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Wandlertopologien

Solarenergie- und Energiespeicher-Systeme optimal integrieren

5. Juli 2023, 10:34 Uhr | Harald Parzhuber, Texas Instruments; Redaktion: Kathrin Veigel

Welche Leistungswandlertopologien für die Integration von Sonnenenergie- und Energiespeichersystemen wichtig sind, erklärt Harald Parzhuber von Texas Instruments. Dabei beleuchtet er auch deren Vorteile und die Herausforderungen, die sie sich bei den jeweiligen Topologien stellen.

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Da Energiespeichersysteme zusehends erschwinglicher werden, während gleichzeitig die Strompreise weiter steigen, wächst die Nachfrage nach erneuerbaren Energiequellen entsprechend. In vielen Wohngebäuden kommt daher inzwischen eine Kombination aus Photovoltaik-Anlage (PV) und Batterie-Energiespeicher zum Einsatz.

Dies soll gewährleisten, dass elektrische Energie auch dann verfügbar ist, wenn das Sonnenlicht nicht ausreicht, um den Bedarf zu decken. Bild 1 zeigt eine solche Konfiguration.

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Im besten Fall bietet ein solches, aus hocheffizienten Power-Management-Komponenten für die AC/DC- und DC/DC-Wandlung bestehendes System (Bild 2) dank minimierter Geräteabmessungen eine hohe Leistungsdichte. Optimalerweise sind die Bauteile außerdem sehr zuverlässig, möglichst verlustarm und auf eine kurze Markteinführungszeit ausgerichtet.

Nicht immer ist es möglich, alle diese Vorgaben gleichzeitig zu erfüllen, sondern es müssen bei der Realisierung der besten Leistungswandler-Topologien für die einzelnen Teilabschnitte bestimmte Abstriche gemacht werden.

Fünf Wandlertopologien

Bestehende Leistungstopologien für AC/DC- und DC/DC-Auf- und Abwärtswandler basieren üblicherweise auf phasenversetzt arbeitenden Halbbrücken oder Wandlerzweigen. Dies kann bei DC/DC-Wandlern zur Leistungssteigerung dienen oder bei AC/DC-Wandlern für den dreiphasigen Betrieb oder die Leistungsfaktor-Korrektur genutzt werden, indem die drei Phasen um jeweils 120° phasenversetzt arbeiten. Bild 3 zeigt die vereinfachten Schaltbilder von fünf Leistungswandler-Topologien.

Bei der Zwei-Stufen-Wandlertopologie werden die Schaltbausteine Q1 und Q2 durch zwei komplementäre PWM-Signale angesteuert. Dies geschieht jeweils mit einer dazwischen eingefügten Totzeit, um zu verhindern, dass sich die Schaltsignale überlappen. Für die positive Sinushalbwelle am Ausgang wird Q1 mit einem Tastverhältnis von >50 Prozent angesteuert, während für die negative Sinushalbwelle am Ausgang Q2 mit einem Tastverhältnis von >50 Prozent arbeitet.

Die Regelung der Ausgangsleistung bereitet keine Schwierigkeiten, allerdings schlagen die Ausgangssignale vor dem Netzfilter um die volle Busspannung aus, sodass größere Filter erforderlich sind, um die elektromagnetischen Störgrößen einzudämmen. Die Welligkeitsfrequenz am Filter entspricht der PWM-Frequenz, was sich ebenfalls auf die Abmessungen des Filters auswirkt.

Drei-Stufen-Topologien gestatten die Verwendung kleinerer passiver Bauteile und erzeugen geringere elektromagnetische Störaussendungen als Zwei-Stufen-Wandler. Insgesamt stehen vier Drei-Stufen-Topologien zur Auswahl:

