November 2011

Referenzdesign für Micro-DC/DC-Inverter

Höchste Effizienz

Gemeinsam mit STMicroelectronics hat TDK-EPC ein Referenzdesign für miniaturisierte Gleichstromwandler in Photovoltaikanlagen entwickelt. Damit lässt sich der Wirkungsgrad der Anlagen deutlich steigern.

Die Leistung einer einzelnen Solarzelle wie auch einer ganzen Photovoltaikanlage, die in der Regel aus mehreren in Serie geschalteten Modulen besteht, wird maßgeblich von der Lichteinstrahlung bestimmt. Je größer diese ist, umso mehr Strom kann mit den Modulen erzeugt werden. Eine weitere, die Leistung bestimmende Variable ist die Temperatur der Solarzelle. Steigt sie an, nimmt die Ausgangsspannung ab. Abbildung 1 zeigt diese Abhängigkeiten.

Abbildung 1: Strom- und Spannungskennlinien eines Photovoltaikmoduls

Die Leistung eines Photovoltaikmoduls variiert sehr stark in Abhängigkeit von der Lichteinstrahlung und der Temperatur der Solarzellen.

Auf jeder dieser Kennlinien ist ein idealer Arbeitspunkt ablesbar. Er ist dann erreicht, wenn das Produkt aus Ausgangsstrom und -spannung sein Maximum hat. Der optimale Arbeitspunkt wird auch als Maximum Power Point (MPP) bezeichnet (Abbildung 2).

Abbildung 2: Idealer Arbeitspunkt

Strom-Spannungs-Kennlinie (rot) und Leistungskennlinie (blau) eines Photovoltaikmoduls. Der ideale Maximum Power Point (MPP) ist erreicht, wenn das Produkt aus Strom und Spannung maximal ist.

Maximum Power Point Tracker (MPPT) in modernen Solarinvertern bestimmen permanent über einen prozessorgesteuerten Regelalgorithmus den idealen Arbeitspunkt. Dies verringert die Abhängigkeit des MPP von sich ändernder Lichteinstrahlung und Temperatur deutlich.

Diese Methode ist akzeptabel, solange alle Module der Anlage oder eines Strangs unter denselben Bedingungen arbeiten. Bei Teilbeschattung der Anlage oder einzelner Module greift diese Methode nicht mehr, da der MPPT immer nur die gesamte Anlage oder einen Strang bewertet. Dadurch treten erhebliche Leistungseinbußen auf.

Um dieses Problem zu lösen, hat STMicroelectronics gemeinsam mit TDK-EPC einen miniaturisierten Gleichstromwandler mit integriertem MPPT entwickelt. Diese Wandler sind mit Abmessungen von nur 78 mm × 47 mm × 13 mm so platzsparend aufgebaut, dass sie in den Anschlussboxen der einzelnen Photovoltaikmodule Platz finden. Es ist sogar möglich, dass die modulinternen Zellstränge über jeweils einen dieser Wandler betrieben werden. Abbildung 3 zeigt den Schaltplan des Wandlers.

Abbildung 3: Schaltplan des Micro-Inverters mit integriertem MPPT

Der Wandler enthält vier Boost-Stränge zur Stabilisierung des Eingangsstroms. Die gesamte Logikschaltung sowie die Leistungselektronik sind in einem einzigen IC untergebracht. TDK-EPC liefert für dieses Design alle passiven elektronischen Bauelemente wie EPCOS Speicherdrosseln und TDK MLCCs.

Der Wandler ist nach dem Boost-Prinzip aufgebaut und kann somit eine Ausgangsspannung liefern, die größer als die Eingangsspannung ist. Um den Eingangsstrom des Wandlers konstant zu halten und damit auch die Effizienz der Module zu steigern, arbeitet der Wandler intern mit vier Boost-Strängen, die jeweils mit einem MOSFET-Schalter und einer SMT-Power-Induktivität von EPCOS (B82477G4473M000) realisiert sind. Diese Speicherdrosseln weisen eine Induktivität von 47 µH auf und sind für einen Dauernennstrom von 2,5 A ausgelegt. Trotz der hohen Leistungsfähigkeit zeichnen sie sich durch geringe Abmessungen von 12,8 mm × 12,8 mm × 8,0 mm aus. Um die EMV der Schaltung zu verbessern, sind Speicherdrosseln mit einer magnetischen Abschirmung versehen. Die Bauelemente sind in der realisierten Schaltung (Abbildung 3) deutlich zu erkennen.

Die Ansteuerung der vier Boost-Stränge übernimmt der MPPT-Microcontroller. Sie arbeiten mit einem Phasenversatz von 90°. Durch diese Aufteilung ergibt sich eine sehr gleichmäßige Strombelastung des Photovoltaikmoduls. Außerdem können die Kapazitätswerte der Glättungs- und Pufferkondensatoren am Ein- und Ausgang (C11 und C12 in Abbildung 3) des Wandlers klein gehalten werden. Deshalb kommen hier TDK MLCCs mit Kapazitätswerten von 1 µF und 4,7 µF zum Einsatz (siehe auch Materialliste). Die Keramiktechnologie der Kondensatoren ermöglicht bei geringen Baugrößen sehr hohe Lebensdauern und Langzeitstabilitätswerte im Vergleich zu gepolten Kondensatoren wie Tantal- oder Aluminium-Elektrolyt-Ausführungen. Eine hohe Lebensdauer ist für die Auswahl der Bauelemente ein entscheidendes Kriterium, da die Wandler in den Anschlussboxen der Photovoltaikmodule verbaut werden und damit für Wartungs- oder Austauscharbeiten schwer zugänglich sind.

