Entwicklungstrends und Lösungen für Solarwechselrichter

Vor dem Hintergrund globaler Bemühungen zur Förderung von grüner Energie und Zielen zur Kohlenstoffreduktion hat sich die Solartechnologie rasch entwickelt und ist zu einer zentralen Säule der erneuerbaren Energien geworden. Unter diesen Technologien haben Solarwechselrichter, als das kritische Kerngerät, das den von Solarmodulen erzeugten Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umwandelt, einen direkten Einfluss auf die Effizienz und Zuverlässigkeit des gesamten Stromerzeugungssystems. Dieser Artikel untersucht die neuesten Entwicklungstrends bei Solarwechselrichtern und die von onsemi eingeführten innovativen Lösungen zur Bewältigung der Herausforderungen des zukünftigen Energiewandels und intelligenter Netze. 

Mit dem kontinuierlichen Wachstum der Zivilisation und Bevölkerungsdichte wird die Rate der CO₂-Emissionen zunehmend schwerer zu kontrollieren. Die durch Kohlenstoffemissionen verursachte globale Erwärmung wird zu einer Verschlechterung des Klimas führen und unserem Planeten unweigerlich schaden. Daher müssen wir zur Lösung dieses Problems saubere Energiequellen wie Wind- und Solarenergie nutzen.

Erneuerbare Energiequellen wie Solar- und Windenergie gehören zu den effizientesten Möglichkeiten, um Kohlenstoffemissionen zu reduzieren. Im Gegensatz zur Windkraft werden Solarwechselrichter in verschiedenen Anwendungen weit verbreitet eingesetzt. Heutzutage können Menschen in Verbindung mit Energiespeichersystemen diese kostenlose Energie steuern und speichern. Der Kern eines Solarwechselrichters besteht aus Hochleistungskonversionsstufen, DC-DC-Aufwärtswandlern und DC-AC-Wechselrichtern. Mit Fortschritten bei Leistungsschaltern und neuen Anforderungen von Endprodukten sind viele neue Topologien entstanden.

Der Hauptvorteil der Solarenergie besteht darin, dass sie eine "kostenlose" Energiequelle ist, solange ein Solar-Wechselrichtersystem installiert ist. Dieser Prozess ist umweltfreundlich, da er keine Emissionen erzeugt und auf einer reichlichen und nachhaltigen Ressource - der Sonne - basiert. Die Nutzung von Solarenergie hilft, den Klimawandel zu bekämpfen, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und eine zuverlässige Energiequelle bereitzustellen. Darüber hinaus führt dies häufig zu langfristigen Kosteneinsparungen für Privatpersonen und Unternehmen durch niedrigere Stromrechnungen.

Solarwechselrichter werden in verschiedene Kategorien unterteilt, die nach Typ (zentral, String, Mikro) oder Endanwendung (Wohngebäude, Gewerbe, Versorgungsunternehmen) unterschieden werden. Derzeit sind String-Wechselrichter der beliebteste Typ aufgrund ihrer Flexibilität und einfachen Installation. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Leistungsgeräten steigt die Leistungsstufe/-dichte eines einzelnen Wechselrichters, während die Gerätekosten und -größen abnehmen, was sie zur Hauptwahl auf dem Markt für Solarwechselrichter macht.

Zentrale Solarwechselrichter werden typischerweise in Versorgungsstationen im großen Maßstab mit ultrahoher Kapazität installiert. Aufgrund der Standortbegrenzungen bei der Installation wurde die neu installierte Kapazität zentraler Wechselrichter in den letzten Jahren jedoch von Stringwechselrichtern übertroffen. Mikro-Solarwechselrichter, die für die Stromerzeugung in Wohngebieten verwendet werden, werden ebenfalls weit verbreitet eingesetzt, um städtische Infrastrukturen wie Straßenlaternen und Ampeln mit Strom zu versorgen.

Mit den steigenden Anforderungen an Energieumwandlungseffizienz und hoher Leistung ist der Trend, Siliziumkarbid (SiC) anstelle traditioneller Halbleiter einzusetzen, entstanden, da SiC zur Verbesserung der Effizienz beiträgt. Im Vergleich zu traditionellen siliziumbasierten MOSFETs/IGBTs sind SiC-Bauelemente besser für Hochspannungsanwendungen geeignet. Hochspannungsbauelemente können Topologien vereinfachen und den Bedarf an mehrstufigen Umrichtern eliminieren. SiC-Wechselrichterlösungen weisen geringere Verluste auf als IGBT-Lösungen, und SiC-MOSFETs schalten schneller, was die Größe passiver Bauelemente, insbesondere der Induktivitäten, verringert. Diese beiden Faktoren erhöhen die Leistungsdichte und ermöglichen höhere Leistung in Geräten gleicher Größe und Gewicht. Dennoch müssen bei der Produktgestaltung Kompromisse zwischen Kosten und Leistung berücksichtigt werden, und die tatsächlichen Anforderungen müssen verstanden werden, um die geeignetste Lösung zu bestimmen.

