Galliumnitrid
Die Zukunft netzgeführter Umrichter hat begonnen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Weshalb sind netzgeführte Umrichter so wichtig?
Netzgeführte Umrichter sind in vielen industriellen Anwendungen und Anlagen zu finden. Dazu gehören, wie Bild 1 veranschaulicht (siehe unten), PV-Wechselrichter, Ladeinfrastrukturen für Elektrofahrzeuge, Energiespeichersysteme sowie Industrie- und Telekommunikations-Stromversorgungen. Die Umrichter koordinieren die Leistungsübertragung zwischen dem dreiphasigen öffentlichen Stromnetz und den angeschlossenen Verbrauchern, Energiespeichern und Energiequellen. Aus zwei Gründen sind der Wirkungsgrad und die physischen Abmessungen dieser Umrichter von Bedeutung. Jegliche Ineffizienz wirkt sich nämlich unmittelbar auf die Betriebskosten sowie auf die Kühlung und das Wärmemanagement der betreffenden Einrichtung aus, und der Platzbedarf spielt eine wichtige Rolle bei den Kaufentscheidungen.
Über Jahrzehnte hinweg war die Industrie mit Leistungswandlern auf der Basis von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) und MOSFETs (Metal-Oxide Semiconductor FETs) auf Siliziumbasis bestens bedient. Es dürfte jedoch kaum überraschen, dass diese Umrichter in ihrer Leistungsfähigkeit mittlerweile ein Plateau erreicht haben. Vor einigen Jahren kam dann die erste Generation von FETs auf der Basis von Siliziumkarbid (SiC) auf den Markt und ermöglichte dringend benötigte Verbesserungen des Wirkungsgrads und der Leistungsdichte traditioneller Umrichter. Der Zwang, die Leistungsdichte weiter zu steigern und gleichzeitig die Kosten zu senken, besteht jedoch nach wie vor, und hier kam GaN als realistische Alternative zu beiden Technologien ins Spiel.
Auch wenn sich die in Bild 1 gezeigten Anwendungen in ihrer Leistung und Implementierungsweise unterscheiden, gelten drei wichtige Forderungen für alle diese Märkte:
· Hoher Wirkungsgrad und hohe Leistungsdichte: Um den Platzbedarf und die Energiekosten zu senken, zielen diese Anwendungen auf einen Wirkungsgrad von über 99 % und eine Reduzierung der mechanischen Abmessungen.
· Forderung nach Konvektionskühlung: Alternative oder traditionelle Methoden wie die Zwangsbelüftung oder Flüssigkeitskühlung haben höhere Installations- und Instandhaltungskosten zur Folge.
· Niedrigere Herstellungskosten: Designer benötigen kleinere, oberflächenmontierbare aktive und passive Bauelemente, um die Produktion zu vereinfachen und die Herstellungskosten zu senken.
Design eines bidirektionalen netzgeführten Umrichters auf GaN-Basis
In konventionellen Umrichtern kommen Hochspannungs-IGBTs in einer standardmäßigen Dreiphasen-Halbbrückentopologie zum Einsatz. Wegen der geringen, maximal 20 kHz betragenden Schaltfrequenz erfordern diese Designs große induktive Bauelemente, was dazu führt, dass die Leistungsdichte von Open-Frame-Lösungen typisch bei nur 70 W pro Kubikzoll liegt.
Ein GaN-basierter Multilevel-Umrichter kann dagegen in netzgeführten Anwendungen mit klaren Vorteilen punkten:
· Herausragende Figures of Merit (FOMs) im Schaltbetrieb: GaN bietet verglichen mit einem SiC-FET um 50 % geringere Schalt-Verluste während die Reduzierung gegenüber einem Silizium-MOSFET sogar 97 % beträgt. Die überlegene FOM von GaN macht unmittelbar eine höhere Schaltfrequenz möglich, was die Verwendung deutlich kleinerer passiver Bauelemente und Kühlkörper im gesamten System gestattet.
· Niedrigere Systemkosten: Dies betrifft die Produktionskosten, die sich dank der Verwendung oberflächenmontierbarer Bauelemente verringern, aber auch die deutlich kleineren EMI-Bauelemente, induktiven Filterbauelemente und Kühlvorrichtungen.
- Die Zukunft netzgeführter Umrichter hat begonnen
- Weshalb sind netzgeführte Umrichter so wichtig?
- Die Praxistauglichkeit von GaN: Designbeispiele