Photovoltaik
Dezentrales Leistungsmanagement in der Photovoltaik
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Gemessene Umwandlungswirkungsgrade
Die Wirkungsgrade des Hoch- und Tiefsetzstellers wurden separat bestimmt; hierbei wurde jeweils der Wirkungsgrad als Funktion des Ausgangsstroms und der Eingangsspannung bei fester Ausgangsspannung von 30 V gemessen. Verglichen wurden dabei jeweils 60-V-Transistoren der neuesten New-OptiMOS-Generation von Infineon Technologies mit der vorhergehenden OptiMOS-3-Familie. Durch gezielte Optimierung von Gate-Ladung, Ausgangskapazitätscharakteristik und flächenbezogenem Einschaltwiderstand wurde mit der neuen New-OptiMOS-Serie eine neue Referenz geschaffen.
Bild 3 zeigt den Vergleich der gemessenen Wirkungsgrade für den Tiefsetzsteller als Funktion der Eingangsspannung im Bereich von 31 V bis 45 V. Dabei wurden jeweils Bauelemente mit 3,1 mΩ Widerstand aus der älteren OptiMOS-3-Serie mit 2,8-mΩ-Bauteilen der New-OptiMOS-Familie verglichen. In beiden Fällen wurden SuperSO8-Gehäuse verwendet.
Für beide Bauelementfamilien wurde durch Variation der Taktfrequenz der jeweils maximal erzielbare Wirkungsgrad bestimmt. Die beiden induktiven Speicherelemente des Hoch- und Tiefsetzstellers sind für einen Frequenzbereich zwischen 100 und 150 kHz optimiert. Bei deutlich niedrigeren Taktfrequenzen nehmen die Verluste in den Drosseln aufgrund der höheren Stromwelligkeit zu. In den Leistungshalbleitern nehmen die Verluste aus der Gate-Ansteuerung sowie die Schaltverluste, die wiederum mit der Ausgangskapazität und der Speicherladung der inhärenten Freilaufdioden assoziiert sind, linear mit der Taktfrequenz zu.
Da die relativen Verlustanteile der Leistungshalbleiter und der induktiven Komponenten in etwa in der gleichen Größenordnung liegen, ergibt sich jeweils ein charakteristisches Optimum des Wirkungsgrads als Funktion der Taktfrequenz. Dieses Optimum liegt im vorliegenden Gerät bei der vorhergehenden OptiMOS-3-Serie bei 50 kHz. Die neue New-OptiMOS-Serie erlaubt dagegen aufgrund ihrer sehr geringen dynamischen Verluste den Betrieb bei 130 kHz, und zwar ohne nennenswerte Einbußen an Wirkungsgrad. Der Spitzenwirkungsgrad liegt mit beiden Bauelementen zwischen 99,4 und 99,5 %.
Wie in Bild 3 weiterhin zu sehen ist, zeigt die neue Bauelementfamilie ein deutlich überlegenes Verhalten bei stärkerer Abweichung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung: wie den Kurven bei 39 V und 45 V zu entnehmen ist, erzielt die New-OptiMOS-Serie trotz signifikant höherer Taktfrequenz hier einen Wirkungsgradgewinn von 0,4 % bzw. 0,9 Prozentpunkten.
Ein ähnliches Bild ergibt sich für die Hochsetzstellerstufe: Hier liegt das Wirkungsgradmaximum für die New-OptiMOS-Serie bei 100 kHz, während die Vorgängerserie aufgrund höherer Schaltverlustanteile bei nur 50 kHz den höchsten Systemwirkungsgrad erzielt (Bild 4). Bei stärkerer Abweichung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung zeigt die neue Bauelementfamilie einen Wirkungsgradvorteil im Bereich 0,2 bis 0,3 Prozentpunkten. Der Spitzenwirkungsgrad liegt wiederum bei 99,5 %.
Für die Berechnung des Gesamtwirkungsgrads des Systems sind neben den Verlusten der taktenden Stufe noch die Leitendverluste der zweiten Stufe zu berücksichtigen. Ist z.B. die Eingangsspannung kleiner als die Ausgangsspannung, arbeitet nur der Hochsetzsteller; der Steuerungs-FET des Tiefsetzstellers ist permanent durchgeschaltet. Die sich hieraus ergebenden zusätzlichen Verluste belasten den Wirkungsgrad mit etwa 0,1 Punkten.
Nachdem sowohl der Tief- als auch der Hochsetzsteller einen Spitzenwirkungsgrad von nahezu 99,5 % erreicht, ist ein eigener Bypass-Mode, der beide Stufen ohne weitere Regelung durchschaltet, kaum mehr vorteilhaft. Inklusive der Leitendverluste beider Stufen und der Standby-Verluste der Regelung wäre ein Wirkungsgrad von etwa 99,7 % erreichbar. Im vorliegenden Demonstrator wurde daher auf diesen Modus verzichtet.
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