Die T-Type-Topologie trägt ihren Namen wegen der T-förmigen Anordnung der Transistoren um den Neutralpunkt (VN). Q1 und Q2 befinden sich zwischen den Polen des Gleichspannungs-Zwischenkreises, während Q3 und Q4 in Reihe mit VN liegen. Die am Filter anliegende Welligkeitsfrequenz entspricht der Frequenz des PWM-Signals, das an die Schalter Q1 bis Q4 gelegt wird. Dies wiederum bestimmt die Größe der Filterbauteile, die zum Erzielen des angestrebten niedrigen Oberschwingungsgehalts bei der AC-Netzfrequenz erforderlich sind. Q1 und Q2 werden mit der vollen Zwischenkreisspannung konfrontiert und müssen eine Nennspannung von 1.200 V aufweisen, wenn die Zwischenkreisspannung 800 V beträgt. Da Q3 und Q4 an VN liegen, müssen sie in einem System mit einer Zwischenkreisspannung von 800 V nur für 600 V dimensioniert werden, sodass dieser Wandlertyp kostengünstiger ist. Zu diesem Wandlertyp steht ein Referenzdesign zur Verfügung.
Bei der ANPC-Wandlertopologie (Active Neutral Point Clamped) ist VN mit den aktiven Schaltern Q5 und Q6 verbunden, wodurch VN auf die Hälfte der DC-Zwischenkreisspannung gesetzt wird. Ebenso wie beim T-Type-Wandler entspricht die am Filter liegende Welligkeitsfrequenz der PWM-Frequenz, was die Größe des AC-Netzfilters definiert. Günstig an dieser Architektur ist die Tatsache, dass sämtliche Schaltbausteine nur für die Hälfte der maximalen DC-Zwischenkreisspannung ausgelegt werden müssen. In einem 800-V-System reichen also 600-V-Schalter aus, was sich günstig auf die Kosten auswirkt. Beim Abschalten dieses Wandlertyps kommt es darauf an, sämtliche Spannungen an den einzelnen Schaltern auf die halbe DC-Zwischenkreisspannung zu begrenzen, weshalb der Mikrocontroller für eine geordnete Abschaltsequenz sorgen muss. Der TMS320F280049C von Texas Instruments, aber auch andere Bausteine der C2000-Familie, verfügen über konfigurierbare Logik, die eine hardwaremäßige Umsetzung der Shutdown-Logik ermöglicht, um die Mikrocontroller-Software zu entlasten. Auch für diese Topologie existiert ein Referenzdesign.
Die NPC-Wandlertopologie (Neutral Point Clamped) ist von der ANPC-Topologie abgeleitet. VN ist hier über die Dioden D5 und D6 verbunden, wodurch VN auf die Hälfte der Zwischenkreisspannung eingestellt wird. Auch hier entspricht die am Filter liegende Welligkeitsfrequenz der PWM-Frequenz, was die Größe des AC-Netzfilters festlegt. Genau wie bei der ANPC-Topologie können alle Schaltbausteine für die Hälfte der maximalen Zwischenkreisspannung dimensioniert werden, jedoch kommen anstelle zweier weiterer Schalter hier zwei schnelle Dioden zum Einsatz. Die geringfügig niedrigeren Kosten der NPC-Topologie müssen mit einem etwas geringeren Wirkungsgrad erkauft werden. Die Anforderungen hinsichtlich der Abschaltsequenz sind mit jenen der ANPC-Topologie identisch, und somit bereitet es keine Schwierigkeiten, aus dem zuvor angeführten ANPC-Referenzdesign eine NPC-Topologie abzuleiten.
Bei der Flying-Capacitor-Topologie geht die Funktionsweise bereits aus dem Namen hervor. Ein Kondensator verbindet hier die Schaltknoten der übereinander angeordneten, durch Q1 und Q2 sowie Q3 und 4 gebildeten Halbbrücken. Die an diesem Kondensator liegende Spannung kann höchstens die Hälfte der DC-Zwischenkreisspannung betragen und wechselt periodisch zwischen V+ und V–. Die Leistungsübertragung erfolgt während der Spannungsänderungen. Diese Topologie nutzt während der positiven und der negativen Sinushalbwelle sämtliche Schalter. Die Welligkeitsfrequenz am Ausgang ist doppelt so hoch wie die PWM-Frequenz, sodass der AC-Netzfilter kleinere Abmessungen aufweist. Auch hier wirkt es sich günstig auf die Kosten aus, dass alle Schaltbausteine nur für die Hälfte der DC-Zwischenkreisspannung ausgelegt werden müssen.

	2L TIDA-01606 in 2L	T-Type 3L TIDA-01606	ANPC TIDA-010210	NPC 3L abgeleitet von ANPC	FC3L Flying-Capacitor 3L
Vor- teile	Einfaches Ansteuer-schema Nur 2 Schalter 2 PWM	Einfaches Ansteuer-schema Q3/Q4 sehen nur die Hälfte von VDC Bessere EMI-Eigensch. als 2L f_RIPPLE = f_PWM	Hoher Wirkungs-grad Alle Schalter sehen nur die Hälfte von VDC Bessere EMI-Eigensch. als 2L	Geringere Kosten als ANPC Alle Schalter sehen nur die Hälfte von VDC Bessere EMI-Eigensch. als 2L f_RIPPLE = f_PWM 4 PWM	Höchster Wirkungs-grad Nur 4 HF-FETs (+1 Kondens.) f_RIPPLE = 2 f_PWM Kleinste induktive Bauele-mente Niedrigstes EMI-Niveau
Heraus-forderungen	Q1 und Q2 sehen volle DC-Spannung Hohes EMI-Niveau bei hohen f_PWM-Werten Größte passive Bauele- mente	Q1 und Q2 sehen volle DC-Spannung 4 PWM	Komplexes Ansteuer-schema Kritische Shutdown-Sequenz 6 PWM	Weniger effizient als ANPC Komplexeres Ansteuer-schema Kritische Shutdown-Sequenz	Anfängliches Laden des fliegenden Konden-sators Kritische Shutdown-Sequenz

Alle vier beschriebenen Drei-Stufen-Topologien bieten gegenüber traditionellen Zwei-Stufen-Topologien Vorteile hinsichtlich der Leistungsdichte (dank kleinster Lösungsabmessungen), der Zuverlässigkeit und der Markteinführungszeit. Werden Wide-Bandgap-Halbleiter und leistungsfähige Mikrocontroller verwendet, kommen diese Vorteile noch mehr zum Tragen – bei vergleichbaren Kosten.