Anwendungsbereiche für netzgekoppelte Leistungswandler sind im Bereich regenerativer Energien die Schnittstellen für Solar- und Windkraftanlagen sowie Akkumulatoren. Gerade der steigende Bedarf an Ladestationen für PKWs und LKWs, aber auch alternativ angetriebene Industrieanlagen, vom Aufzug bis zur Dreherei, geben die Marschrichtung vor.

Bild 1: Funktionsschaltbild eines dreiphasigen AC/DC-Systems, wie es beispielsweise in Ladestationen für Elektrofahrzeuge zum Einsatz kommt.

Bild 1: Funktionsschaltbild eines dreiphasigen AC/DC-Systems, wie es beispielsweise in Ladestationen für Elektrofahrzeuge zum Einsatz kommt. Wolfspeed

Gemäß geltenden Richtlinien erfolgt die Auslegung dieser Systeme für ein Source/Sink-Gefälle des AC-Stroms mit einer THD (Total Harmonic Distortion) von unter fünf Prozent. Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge sind ein praktisches Beispiel für eine dreiphasige, netzgekoppelte AC/DC-Anwendung. Bild 1 zeigt ein Funktionsschaltbild eines dreiphasigen Schnellladegerätes für Elektrofahrzeuge. Bei bidirektionaler Ausrichtung des Konverters lässt sich auch Leistung vom Fahrzeug ins Netz zurückspeisen. Die bidirektionale Ladung ist auch wichtig, um liegengebliebene Fahrzeuge untereinander zu laden. Diese Grundidee gewinnt auch bei größeren Industrieanlagen auf Akku-Basis immer mehr an Bedeutung.

Bild 2: Zweistufige IGBT- und dreistufige NPC-Gleichrichter-Topologien.

Bild 2: Zweistufige IGBT- und dreistufige NPC-Gleichrichter-Topologien. Wolfspeed

Eck-Daten

Egal ob im Bereich regenerativer Energien oder bei Ladestationen für Elektrofahrzeuge: viele Anwendungen benötigen eine netzgekoppelte Leistungswandlung. Ausschlaggebend sind hier besonders der benötigte Platz, die Hitzeentwicklung, das Gewicht und die Leistungsaufnahme des Dreiphasen-Wandlers – Anforderungen, die sich oft nur durch den Einsatz von SiC-MOSFETs erfüllen lassen. Im Beitrag beschreibt Wolfspeed eine kostengünstige und effiziente Alternative für industrielle PFC-Anwendungen auf Basis von SiC-Leistungs-MOSFETs.

Bei bidirektionalen Systemen verwenden viele Hersteller oft immer noch zweistufige Topologien mit 1200-V-IGBTs. Diese sind einfach im Aufbau, halten zunächst die Halbleiter-Kosten niedrig und und erreichen Leistungen über 20 kW. Allerdings ist hier die Schaltfrequenz auf weniger als 20 kHz begrenzt, was zu Systemen mit geringer Leistungsdichte und Effizienz führt, die kostenintensivere Induktoren benötigen. Es können ferner auch dreistufige Topologien mit Superjunction-FETs oder schnelle 650-V-IGBTs zum Einsatz kommen. Solche mehrstufigen Topologien, zum Beispiel der NPC- Gleichrichter (Neutral Point Clamped), bieten eine höhere Leistungsdichte und Effizienz sowie niedrigere Schaltverluste, führen jedoch ob der hohen Schaltungskomplexität zu Mehrkosten. Bild 2 zeigt die zweistufigen IGBT- und dreistufigen NPC-Gleichrichter-Topologien.

Herausforderungen beim Design

Bild 3: Der zweistufige Gleichrichter auf Basis von SiC-MOSFETs ist deutlich unkomplizierte im Schaltungsdesign und erlaubt höhere Schaltfrequenzen.

Bild 3: Der zweistufige Gleichrichter auf Basis von SiC-MOSFETs ist deutlich unkomplizierter im Schaltungsdesign und erlaubt höhere Schaltfrequenzen. Wolfspeed

Mit SiC-MOSFETs lässt sich eine wesentlich effizientere Schaltung aufbauen. Ihr Einsatz senkt die Schaltverluste gegenüber 1200-V-IGBTs deutlich und erweitert den nutzbaren Schaltfrequenzbereich des zweistufigen 6-Schalter-PFC-Gleichrichters erheblich. Außerdem lässt sich damit gleichzeitig eine höhere Volllast- und Teillasteffizienz erreichen. Ein weiterer Vorteil der Nutzung von SiC-MOSFETs ist, dass sich die Body-Diode als antiparallele Diode nutzen lässt, was die Schaltungskomplexität und die Kosten verringert. Ein Beispiel für einen zweistufigen SiC-MOSFET-Gleichrichter zeigt Bild 3.

 

Wo der Unterschied von SiC und Si im Detail liegt, beschreibt der Beitrag auf der nächsten Seite.

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