Isolationsbauteile integrieren
PV-Wechselrichter am Versorgungsnetz
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Isolation in PV-Wechselrichter integrieren
Das Bild 3 zeigt einen typischen dreistufigen, an das Versorgungsnetz angeschlossenen PV-Wechselrichter. Ein optionaler Boost-Konverter bildet die erste, die Panel-Spannung erhöhende Stufe, bevor die isolierte DC/DC-Wandlerstufe durchlaufen wird.
Der isolierte DC/DC-Wandler enthält eine Vollbrücke zur DC/AC-Wandlung durch einen HF-Transformator. Der HF-Frequenztransformator hat den Vorteil kleiner Abmessungen und hoher Effizienz. Die Wechselspannung auf der Sekundärseite wird in eine DC-Spannung gleichgerichtet, die normalerweise höher als die Spitzenspannung der Netzspannung ist. Die gleichgerichtete Spannung wird mit der dritten Wechselrichterstufe in die Frequenz der Netzspannung gewandelt.
Die Erfassung von Panel-Ausgangsspannung und Strom plus Weiterleitung an einen Mikrocontroller ermöglichen es, Maximum Power Transfer Tracking (MPTT) Algorithmen durchzuführen.
Der Mikrocontroller übernimmt auch die Gate-Treiber-Steuerung des isolierten DC/DC-Wandlers und der Ausgangsstufe. Die Ausgangsstufe hat auf der Netzspannungsseite eine andere Masse als die DC-Panel-Masse. Deshalb ist die Kommunikation vom Mikrocontroller zur Wechselrichter-Treiberstufe zu isolieren. Hierzu sind normalerweise vier Optokoppler mit hohem Energiebedarf erforderlich. Hinzu kommt, dass die große Laufzeitverzögerung die Genauigkeit des Gate-Treiber-Timings und somit die Effizienz des Wechselrichters beeinträchtigen. Vor allem aber ist fraglich, ob die Optokoppler der Garantie von 20 bis 25 Jahren entsprechen können. Im Gegensatz dazu haben Isolatoren, die auf Mikrotransformatoren basieren, einen weitaus geringeren Energiebedarf, eine wesentlich geringere Laufzeitverzögerung und keine Performance-Absenkung. Hinzu kommt, dass sich mehrkanalige Isolatoren auch mit On-Chip DC/DC-Wandlern integrieren lassen, um isolierte Power für die Gate-Treiber zu liefern. Die Relais zwischen dem Ausgang des Wechselrichters und dem Versorgungsnetz dienen zur Sicherstellung der Synchronisierung der Wechselrichter-Ausgangsfrequenz und Phase mit der Nutz-Spannung. Zudem ermöglichen sie den sogenannten Anti-Island-Schutz, indem sie bei Netzausfällen und bei Frequenzen außerhalb akzeptabler Grenzen schnell abschalten.
Um Nulldurchgänge erkennen zu können, ist eine Spannungsmessung auf der Seite der Netzspannung erforderlich. Eine Strommessung stellt die Einspeisung eines sinusförmigen Stroms in die Last sicher. Die Abtast-Information lässt sich über einen isolierten ADC zum Controller übertragen. Der isolierte ADC enthält einen 16 bit-Sigma/Delta-Modulator zweiter Ordnung mit mikrotransformatorbasierter Digitalisolation, die eine 3,75 kV Isolation bietet und sich somit ideal für Shunt-basierte Strommessung eignet. Es ist möglich, die Messung mit Hilfe von Stromtransformatoren durchzuführen. Jedoch besteht die Gefahr der Beeinflussung der teuren und sperrigen Stromtransformatoren durch externe Magnetfelder.
Es ist auch möglich Hall-Sensoren einzusetzen. Jedoch weisen Hall-Sensoren Nichtlinearitäten und Offsets auf, die die Genauigkeit der Strommessung beeinträchtigen. Eine zuverlässige und preiswerte Alternative ist ein Shunt mit integriertem und isolierten ADC, der aber ebenfalls isolierte Power auf der Netzspannungsseite benötigt. Es ist möglich, einen isolierten DC/DC mit Mikrotransformator zu integrieren, um einen diskreten DC/DC-Wandler einzusparen.
Ist eine SPS-Kommunikation notwendig, kann ein isolierter DC/DC einen SPS-Chip auf der Netzspannungsseite speisen, während die Kommunikation mit dem Controller auf der Panelseite über einen mehrkanaligen Isolator erfolgt.
Um komplett isolierte Halbbrückentreiber zu erhalten lässt sich die mikrotransformatorbasierte Isolation auch in Gate-Treibern mit hohem Ausgangsstrom integrieren.
