Mehrere Bauelementehersteller haben bereits eine umfangreiche Palette an diskreten Leistungs-MOSFETs (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors) und Schottky-Dioden auf SiC-Basis, gefolgt von der Einführung integrierter, ausschließlich aus SiC-Bauelementen aufgebauter Powermodule. Dieses Format, das Leistungselektronikern bestens bekannt ist, bringt die Voraussetzungen dafür mit, die Technik der PV-Wechselrichter gründlich zu reformieren.

Auf einen Blick

Mehr Ausgangsleistung, ein höherer Wirkungsgrad, bessere thermische Eigenschaften und höhere Schaltfrequenzen lassen sich erzielen, wenn PV-Wechselrichter mit rein SiC-basierten Power-Modulen bestückt sind. Die Vorteile der Technik erlauben außerdem die Verwendung einer geringeren Zahl zuverlässigerer induktiver und kapazitiver Bauelemente, was unter dem Strich in einem leichteren, kompakteren und kostengünstigeren System resultiert, das umgerechnet auf die Kosten mehr Ausgangsleistung liefert.

Im Gegensatz zur konventionellen Siliziumtechnik ermöglicht sie das Design kleinerer, leichterer und effizienterer Einheiten für dreiphasige Umrichter. Dies wiederum kann die insgesamt entstehenden Systemkosten für die Solarenergienutzung senken und damit Anreize für eine zunehmende Verbreitung auf Gewerbe- und Wohngebäuden schaffen.

Mit SiC zu hohen Schaltfrequenzen

Als Verbindungshalbleiter zeichnet sich SiC durch eine breitere Bandlücke, eine höhere Wärmeleitfähigkeit und eine deutlich höhere Durchbruchspannung aus als Silizium (Si), sodass es Siliziumbausteinen in Hochspannungs-Schaltanwendungen überlegen ist. Werden IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) aus Silizium bei höheren Frequenzen eingesetzt, sind die Designeringenieure wegen der steil zunehmenden Schaltverluste gezwungen, die Silizium-Bausteine überzudimensionieren (das heißt Versionen mit höheren Nennströmen zu wählen).

Zusätzlich oder alternativ können sie die Schaltfrequenz ihres Systems senken, um die Schaltverluste der Si-IGBTs zu reduzieren. Damit aber sinkt zwangsläufig auch der Wirkungsgrad des Systems. Im Gegensatz dazu erreichen SiC-MOSFETs bei hohen Frequenzen und hohen Spannungen prinzipbedingt eine höhere Schalteffizienz, zu denen außerdem ihre besseren thermischen Eigenschaften hinzukommen. Auf diese Weise lassen sich mit SiC-Leistungshalbleitern Leistungsdichten und Schaltfrequenzen erzielen, die mit konventionellen Silizium-Bausteinen schlicht unerreichbar sind.

Bild 1: Die Ansicht des 1200-V/50-A-6-Pack-Moduls mit der Bezeichnung CCS050M12CM2 von Cree.

Bild 1: Die Ansicht des 1200-V/50-A-6-Pack-Moduls mit der Bezeichnung CCS050M12CM2 von Cree.Cree

Vierfache Wechselrichterleistung

Das  Potenzial der SiC-Leistungstechnologie läßt sich an einem Beispiel demonstrieren. Dabei ist ein PV-Wechselrichter eines führenden Herstellers mit 10 kW Leistung nachträglich von einem Si-Power-Modul auf ein SiC-MOSFET-Modul von Cree umgerüstet (Bild 1). Dabei war das Ziel festzustellen, inwieweit diese hochentwickelten Leistungsschaltbausteine die Ausgangsleistung verbessern können, ohne die mechanischen Abmessungen des Systems nennenswert zu verändern.

Einfachere Wechselrichtertopologie

Der bestehende PV-Wechselrichter enthielt ein Si-Power-Modul mit den gleichen Gehäuseabmessungen (Bild 1). Neben Si-Superjunction-MOSFETs für 600 bis 650 V für hochfrequente Schaltaufgaben waren in dem Modul Si-IGBTs für 600 bis 650 V für niedrige Schaltfrequenzen verbaut, was die Frequenzbeschränkung der IGBTs deutlich macht. Topologie und Ansteuerschema des Siliziummoduls waren relativ komplex und die 10-kW-Ausgangsleistung erreichte man mit einem eher bescheidenen Gesamt-Wirkungsgrad von 98,1 Prozent.

Der Ersatz der Si-Bausteine durch ein für 1,2 kV und 50 A ausgelegtes SiC-MOSFET-Modul in integrierter, dreiphasiger und hart geschalteter Konfiguration vereinfachte die Topologie, da SiC-Bausteine deutlich kleiner sind als entsprechende Siliziumbausteine. Dementsprechend ermöglichen sie wesentlich mehr Leistung in einer kompletten Dreiphasenkonfiguration. Das SiC-Modul lässt bei doppelter Schaltfrequenz eine Ausgangsleistung von 40 kW zu, wobei die Verluste auf dem Niveau der ursprünglichen 10-kW-Variante auf Siliziumbasis liegen. Mit den Abmessungen des früheren Siliziumsystems ergibt sich somit eine Vervierfachung der Ausgangsleistung. Die mit den SiC-Bauelementen möglichen entscheidenden Designoptimierungen sollen nun genauere Beschreibung finden.

Doppelte Schaltfrequenz dank niedriger Schaltverluste

Da das SiC-basierte MOSFET-Modul wesentlich geringere Schaltverluste aufweist als die Si-Bauelemente (Bild 2), konnte man die Schaltfrequenz des Wechselrichters von rund 20 kHz auf 48 kHz anheben.

