Recom: Know-how aus der Medizinelektronik für die Leistungselektronik nutzen
Wie »reinforced« isolierte DC/DC-Wandler die Zuverlässigkeit von IGBT-Schaltern verbessern
In Wechselrichtern für die Netzeinspeisung von Wind- und Solarstrom kommen IGBTs als Leistungsschalter zum Einsatz. Versorgt werden deren Treiber über kleine, hoch isolierte DC/DC-Wandler. Damit ist die Güte der Isolationsbarriere dieser DC/DC-Wandler kritisch für die Zuverlässigkeit des gesamten Systems.
Energie aus Wind und Sonne steht weder in konstanter Form noch rund um die Uhr zur Verfügung. Wechselnde Windstärken lassen sich bis zu einem gewissen Grad durch veränderte Anstellwinkel der Rotorblätter kompensiern. Ist der Wind zu schwach, muss die Anlage vom Netz. Ähnliches gilt für Solarsysteme: Verschwindet die Sonne hinter den Wolken, sinkt die Ausgangsspannung und muss so stabilisiert werden, dass sie mit den Erfordernissen des Netzes konform geht. Spätestens gegen Abend wird ein Punkt erreicht, ab dem es nichts mehr zu kompensieren gibt. Die Anlage wird abgeschaltet. Jetzt sind andere Energieformen gefordert, die Bedarfslücke zu schließen.
IGBTs als schnelle Leistungsschalter für Wechselrichter
Die Leistungselektronik der Wind- und Solarindustrie ist also gefordert, aus dem nicht gerade konstanten Energieangebot eine in Amplitude und Frequenz konstante Wechselspannung zu erzeugen, und diese direkt ins Stromnetz einzuspeisen. Hierzu sind Wechselrichter erforderlich in deren Inneren sogenannte IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) als schnelle Leistungsschalter fungieren.
Dabei handelt es sich um Bauteile mit den Eigenschaften von MOSFETs am Eingang und bipolarer Transistoren am Ausgang. Sie lassen sich wie MOSFETs nahezu stromlos ansteuern und haben im durchgeschalteten Zustand den für bipolare Transistoren typischen niedrigen Spannungsabfall auf der Kollektor/Emitter-Strecke. Damit sind IGBTs prädestiniert, hohe Spannungen und Ströme nahezu leistungslos zu schalten. Kein Wunder also, dass sie sich in der gesamten Leistungselektronik zum Standard entwickelt haben. Es macht dabei im Prinzip keinen Unterschied, ob es sich um eine kleine oder große Anlagen handelt. Immer geht es darum, relativ hohe Spannungen möglichst leistungslos und schnell zu schalten.
Bei einem einfachen Wechselrichter werden zwei IGBT-Pärchen gegenphasig so angesteuert, dass aus einer Gleichspannung eine Rechteck-Wechselspannung wird. Die Frequenz kann dabei konstant sein - beispielsweise 50 Hz bei einer Solaranlage - oder variabel zur Drehzahlregulierung in einer Motorsteuerung.
Deutlich aufwändiger ist ein fünfstufiger 3-Phasen Wechselrichter (siehe Abb.1) gestaltet. Dabei werden je vier IGBTs mit einer Phasenverschiebung von 120° angesteuert, wie für eine Drehstrom-Anlage erforderlich. Außerdem entsteht, bedingt durch die Schaltfolge 0, +V/2, +V, +V/2, 0, -V/2, -V, -V/2, 0, eine dem Sinus angenäherte Kurvenform.
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