Bild 4 zeigt das Gate-Treiber-Konzept eines an das Leitungsnetz angeschlossenen PV-Wechselrichters. In der Regel ist für die primärseitigen DC/AC-Vollbrückenschalter - speziell bei Low-Power-Wechselrichtern - keine Isolation für Low-Side-Gate-Treiber erforderlich. Ein zweikanaliger isolierter 1 kV Treiber mit 4 A Treiberfähigkeit wäre beispielsweise für zwei High-Side-Schalter geeignet. Die Schalter für die Wechselrichter sind auf der AC-Seite angebracht, weshalb sowohl die Low-Side als auch die High-Side isolierten Gate-Treiber notwendig sind.
Für den Mikrocontroller auf der DC-Seite sind im Normalfall isolierte Gate-Treiber mit 2,5 oder 5 kV notwendig, um eine direkte Kommunikation mit den AC-seitigen Wechselrichtern zu ermöglichen. Der Low-Side Gate-Treiber lässt sich über den integrierten DC/DC versorgen, der Energie von der Panel-Seite bezieht. Es ist möglich, die High-Side-Power durch ein Bootstrap-System bereitzustellen.
Ein Halbbrücken-Gate-Treiber hat eine Drei-Wege-Isolation. Das heißt, es ist jeweils eine Isolation zwischen Ein- und Ausgängen und zwischen den beiden Ausgängen vorhanden. Zwischen dem Ein- und Ausgang übernehmen integrierte Chip-Transformatoren die Isolation. Bild 5(a) zeigt die Transformatorstruktur für den 1 kV Gate-Treiber, Bild 5b zeigt die Transformatorstruktur für den 5 kV Gate-Treiber.
Der 1 kV Halbbrücken Gate-Treiber ist mit drei Dies in einem Gehäuse ausgeführt. Ein Eingangs-Die und zwei identischen Gate-Treiber-Chips. Zwei 1 kV Transformatoren gemäß Bild 5(a) sind auf dem Eingangschip aufgebracht – jeweils ein Transformator für jeden Gate-Treiber-Ausgang. Die Eingänge sind mit den Spulen auf der Unterseite verbunden und mit 2,64 µm starkem Oxid von den oberen Spulen isoliert. Jede obere Spule ist über laterale Oxidisolation isoliert.
Die zwei Gate-Treiber-Chips sitzen auf eigenen Split Paddles und sind am Eingangschip über Chip-to-Chip Bonddrähte - ähnlich wie in Bild 5 gezeigt - mit den oberen Spulen verbunden.
Der 5 kV Gate-Treiber ist ähnlich aufgebaut. Allerdings ist hier die obere Spule von der unteren Spule durch ein 20 µm starkes Polyimid isoliert.
Auch bei einem parallelen System mit mehreren Wechselrichtern, wie etwa bei String-Invertern, müssen Wechselrichter miteinander kommunizieren. Das lässt sich über einen isolierten RS485-Bus, einen RS232-Bus oder einen CAN-Bus realisieren. Ein isolierter Transceiver kann die notwendige Versorgung für die Bus-Seite von der Panel-Seite gewinnen.
Auch Mikro-Wechselrichter können Systemzuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit steigern und heben zudem das potenzielle Lichtbogen-Problem auf. Normalerweise sind die Mikro-Wechselrichter unter den Panels auf dem Dach installiert. Dort kann die Umgebungstemperatur sehr hoch sein, was den Alterungsprozess der im Optokoppler verbauten LEDs beschleunigt. Dagegen kommt es bei einer auf Mikrotransformatoren basierten Isolation zu keinen Leistungseinbußen, denn die Systeme arbeiten auch unter erschwerten Bedingungen sehr gut. Anstelle der komplett dreistufigen Wechselrichter ist es möglich, einstufige Mikro-Wechselrichter zu verwenden. Jeder Mikro-Wechselrichter hat lediglich ein paar hundert Watt. Daher bietet die Isolationsintegration in diesem Leistungsbereich viele Möglichkeiten, die Systemkosten zu reduzieren und eine höhere Systemzuverlässigkeit zu erreichen.
Auf Mikro-Transformatoren basierte Isolationsintegration entspricht ideal den Isolationsanforderungen die PV-Wechselrichter, zentrale Wechselrichter und Mikro-Wechselrichter erfüllen müssen, die an die Netzspannung angeschlossen sind. Außerdem reduziert die integrierte Signal- und Leistungs-Isolierung die Zahl der Bauteile drastisch und erhöht zugleich die Systemzuverlässigkeit und Lebensdauer. Das präzise Gate-Treiber-Timing kann eine höhere Wechselrichtereffizienz bewirken. Isolierte ADC mit Mikro-Transformatoren erlauben genauere Netzstrom- und Spannungsmessungen. Das wiederum führt im Versorgungsnetz zu qualitativ hochwertigen sinusförmigen Strömen mit einem Leistungsfaktor von eins.
- PV-Wechselrichter am Versorgungsnetz
- Signal- und Leistungstrennung mit Mikrotransformatoren
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