Mit intelligenten Leiterplattenkonzepte die Qualität steigern Photovoltaik-Wechselrichter: Per Leiterplatte zum höheren Wirkungsgrad

Ein effizientes Wärmemanagement beginnt bei der Konzeption der Leiterplatten.
Ein effizientes Wärmemanagement beginnt bei der Konzeption der Leiterplatten.

Intelligente Leiterplattenkonzepte können einen aktiven Beitrag zur Qualitäts- und Leistungssteigerung von PV-Wechselrichtern leisten. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, die Möglichkeiten des PCB-Designs bereits in der Produktentwicklungsphase zu kennen.

Ein effizientes Wärmemanagement und die Optimierung der Stromtragfähigkeit haben großen Einfluss auf den Wirkungsgrad. So kann beispielsweise ein länger anhaltender Einsatz bei Betriebstemperaturen von mehr als +50 °C zur Leistungsabregelung des Wechselrichters führen. Auch werden Bauteile und Lötstellen stärker belastet – und daraus können im vorgesehenen Langzeiteinsatz Ausfälle resultieren.

Der Ansatz einer aktiven Gerätekühlung ist auf den ersten Blick zwar wirkungsvoll, reduziert jedoch durch den Eigenstrombedarf den Gesamtwirkungsgrad. Zudem bringen Zusatzaggregate weitere Störanfälligkeiten mit sich, die den MTTF-Wert (Mean Time To Failure) senken und auch die Herstellungskosten belasten.

Daher verfolgt man Lösungen mit einem passiven Kühlkonzept: Wechselrichter sind üblicherweise mit unübersehbaren Kühlkörpern ausgerüstet. Die Frage stellt sich jedoch, wie die Wärme von den Bauteilen ausgehend, effektiv am Kühlkörper ankommt. Hier kann die Leiterplatte durch spezielle Konstruktionen helfen. Entscheidend für die Langlebigkeit der Wechselrichter ist auch die schnelle Spreizung der Wärme, besonders im Bereich der Kondensatoren, um Hotspots zu vermeiden. Von allen Bauteilen in Wechselrichtern sind Elektrolytkondensatoren am anfälligsten für hohe Temperaturen. Dementsprechend fallen diese Komponenten am häufigsten aus.

Einer Faustregel zufolge verdoppelt sich die Lebenserwartung der Bauteile bei jeder Absenkung der Temperatur um 10 °C. Anzustreben ist daher eine maximale Betriebstemperatur von +65 °C, und das auch an heißen Sommertagen. Gefragt ist also ein ausgeklügeltes, passives Kühlsystem der Baugruppe. Und das beginnt bei der Konzeption der Leiterplatten.

Oftmals werden die Leiterquerschnitte auf Basis der erforderlichen Stromtragfähigkeit ausgelegt, ohne die Entwärmungsmöglichkeiten der Leiterstrukturen zu berücksichtigen. Lokale Hotspots führen dann zur Einschränkung der Lebensdauer. Der kostengünstige Einsatz von Leiterplatten mit Kupferdicken von lediglich 70 μm kann so schnell zum Problem werden. Ein Wechsel zu Kupferdicken von 70 μm auf 400 μm verdoppelt zwar den Leiterplatteneinkaufspreis, die Zusatzinvestition (ca. +2,5 Prozent der Gerätekosten) wird sich aber bei optimierter Entwärmungsführung schnell rechnen: Allein eine Wirkungsgrad-Steigerung von 0,1 Prozent ist ausreichend, um die Mehrkosten der Baugruppe in 20 Jahren zu kompensieren.