Materialliste für einen DC/DC-Wandler mit MPPT bezogen auf den Schaltplan in Abbildung 3

BauelementWertHerstellerBestellnummer
C1, C2, C3, C4, C822 nFTDKC1608X7R1H223K
C111 µFTDKC3216X7R1H105K
C9220 pFTDKC1608C0G1H221J
C7470 nFTDKC1608X7R1C474K
C6, C12, C134,7 µFTDKC3225X7R1H475K
L1, L2, L3, L447 µHEPCOSB82477G4473M003
R12,7 MΩVISHAYD11/CRCW0603 1M 1%
R2110 kΩCYNTECRR0816R-114-DN-11
R34,3 MΩVISHAYD11/CRCW0603 4.3M 1%
R4110 kΩCYNTECRR0816R-114-DN-11
R51 kΩCYNTECRR0816R-102-DN-11
D1, D2STSTPS15L60B
D3STSTPS160
J35STSPV1020

In die Single-Chip-Lösung von STMicroelectronics sind neben den Leistungs-MOSFETs und dem MPPT-Controller auch drei Analog-Digital-Wandler (ADC) integriert. Zwei von ihnen erfassen Spannung und Strom am Eingang des Wandlers. Aus diesen Werten berechnet der Micro-Controller den MPP. Da durch die Boost-Topologie recht hohe Ausgangsspannungen erzielt werden können, wird der Ausgang über einen dritten ADC überwacht. Übersteigt die Ausgangsspannung einen definierten Wert, wird die Ansteuerung der MOSFET-Schalter unterbrochen. Der Strom des Moduls fließt dann direkt durch die vier Speicherdrosseln und die Entkopplungsdiode zum Verbraucher.

Welches Effizienzsteigerungspotenzial bei Photovoltaikmodulen durch den Einsatz von Wandlern ausgeschöpft werden kann, zeigt Abbildung 4. Hierbei wurden die drei Stränge eines Moduls jeweils über einen Wandler betrieben. Hieraus ergibt sich die rote Kennlinie für Strom und Spannung sowie die grüne für Leistung und Spannung. Zum Vergleich sind die Kennlinien desselben Moduls ohne Wandlerbetrieb eingezeichnet (orange und blau).

Abbildung 4: Kennlinien mit und ohne Wandlerbetrieb

Durch den Einsatz von Wandlern ergibt sich für das Photovoltaikmodul ein wesentlich breiterer MPP-Bereich (grün). Zum Vergleich: Beim Betrieb ohne Wandler ergibt sich die blaue Kennlinie mit nur einem MPP (roter Kreis).

Insgesamt kann also durch den Einsatz der MPPT-Wandler die Effizienz deutlich gesteigert werden – sowohl von einzelnen Photovoltaikmodulen als auch der gesamten Anlage. So wird zum Beispiel bei einem 24-Volt-Modul bei unterschiedlichen Ausgangsleistungen ein Wandlerwirkungsgrad von mehr als 97 Prozent erzielt (Abbildung 5).

Abbildung 5: Wirkungsgrad als Funktion der Ausgangsspannung

Bei unterschiedlichen Leistungen und Ausgangsspannungen bleibt der Wirkungsgrad aus der Kombination von Modul und Wandler besser als 97 Prozent.

50 neue Referenzdesigns in nur einem Jahr

TDK-EPC hat seine Unterstützung von STMicroelectronics (ST) bei der Entwicklung von Referenzdesigns weiter intensiviert. Innerhalb von nur einem Jahr entstanden 50 von ST entwickelte Referenzdesigns. Möglich wurden diese Referenzdesigns durch den kombinierten Einsatz modernster ICs von ST und innovativer TDK und EPCOS Produkte. Die Qualifikation der jeweils am besten geeigneten passiven Bauelemente ist nach wie vor für Halbleiterhersteller bei der Entwicklung von Referenzdesigns eine der größten Herausforderungen. Diese Bauelemente bestimmen maßgeblich die Energieeffizienz der gesamten Schaltung. „Unsere Kunden wissen, dass Referenzdesigns auf Basis leistungsfähiger TDK und EPCOS Produkte auch ohne weitere Design-Maßnahmen zuverlässig funktionieren“, erklärt Ulrich Kirchenberger, Senior Market Development Manager, Energy Efficiency, EMEA Region, ST-Microelectronics. Kunden können sich damit auf ihre Kernkompetenzen konzentrieren und gleichzeitig die Time-to-Market ihrer Produkte verkürzen.

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