Bild 2: Die Schaltverluste eines 150-A-Si-IGBTs und eines 100-A-SiC-MOSFETs bei 150 °C.

Bild 2: Die Schaltverluste eines 150-A-Si-IGBTs und eines 100-A-SiC-MOSFETs bei 150 °C.Cree

In allen an das öffentliche Stromnetz angeschlossenen Wechselrichtern sind die Filterelemente entscheidend. Die Abmessungen der passiven Induktivitäten und Kondensatoren sind umgekehrt proportional zu den Welligkeitsfrequenzen der Leistungswandlungselektronik. Sie tragen ebenfalls entscheidend dazu bei, dass SiC-basierte Modelle kleiner und leichter sind und – umgerechnet auf die Ausgangsleistung – weniger kosten.

Die von den SiC-Leistungshalbleitern ermöglichte höhere Schaltfrequenz reduzierte das für die Ausgangsleistung erforderliche relative Volumen und Gewicht. Der 40-kW-SiC-Wechselrichter kam deshalb mit einer ungefähr gleich großen Induktivität aus wie der Si-Wechselrichter mit 10 kW Leistung.

Hinzu kommt, dass für viele PV-Wechselrichteranwendungen Aluminium-Elektrolyt-Kondensatorbatterien spezifiziert sind. Aufgrund ihres günstigeren Preises kommt es bei diesen Bauelementen mit höherer Wahrscheinlichkeit zu Ausfällen als bei Polypropylen-Folienkondensatoren, die allerdings meist teurer sind. Wegen der mit SiC-Schaltbausteinen möglichen höheren Betriebsfrequenzen benötigt man allerdings weniger Folienkondensatoren, um im Gleichspannungszwischenkreis die gleiche Spannungswelligkeit zu erreichen, sodass sich die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems verbessert.

Bild 3: Die Elektrolytkondensatoren des 10-kW-Si-Wechselrichters (li.) und die Polypropylen-Folienkondensatoren des SiC-Wechselrichters mit 40-kW-Leistung (re.).

Bild 3: Die Elektrolytkondensatoren des 10-kW-Si-Wechselrichters (li.) und die Polypropylen-Folienkondensatoren des SiC-Wechselrichters mit 40-kW-Leistung (re.).Cree

Es läßt sich einiges an Leiterplattenfläche bei einem 40-kW-SiC-Wechselrichter gegenüber dem 10-kW-Si-Wechselrichter einsparen (Bild 3). Die 22 Aluminium-Elkos des 10-kW-Si-Wechselrichters sind links dargestellt, während der 40-kW-SiC-Wechselrichter rechts nur acht Polypropylen-Folienkondensatoren benötigt. Die Umrüstung auf SiC-Schaltbausteine mit höherer Schaltfrequenz bewirkt also, dass man umgerechnet auf die Ausgangsleistung ein geringeres Kondensatorvolumen benötigt.

Selbst beim Einberechnen des höheren Stückpreis der Folienkondensatoren (acht Polypropylen-Folienkondensatoren kosten zirka 118 US-Dollar, während 22 Aluminium-Elkos etwa 123 US-Dollar kosten – jeweils bei Abnahme von 500 Stück), wird dieser durch die höhere Effizienz des SiC-bestückten Wechselrichters wettgemacht.

Entwärmungsanforderungen fast unverändert

Obwohl die Ausgangsleistung des Wechselrichters dank der SiC-Bausteine von zehn auf 40 kW angehoben wurde, konnte der ursprüngliche Kühlkörper bleiben, was den guten thermischen Eigenschaften der SiC-Leistungshalbleiter zu verdanken ist. Trotz der vierfachen Steigerung der Ausgangsleistung nahmen Gewicht und Volumen also nicht zu.

In ausgefeilten Simulationen ermittelte man außerdem für jede Basiseinheit die Spannungswelligkeit im Gleichspannungszwischenkreis sowie der Oberschwingungsgehalt am Ausgang. Dabei zeigten sich für das SiC-MOSFET-Modul extrem niedrige Leitungsverluste, sodass das SiC-System bei gleicher Die-Fläche wie die Si-Superjunction-MOSFETs im 10-kW-Wechselrichter den doppelten Strom liefern können. Dies gab den Ausschlag dafür, dass das SiC-System bei gleichem Platzbedarf wie das 10-kW-System die vierfache Ausgangsleistung erzielt.

Günstiger trotz vierfacher Leistung

Das Beispiel macht verdeutlicht, dass sich die Leistungsdichte eines existierenden 10-kW-PV-Wechselrichters vervierfachen läßt, wenn der Austausch von ineffiziente Si-Schaltbausteine durch SiC-MOSFETs und -Dioden erfolgt. Dabei vereinfacht sich gleichzeitig die Topologie. Bei exakt gleichen Gehäusemaßen läßt sich damit insgesamt ein robuster und zuverlässiger 480-V-AC-Drehstromausgang realisieren.

Die erwähnten Simulationen und Evaluierungen bestätigten die entscheidenden Vorteile, die der Austausch der Si-Schaltbausteine in bestehenden PV-Wechselrichtern durch rein SiC-basierte Module mit sich bringt. Man kann jedoch davon ausgehen, dass sich beim Design einer Generation von PV-Wechselrichtern, die von Anfang an für SiC-Bauelemente ausgelegt sind, durch optimiertes Schaltungsdesign und die Auswahl passender magnetischer Bauelemente und Filter weitere Verbesserungen des Wirkungsgrads, der Kosten und der Leistungsdichte erzielen lassen.