltenden Elements T5 lässt sich wie folgt ausdrücken:

Hierbei ist Vgrid der Effektivwert der Phasenspannung des Netzes, VDC die DC-Zwischenkreisspannung, und m der Modulationsindex. Die Schaltsignale von T6 (DT6) verlaufen komplementär zu T5. Abhängig von den Eigenschaften der Gate-Treiberstufe kann eine sehr kurze Totzeit von 100 bis 200 ns eingefügt werden.

 

D subscript T 6 end subscript equals left parenthesis 1 minus D subscript T 5 end subscript right parenthesis space space space space space space space left parenthesis 2 right parenthesis

Analyse der Leistungsverluste der SiC-MOSFETs

Die statische Verlustleistung des CoolSiC-MOSFETs ist eine Funktion des Einschaltwiderstandes RDS,on, des Netzstroms igrid , dessen Phasenwinkel φ und des Duty-Cycles (1). Aus Symmetriegründen werden hier nur die Verluste für T5 betrachtet:

P subscript C subscript T 5 end subscript end subscript left parenthesis t right parenthesis equals R subscript D S comma o n end subscript times I subscript g r i d end subscript left parenthesis t right parenthesis squared times D subscript t 5 end subscript left parenthesis t right parenthesis space space space space space space space space space space left parenthesis 3 right parenthesis


I subscript g r i d end subscript space left parenthesis t comma phi right parenthesis equals square root of 2 times I subscript g r i d end subscript times sin left parenthesis psi t plus phi right parenthesis space space space space space space space space left parenthesis 4 right parenthesis

Bei der Berechnung des Mittelwerts mit Hilfe von Gleichung 3 zeigt sich, dass die Verlustleistung der CoolSiC-MOSFETs weder vom Phasenwinkel, noch vom Modulationsindex abhängt.

Bild 2 zeigt das Ergebnis der Gleichung 3 normalisiert auf 2 × Igrid2 × RDSon, mit m und φ als Parameter. Hieraus ergibt sich, dass der Mittelwert über eine Zeitperiode stets konstant bleibt (0,25). Unter Vernachlässigung der dynamischen Verluste der Body-Diode ist die Berechnung identisch zu der einer 2-Level-Topologie, jedoch nur mit der Hälfte der anliegenden DC-Zwischenkreisspannung. Unter Annahme einer linearen Abhängigkeit zwischen den Schaltenergien Esw, des Drainstroms ID und der DC-Zwischenkreisspannung lassen sich die gesamten Schaltverluste wie folgt angenähert bestimmen:

P subscript s w end subscript equals f subscript s w end subscript over straight pi E subscript s w end subscript open parentheses I subscript D o n o m comma end subscript V subscript D n o m end subscript close parentheses fraction numerator square root of 2 I subscript g r i d end subscript over denominator I subscript D n o m end subscript end fraction space fraction numerator V subscript D C end subscript over denominator 2 V subscript D n o m end subscript end fraction space space space space space space left parenthesis 5 right parenthesis

Ein Vorteil des hier vorgeschlagenen Modulationsverfahrens in Verbindung mit der ANPC-Topologie ist, dass die Verlustleistung nahezu unabhängig vom Phasenwinkel und Modulationswinkel ist. Ein Derating des Stroms der CoolSiC-MOSFETs-Bauelemente ist daher nicht nötig. Dadurch ist der Einsatz unter anderem für Anlagen mit Blindleistungskompensation geeignet, etwa in Regionen mit instabiler Netzversorgung. Besonders für große PV-Anlagen ist das eine immer wichtigere Betriebsbedingung. Zusätzlich kann dieselbe Hardware-Plattform für die Solarstromerzeugung wie auch für Energiespeicher-Applikationen verwendet werden.

 

Analyse der Leistungsverluste von IGBTs und FWDs

Weil die IGBTs mit der Netzfrequenz geschaltet werden, erzeugen sie im Wesentlichen statische Verluste. Allerdings können auch geringe passive Schaltverluste auftreten, wie etwa bei dem sogenannten »Forward-Recovery-Effect«. Wegen der Symmetrie werden hier nur die Verluste für T1, T3 und D1, D3 angegeben. Die Durchlassverluste lassen sich wie folgt berechnen:

 

In Bild 3 werden die Durchlassverluste berechnet und als Summe von T1 und T3 normiert dargestellt.

Das zeigt, dass sich die Verluste in Abhängigkeit des Phasenwinkels vom IGBT in Richtung FWD verlagern. Für den typischen Betrieb eines Solarinverters mit einem cos φ = 0,8 sind die Verluste in der FWD sehr viel geringer. Darum kann, im Vergleich zum IGBT, eine kleiner dimensionierte Diode eingesetzt werden. Wenn allerdings Speicheranwendungen mit cos φ = -1 adressiert werden sollen, sind die FWD-Verluste am höchsten. Aus diesem Grund sollten die Dioden entsprechend dimensioniert werden.