Andererseits wird der Austausch von SiC-Dioden aufgrund ihrer sinkenden Kosten, der minimalen Änderungen im Schaltungsdesign und vor allem aufgrund der erheblichen Verbesserungen der Systemleistung, insbesondere in DC-DC-Stufen, immer häufiger. Zusätzlich können höhere Frequenzen die Größe passiver Geräte reduzieren.

Für Hochleistungsprodukte (über etwa 200 kW) sind IGBTs die bevorzugte Wahl, da sie unter Hochstrombedingungen gut abschneiden und das System keine sehr hohen Schaltfrequenzen erfordert. Das bedeutet, dass die langsame Abschaltung von IGBTs keine wesentlichen Probleme verursacht. Im Gegensatz dazu erfordert ein vollständiges SiC-System eine komplett neue Systemauslegung, die erhebliche Kosten verursacht. Beispielsweise ist die Treiberschaltung eines auf IGBT basierenden Konverters mit einem SiC-basierten System nicht kompatibel. Neue Schutzmethoden müssen ebenfalls in Betracht gezogen werden, da SiC-Komponenten eine kürzere Kurzschlussbelastungszeit (SCWT) im Vergleich zu IGBTs aufweisen.

Mit der steigenden Nachfrage nach hoher Leistung reduzieren 1500 V anstelle von 1100 V Strängen die Verbindungskosten für ein gegebenes Leistungsniveau aufgrund des geringeren Stroms. Um diesem Trend gerecht zu werden, wurden Hochspannungsschalter entwickelt. Ob Hochspannungsschalter oder mehrstufige Topologien verwendet werden, die Betriebsleistung von Solarwechselrichtern kann deutlich verbessert werden.

Darüber hinaus sind dreistufige Solarwechselrichter oft die bevorzugte Wahl für Hochleistungs-Solarwechselrichter aufgrund ihrer optimierten EMI-Leistung, Schaltverluste und Drosselstromwelligkeit. Sie stellen jedoch auch Herausforderungen für das PCB-Design und Schaltschemata dar. Mit der Entwicklung von SiC wurden Leistungsmodulen und diskrete Leistungsbauelemente mit maximalen Betriebsspannungen ≥ 2000 V entwickelt und eingesetzt. Obwohl es noch Lücken (wie höhere Anforderungen an andere Komponenten/Zubehörteile) vor der Massenproduktion gibt, kann ein zweistufiges 1500-V-System die Design- und Steuerungskomplexität erheblich reduzieren und gleichzeitig die Größe der Endprodukte verringern.

Eine weitere aufkommende Möglichkeit sind hybride Solarwechselrichter, die typischerweise für Wohnanwendungen verwendet werden und über einen zusätzlichen DC-DC-Wandler verfügen, der mit dem Bus des Solarwechselrichters verbunden ist. Der externe DC-DC-Wandler verbindet sich mit einem Batteriepaket, das Energiespeicherung zur Verfügung stellt oder Energiearbitrage ermöglicht. Dieses neue System ist in ein Gehäuse integriert, das traditionellen Wohn-Solarwechselrichtern ähnelt.

Im Hinblick auf die Systemimplementierung umfassen die Hauptkomponenten eines String-Wechselsrichtersystems das Solarmodul-Array, die DC-Link-Kondensatoren und den Wechselrichter (DC/AC-Konverter). Eine DC-DC-Booster-Stufe wird häufig zwischen den PV-Strings und dem DC-Link eingesetzt. Diese Systeme erfüllen hauptsächlich zwei Funktionen: Erhöhung der Ausgangsspannung der PV-Strings auf das DC-Link-Betriebsniveau und Implementierung der Maximum Power Point Tracking (MPPT) Funktion zur Maximierung der Energieerzeugung bei unterschiedlichen Umwelt- und Sonnenlichtbedingungen. Wenn der PV-String die DC-Link-Betriebsspannung erreicht, wird der DC/DC-Konverter (über eine niedrige V_F Diode) umgangen, um die Effizienz zu maximieren.

In Bezug auf Leistungs- und Spannungsniveaus ist die Wechselrichterstufe in einphasiger und dreiphasiger Konfiguration erhältlich. Die einphasigen Systeme sind je nach Region von unter 1 kW bis zu 10 kW ausgelegt, mit DC-Link-Spannungen, die typischerweise von 300 V bis 600 V reichen. Dreiphasensysteme decken ein breites Leistungsspektrum ab, von 15 kW für leichte kommerzielle Anwendungen bis über 300 kW für Anwendungen im Versorgungsmaßstab. Die DC-Link-Spannung arbeitet typischerweise bei 1100 V (Wohn-, Gewerbe- und Versorgungsbereich) oder 1500 V (Gewerbe- und Versorgungsbereich).

