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Hocheffizienter Umrichter für Batteriespeichersysteme

13. Januar 2020, 13:30 Uhr | Von Karl Jäger, Senior-Entwicklungsingenieur, und Tobias Herrmann, Field Application Engineer & Marketing Manager, Finepower

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

In der Praxis

Wie in Bild 6 zu sehen ist die Spannung an der Sinus-Drossel und folglich auch der Strom durch die Drossel genau gleich dem Beispiel aus Bild 5.

Wie sieht es aber mit den Schaltverlusten an den Transistoren aus?

Wird das Modul getaktet, beträgt die Schaltfrequenz hier 8 kHz, im Gegensatz zu 8 kHz/n (n=Modulzahl) im ersten Beispiel. Allerdings ist hier jedes Modul nur zu 50 Prozent der Zeit im Schaltbetrieb und für den Rest statisch ein oder aus. Damit ist klar: Die Schalthäufigkeit ist identisch, jedoch in diesem Beispiel ungleicher verteilt. Die Verluste sind also identisch.

In der Praxis

Alle eingangs aufgezählten Vorteile des CHB multiplizieren sich mit dem Faktor der verwendeten Modul-Zahl. Ebenso multipliziert sich aber auch der Aufwand. Wie fast immer kann es auch hier keine allgemeingültige Empfehlung geben. Wie dargestellt, hat die CHB-Topologie unschlagbare Vorteile. Ob sich der erhöhte Aufwand an Ansteuerung und Überwachung für den jeweiligen Anwendungsfall rechnet, hängt von vielen Faktoren ab.

Zuerst von der gewünschten Leistung und der Art der verwendeten Batteriepacks, denn Bedingung zur Nutzbarkeit ist, dass die Packs untereinander isoliert sind und sich gegeneinander mit ihrem Spannungsbezug unterscheiden. Für diese Anwendung ist ein Dreiphasen-Netz nicht Bedingung, sie lässt sich mit anderer Regelung auch im Einphasenbetrieb sinnvoll einsetzen. Bei Invertern mit nur wenigen kW wird sich der erhöhte Aufwand eher nicht rechnen.

Wenn man sich für den Multi-Level-Inverter entschieden hat, bleibt immer noch die Frage, mit wie viel Modulen er sich am wirtschaftlichsten betreiben lässt. Hier lohnt sich zuerst ein Blick in das Datenblatt der MOSFET-Hersteller. Erfahrungsgemäß werden die RDS(on)-Werte bei Spannungsfestigkeiten >100 V unverhältnismäßig höher.

Bereits daraus geht hervor, dass sich ein System mit nur zwei Modulen, wie wir es in obigem Beispiel betrachtet haben, aus Transistorsicht am 230-V-Netz nicht optimal auszulegen ist. Für eine Inverter-Brücke würde man Transistoren mit einer UDS-Spannung von 600 bis 650 V verwenden. Bei zwei Modulen bräuchte man also Transistoren ≥300 V mit halbem RDS(on)-Wert. In dieser Spannungsklasse steht aber nur wenig Brauchbares zur Verfügung. Bei dieser Betrachtung wurde noch nicht der Spannungsbereich der verwendeten Batterien berücksichtigt. Soll hier die verfügbare Kapazität optimal genutzt werden, muss die maximale Brücken- oder Transistorspannung gegebenenfalls noch deutlich erhöht werden.

Eine für batteriebetriebene Anwendungen optimale Auslegung erfolgt dann, wenn einzelne Batterie-Stacks noch im sicheren Spannungsniveau <60 V liegen (SELV), wie bereits einleitend erwähnt wurde. In diesem Fall kann man auch auf ein weites Portfolio von Halbleitern zurückgreifen mit Durchbruchspannungen von maximal 100 V. Hier kann Finepower auch mit Komponenten unterstützen, zum Beispiel mit MOSFETs der Firma MaxPower oder in Spezialanwendungen auch mit GaN-HEMTs von EPC.