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Wirkungsgrad und Ökologie

Effizientere Leistungswandler dank SiC-Transistoren

8. November 2021, 12:23 Uhr | Von Francesco Saya, Marketing Development Engineer, und Rosario Attanasio, Application Engineering Manager, beide STMicroelectronics

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Wechselrichter als zweites Beispiel

Als weiteres Beispiel ist in Bild 5 eine Halbbrücken-Wechselrichtertopologie zu sehen. Auch in unterbrechungsfreien Stromversorgungen und im Bereich der erneuerbaren Energien werden SiC-MOSFETs häufig anstelle von Silizium-Transistoren eingesetzt. Auch hier sind die wichtigsten Vorteile der höhere erreichbare Wirkungsgrad, die gesteigerte Leistungsdichte und die höhere Betriebstemperatur.

In erster Linie spielt die Eignung von SiC-MOSFETs für höhere Schaltfrequenzen eine Rolle, was die Verwendung kleinerer passiver Bauelemente gestattet und damit in kompakteren Produkten und reduzierten Schaltungskosten resultiert. Dies ist ein großer Pluspunkt für Wechselrichter-Anwendungen, in denen ein LC- oder LCL-Filter am Ausgang erforderlich ist, um die Oberschwingungen der von der Schaltstufe erzeugten Spannung auszufiltern. Ein solcher Filter kann sehr groß und kostspielig werden, wenn er eine niedrige Schaltfrequenz herauszufiltern hat.

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In der Topologie aus Bild 5 dienen zwei SiC-MOSFETs und zwei Kondensatoren zum Aufteilen der Spannung im Gleichspannungskreis. Der LC-Filter am Ausgang befindet sich zwischen dem Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren und dem Mittelpunkt des Schaltzweigs. Beide Schalter werden in der Regel per SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation) angesteuert, wobei die Schaltfrequenz zur Vermeidung hoher Schaltverluste unter 150 kHz gehalten wird, obwohl die SiC-MOSFETs grundsätzlich für höhere Frequenzen geeignet wären.

Weiter vermindern lassen sich die Schaltverluste durch sanftes Schalten – wenn auch auf Kosten eines größeren Bauteileaufwands, der die Kosten und die Abmessungen des Wandlers in die Höhe treibt.

Bild 6 zeigt ein Beispiel für eine solche Implementierung. Es handelt sich um einen Halbbrücken-Wechselrichter mit 2 kW Leistung, der aus 400 V Gleichspannung gespeist wird und eine Ausgangsspannung von 120 V rms erzeugt. Die beiden SiC-MOSFETs sind vom Typ STGW90N65G2V im HiP247-Gehäuse und werden von zwei Hochspannungs-Halbbrücken-Gate-Treibern angesteuert, die für Quellen- und Senkenströme bis zu 4 A ausgelegt sind. Der hierfür ausgewählte Gate-Treiber L6491D gibt eine Treiberspannung von +18 V/0 V an die Gates der beiden SiC-MOSFETs ab. Das Filter besteht aus einer Induktivität mit 250 µH und einem Kunststoff-Folienkondensator mit 470 nF.

In Tabelle 3 sind die Ergebnisse der Tests des Wechselrichters bei Schaltfrequenzen von 35 kHz, 70 kHz und 140 kHz zusammengefasst, einschließlich der Verluste im Ausgangsfilter, in der Stromversorgung und in der Verkabelung.

Die Verluste in den SiC-MOSFETs wurden basierend auf der Annahme berechnet, dass der Wechselrichter mit einer Leistung von 2 kW und an einer Last mit dem Leistungsfaktor 0,85 betrieben wird. In Bild 4 sind die MOSFET-Verluste für drei verschiedene Schaltfrequenzen aufgeschlüsselt. Wie man sieht, bietet eine Frequenz von 70 kHz den besten Kompromiss zwischen der Höhe der Verluste und der potenziellen Größenreduzierung der induktiven Bauelemente.

Eine Besonderheit ist ferner die Möglichkeit zur weiteren Optimierung des Wirkungsgrads mithilfe positiver und negativer Treiberspannungen von +20 V und –4 V. In diesem Fall verbessern sich die Effizienzwerte im Durchschnitt um 0,2 Prozent (bei 15 bis 100 Prozent Ausgangsleistung).

In Bild 7 sind die Gehäusetemperaturen der beiden in diesem Anwendungsbeispiel betrachteten Ansteuerkonzepte dargestellt.

Dabei arbeitet der Wechselrichter bei Zimmertemperatur mit seiner Nennlast (Leistungsfaktor: 0,85) und einer Schaltfrequenz von 70 kHz. Beide SiC-Bausteine befinden sich auf Kühlkörpern mit einem Wärmewiderstand von 1,6 °C/W bei natürlicher Konvektion.(