Solarstrom-Wechselrichter
Übersicht
Der Photovoltaikmarkt benötigt DC/DC-Wandler, die die Solareingangsspannung an die Zwischenkreis- oder Batteriespannung anpassen, und DC/AC-Wandler (Wechselrichter), um die Solarenergie in das öffentliche Netz einzuspeisen.
Auf dem Markt gibt es einige wichtige Architekturarten von Solarwechselrichtern:
- Einphasige String-Wechselrichter für Wohngebiete mit wenigen kVA. Siehe Abbildung 1.
- Dreiphasige Multi-String-Wechselrichter für Wohn-, Gewerbe- und Großanlagen. Die meisten bestehen aus einem DC/DC-Aufwärtswandler am Eingang mit einem oder mehreren MPP-Trackern (Maximum Power Point) und einem Wechselrichter in der Ausgangsstufe. Typisch sind Leistungen von unter 100 bis 200 kVA. Siehe Abbildung 2.
- Mikro-Wechselrichter bestehen aus einem einzigen Solarmodul mit einem einzigen Wechselrichter. Hier gibt es keine Hochspannungs-Gleichstromversorgung wie bei String-Wechselrichtern. Die Zuverlässigkeit ist hier besser, denn wenn ein oder zwei Mikro-Wechselrichter ausfallen, produzieren die übrigen weiterhin Strom. Siehe Abbildung 1.
- DC-Leistungsoptimierer liegen zwischen String-Wechselrichtern und Mikro-Wechselrichtern mit einer typischen Spannung von 400 V. Siehe Abbildung 1.
Abbildung 1: Zentralwechselrichter (oder Stringwechselrichter), Mikrowechselrichter und Leistungsoptimierer. (Mit freundlicher Genehmigung von solartribune.com)
Abbildung 2: Dreiphasiger, mehrsträngiger Wechselrichter (Schema mit freundlicher Genehmigung von Semikron)
Optionen für den Wechselrichterentwurf: Silizium vs. Wide Bandgap
Es geht um Größe, Gewicht und Leistung (SWaP)
WBG-Halbleitermaterialien ermöglichen kleinere, schnellere und zuverlässigere leistungselektronische Komponenten mit höherem Wirkungsgrad als ihre Si-basierten Gegenstücke. Diese Fähigkeiten führen zu einer Verringerung von Gewicht, Volumen und Lebenszykluskosten in einem breiten Spektrum von Leistungsanwendungen.
WBG-Bauelemente haben geringere intrinsische Leckströme und höhere Betriebstemperaturen als Si-Bauelemente. Dies ist auf die höheren Bandlücken (Eg) in WBG-Bauelementen als in Si zurückzuführen.
WBG hat eine höhere Durchbruchspannung und eine geringere Verlustleistung als Si, da der Driftbereich von WBG 10x kleiner ist. Dies ermöglicht einen niedrigeren Rds(on) für eine gegebene Fläche mit WBG-Halbleitern gegenüber Si.
WBG arbeitet mit höheren Geschwindigkeiten und geringeren Schaltverlusten als Si, was Design-Architekturen mit kleineren Magneten und Kühlkörpern ermöglicht und somit Größe, Gewicht und Gesamtkosten reduziert.
WBG-Vorteile bei Solar-Wechselrichtern
Die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom erfolgt bei Solarenergiekonzepten mit Hilfe von Wechselrichtern, die einen hohen Wirkungsgrad (über 97 %) und eine lange Lebensdauer (in einigen Fällen über 25 Jahre) aufweisen sollen. Um diese Leistungsparameter zu erreichen, müssen Siliziumkarbid- (SiC) und Galliumnitrid- (GaN) WBG-Leistungstransistoren eingesetzt werden.
Die Entwicklung von Solarwechselrichtern mit WBG-Bauteilen wird die Architekturen verbessern und bis zu 90 % der Leistungsverluste in einem DC-AC-Wechselrichter eliminieren.
Solarwechselrichter können sich in rauen Umgebungen mit hohen Umgebungstemperaturen befinden. Die höheren Betriebstemperaturen von WBG können eine höhere Zuverlässigkeit dieser Systeme ermöglichen. Solarwechselrichter, die WBG-Bauteile verwenden, sind aufgrund kleinerer Magnete und thermischer Anforderungen auch leichter. Ein leichteres, kompakteres Wechselrichterdesign ermöglicht ein leichteres Anheben und Manövrieren während der Installation und einer möglichen Reparatur. Abbildung 1 zeigt einen Größenvergleich zwischen einem 50 kW Si IGBT-basierten Design und einem SiC-basierten Design. Die Wechselrichter sind in der Regel 60 % kleiner und 10-mal leichter, wie in Abbildung 3 unten dargestellt.
