Die wesentlichen Designkonzepte

So gelingt die Integration von Energiespeichern in PV-Netze


Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Wide-Bandgap-Materialien für Effizienz und natürliche Konvektion

Um ein schlankes, für Wandmontage geeignetes ESS zu realisieren, muss sichergestellt werden, dass das Wechselrichterdesign thermisch optimiert ist und mit Konvektionskühlung auskommt. Insbesondere kann eine verteilte Leistungs-Architektur die anfallende Wärme über das ganze System verteilen. Derartige Architekturen ermöglichen außerdem den Energiespeicher-Wechselrichter, der zur Unterstützung hoher Ströme bei unterschiedlichen Spannungen benötigt wird und ein verlässliches Lastsprung-Verhalten bei rasch wechselndem Bedarf erzielt.

Systeme dieser Art benötigen Gatetreiber, die hohe Schaltgeschwindigkeiten unterstützen und Schutz bei Schaltfrequenzen zwischen 100 und 400 kHz bieten. Schließlich kann der Wirkungsgrad von Leistungswandler-Stufen stark einbrechen, wenn die Schaltgeschwindigkeit zu gering ist.

Hier kommen WBG-Werkstoffe wie SiC und GaN ins Spiel, die höhere Schaltgeschwindigkeiten erreichen und eine höhere Leistungsdichte bieten. Mit Halbleiterbausteinen auf der Basis dieser Materialien lassen sich Systeme realisieren, die ohne Lüfter auskommen. Der LMG3425R030 etwa, ein GaN-Baustein mit integrierten Treiber- und Schutzfunktionen, zeichnet sich durch kleine Abmessungen, hohe Leistungsdichte und kürzere Schaltzeiten aus.

Der Gatetreiber erzeugt aus dem vom Controller kommenden digitalen PWM-Signal den Strom, der zur Ansteuerung des SiC- oder GaN-FET verwendet wird. Die PWM-basierten Controller stellen sicher, dass präzise Strom- und Spannungswerte von mehreren Leistungswandler-Stufen erfasst werden.schaltende GaN-FETs mit integrierten Gatetreiber- und Schutz-Features.

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Bild 3: Das im nicht-lückenden Betrieb arbeitende Totem-Pole-Referenzdesign nutzt eine digitale Regelung mit einer Echtzeit-MCU der C2000-Familie sowie schnell.
Bild 3: Das im nicht-lückenden Betrieb arbeitende Totem-Pole-Referenzdesign nutzt eine digitale Regelung mit einer Echtzeit-MCU der C2000-Familie sowie schnell.
© Texas Instruments

Ein Referenzdesign für eine bidirektionale, GaN-basierte PFC-Stufe mit CCM-Totem-Pole-Architektur und hoher Leistungsdichte auf Basis eines C2000-Mikrocontrollers enthält eine bidirektionale, brückenlose Totem-Pole-PFC-Stufe, die mit einer Echtzeit-MCU der Reihe C2000 und einem GaN-FET des Typs LMG3410R070 mit integrierten Treiber- und Schutzfunktionen bestückt ist (Bild 3). Das bidirektionale Design mit einer Leistung von 3 kW unterstützt das Phase Shedding und eine adaptive Totzeit, um den Wirkungsgrad anzuheben. Eine nichtlineare Spannungs-Regelschleife reduziert außerdem die Entstehung von Spannungsspitzen bei etwaigen Transienten im PFC-Modus.

Strom- und Spannungs-Erfassung

In Power-Designs, die mit hohen Frequenzen schalten, ergibt sich das Problem der präzisen Erfassung von Strömen und Spannungen. Die auf Shunt-Widerständen basierende Strommessung ist nicht nur präziser, sondern erreicht kürzere Ansprechzeiten und ermöglicht eine schnellere Reaktion auf etwaige Schwankungen im Netz, um das System beispielsweise abschalten zu können, wenn es zu einem Kurzschluss kommt oder die Verbindung zum Netz unterbrochen wird.

Strommessungen sind in allen auf Wechselrichtern basierenden Designs unabdingbar, da die Regelungsalgorithmen auf diese Messwerte angewiesen sind. Für isolierte Strommessungen stehen Designlösungen zur Verfügung, die auf externen Shunt-Widerständen sowie isolierten Verstärkern oder Modulatoren und Stromversorgungen beruhen. Ein Referenzdesign für einen dreiphasigen-3-Level-AC/DC-Wandler auf SiC-Basis etwa nutzt den isolierten Modulator AMC1306 zur Überwachung des Laststroms. Der AMC3306 ist ein zur nächsten Generation gehörender isolierter Modulator, der mit seinem integrierten Gleichspannungswandler den Betrieb mit einer einzigen Versorgungsspannung ermöglicht.

Für digitale Signale, die in Wechselrichter-basierten Anwendungen mit hohen Spannungen zwischen verschiedenen Spannungsbereichen übertragen werden müssen, kann auf Isolations-Bausteine zurückgegriffen werden, um etwaige Spannungs-Restriktionen zu überwinden. Digitalisolatoren wie der ISO7741 gestatten die Übertragung von Signalen über verschiedene Spannungsbereiche hinweg und schützen die mit niedrigen Spannungen arbeitenden digitalen Schaltungen vor hohen Spannungen.

Leistungswandler müssen außerdem den Netzstrom messen, um zu gewährleisten, dass Strom und Spannung phasengleich sind. Darüber hinaus kontrollieren Strom- und Spannungsmessungen den Batterieladestrom, den Wechselrichterbetrieb und den Überlastungsschutz.

Die Design-Konzepte auf einen Blick

Hybrid-Wechselrichter, die die bidirektionale AC/DC- und DC/DC-Leistungswandlung unterstützen, dürften die traditionellen Wechselrichter schon in wenigen Jahren ersetzen, denn sie geben den Designern von PV-Wechselrichtern die Möglichkeit, Leistungswandler mit einem weiten Bereich von Ausgangsleistungen und -spannungen zu implementieren.

Bei speicherfähigen PV-Wechselrichtern kommt es auf höhere und größere Spannungsbereiche an. Abgesehen von der Forderung nach einem hohen Wirkungsgrad und natürlicher Konvektion können Komponenten wie eine MCU-basierte Regelung und WBG-Halbleiter mit integrierten Gatetreiber- und Schutzfunktionen dafür sorgen, dass diese höheren und weiteren Batteriespannungs-Bereiche unterstützt werden.

Echtzeit-MCUs der C2000-Familie und GaN-Bausteine des Typs LMG3425R030 ermöglichen den bidirektionalen Energietransfer in einer speicherfähigen PV-Anlage. Mit der auf Shunts basierenden Strom- und Spannungsmessung lässt sich ferner sicherstellen, dass Batterien mit höheren Spannungen sowie schnell schaltende Leistungswandler sicher und zuverlässig arbeiten.


  1. So gelingt die Integration von Energiespeichern in PV-Netze
  2. Wide-Bandgap-Materialien für Effizienz und natürliche Konvektion

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