In Bezug auf das Topologiedesign variieren Leistungshalbleiterlösungen im breiten Spektrum der Leistungs- und Spannungspegel. Für Hochleistungsanwendungen werden häufig Power Integrated Modules (PIMs) mit IGBTs, SiC MOSFETs und/oder SiC/Hybrid-Lösungen bevorzugt. Multi-Level-Topologien müssen für Hochspannungs-Bussysteme in Betracht gezogen werden. Zwei-Level-Systeme bieten ebenfalls Vorteile in Bezug auf System- und Steuerungskomplexität, stellen jedoch höhere Anforderungen an Leistungsschalter.

Bei der Wahl zwischen diskreten Geräten und Leistungsmodule gibt es viele Faktoren, die die Entscheidungen der Kunden beeinflussen. Für Hochleistungsprodukte werden jedoch Modullösungen dringend empfohlen, insbesondere beim Parallelschalten mehrerer diskreter MOSFETs/IGBTs. Modullösungen vereinfachen Probleme wie langfristige Leistungsungleichgewichte, die durch ungleichmäßige Strom- und Wärmeverteilung, Schaltzeiten und Verkabelungen verursacht werden.

onsemi bietet eine Reihe von Solarwechselrichterlösungen an, darunter diskrete SiC- und IGBT-Bauelemente, Leistungsmodulen, isolierte Gate-Treiber und Stromveraltungs-Controller, um die Systemleistungsdichte und -effizienz zu verbessern.

Nachfolgend sind einige Highlights der Lösungen von onsemi aufgeführt. Erstens ist die neue EliteSiC 1200 V M3S planar SiC MOSFET-Serie für schnellschaltende Anwendungen und den Betrieb bei hohen Temperaturen optimiert. Planar-Technologie sorgt für zuverlässige Leistung bei negativem Gate-Spannungsantrieb und unterdrückt Gate-Spikes. Diese Serie liefert optimale Leistung mit einem 18 V Gate-Antrieb, funktioniert aber auch gut mit 15 V. Verbesserte parasitäre Kapazität macht sie für den Hochfrequenzbetrieb geeignet, mit R_DS(ON) = 22 mΩ @ V_GS = 18 V, ultraniedriger Gate-Ladung (QG_(TOT) = 137 nC), niedriger Kapazität (C_OSS = 146 pF) und Hochgeschwindigkeitsschalten. Es verfügt über ein 4-Pin TO-247-4L Gehäuse mit Kelvin-Source, ist zu 100 % avalanche-getestet, halogenfrei und RoHS-konform.

Die neue 1200 V Trench Field Stop VII IGBT-Serie verfügt über eine schmale Trench-Mesa und ein protonenimplantiertes Multi-Buffer, das schnelles Schalten und niedrige V_CE(SAT)-Typen bietet. Verbesserte parasitäre Kapazität unterstützt den Hochfrequenzbetrieb, und sie ist in gängigen Gehäusen erhältlich. Zielanwendungen umfassen Energieinfrastruktur und Fabrikautomation.

Das umfangreiche Portfolio von onsemi an vollständigen SiC Power Integrated Modules (PIMs) umfasst Halbbrücken-, Vollbrücken- und andere größere Topologie-Konfigurationen. Diese Module zeichnen sich durch niedrigen thermischen Widerstand, integrierte NTC-Thermistoren, niedrigeren R_DS(ON) bei höheren Spannungen, höhere Effizienz und Leistungsdichte sowie flexible, hochzuverlässige thermische Schnittstellenlösungen aus.

Da der globale Energiewandel an Fahrt gewinnt, entwickeln sich die Solarinverter-Technologie und ihre Anwendungen weiter in Richtung höherer Effizienz, Intelligenz und Modularität. Angesichts vielfältiger Anwendungsszenarien und anspruchsvoller Betriebsumgebungen müssen Hersteller kontinuierlich Designarchitekturen optimieren, das Wärmemanagement und die Schutzmechanismen verbessern und fortschrittliche Leistungshalbleiter und Regelalgorithmen einsetzen. Die Solarinverter-Lösungen von onsemi können bei der Entwicklung umweltfreundlicherer und kohlenstoffarmer Energiewandlungssysteme helfen und eine zentrale Rolle im zukünftigen grünen Energiesystem spielen und die Verwirklichung nachhaltiger Entwicklung vorantreiben.