Abbildung 3: Siliziumkarbid ermöglicht im Vergleich zu Silizium kleinere, leichtere PV-Wechselrichter mit höherer Leistungsdichte und niedrigeren Gesamtsystemkosten.
(Bild mit freundlicher Genehmigung von Wolfspeed)
Leistungsmodul oder diskrete Komponenten?
Die Topologie und die Komponenten müssen sorgfältig ausgewählt werden, um das richtige Gleichgewicht zwischen Kosten und Leistung zu finden. Die Komponentenkosten können so oder so ein Problem darstellen, aber wenn wir die Herstellungskosten, den Produktionsertrag, die Leistungsdichte, die verbesserte Zuverlässigkeit und die thermische Leistung in die Gleichung einbeziehen, kann die Verwendung von Leistungsmodulen ein attraktiver Vorschlag sein.
Ein Leistungsmodul kann eine validierte und spezifizierte Lösung bieten, während eine diskrete Konstruktion eine bessere Anpassung an die jeweilige Anwendung ermöglicht.
Leistungsmodule können potenziell mehr Funktionen integrieren, manchmal auf einer kleineren Gesamtfläche. Module ermöglichen es, mehrere Chips in einer kompakten Layout-Konfiguration dicht nebeneinander zu platzieren, um die Leistung und den Platzbedarf zu maximieren. Zusätzliche Komponenten wie SiC-SBD-Dioden, Gate-Widerstände und Kondensatoren können ebenfalls integriert werden. Es stehen mehrere Standard- und kundenspezifische Topologien zur Verfügung, darunter Halbbrücken-, Vollbrücken-, Six-Pack- und 3-Level-Topologien, um nur einige zu nennen. Abbildung 4 oben zeigt das Innere eines Halbbrücken-Leistungsmoduls mit 5 parallelen SiC in jeder Schalterposition.
Diskrete Entwürfe sind in der Regel kostengünstiger bei Anwendungen mit geringerem Stromverbrauch, bei denen weniger diskrete Teile parallel verwendet werden, um die Stromanforderungen zu erfüllen. Mit zunehmender Leistung werden mehr diskrete Bauteile benötigt, wodurch die Montagekosten und die potenziell geringere Zuverlässigkeit steigen. Diskrete Designs können auch ein flexibleres Platinenlayout um feste Komponentenbereiche in einem Wechselrichterdesign ermöglichen.
Abbildung 4: Wolfspeed SiC-Halbbrückenmodul mit kompakter Layout-Konfiguration
Schlussfolgerung
Als die Solarenergie noch in den Kinderschuhen steckte, tendierten die Wechselrichter zur Zentralisierung mit Kapazitäten von über 100 kW. In neueren Zeiten hat sich dieser Trend geändert, und die Betreiber ziehen es vor, Strings mit Wechselrichtern unter 100 kW zu verwenden. In allen Fällen ähnelt die Architektur einem DC/DC-Aufwärtswandler zur Erhöhung der Spannung des PV-Panels und einem DC/AC-Wechselrichter, der eine Wechselspannung mit der richtigen Frequenz für das lokale Netz (50 Hz / 60 Hz) erzeugt. Das System verfügt außerdem über Schutzschaltungen und eine ausgeklügelte Überwachung/Steuerung, um maximale Effizienz zu gewährleisten.
Während sich die für den Wechselrichter gewählte Topologie auf den Wirkungsgrad auswirkt, sind die primären Halbleiter-Schaltgeräte (WBG- und Si-MOSFETs, IGBTs und Dioden) entscheidend für die Erreichung des Wirkungsgrads, der für die heutigen Solarstromanwendungen erforderlich ist. In den Anfängen war Silizium (Si) das primär verwendete Material, und durch jahrelange schrittweise Innovation hat diese Technologie einen Punkt erreicht, an dem nur noch sehr wenige Verbesserungen möglich sind.
Die Halbleiterhersteller haben andere Materialien erforscht, aus denen sie künftige Schaltgeräte bauen wollen. Materialien mit breiter Bandlücke (Wide Bandgap, WBG), darunter Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC), sind aufgrund ihrer Eigenschaften, die sich ideal für die Entwicklung effizienter Halbleiterbauelemente eignen, im Kommen.
WBG-Materialien haben von Natur aus einen geringeren On-Widerstand als Si-basierte Bauelemente, was die statischen Verluste bei kontinuierlicher Leitung reduziert. Da die Schaltfrequenzen steigen, um die Größe der magnetischen Komponenten zu verringern, verbessert die WBG-Technologie die Effizienz weiter, da die Gate-Ladung im Vergleich zu Silizium reduziert wird, was auch die dynamischen Verluste verringert.
