Oktober 2011

Verbesserte Ferritmaterialien für Photovoltaikanlagen

Solarstrom fast verlustfrei wandeln

Verlustarme Kernmaterialien mit hoher Sättigungsflussdichte, die in Drosseln und Übertragern eingesetzt werden, bestimmen wesentlich den Wirkungsgrad von Wechselrichtern. Insbesondere für Wechselrichter von Photovoltaikanlagen ermöglicht das fortschrittliche Ferritmaterial TDK PE90, das Drosselverluste in den Aufwärtsregel- und Glättungskreisen minimiert, eine deutliche Erhöhung des Umwandlungswirkungsgrads.

Moderne Stromrichter und Wechselrichter (Inverter) für Photovoltaikanlagen beinhalten mindestens zwei Drosseln, die für die Umrichtung des Stromes nötig sind. Eine Drossel wird für den Aufwärtswandler (Aufwärtsregelkreis) benötigt und eine weitere am Ausgang zur EMV-Filterung oder Glättung (Abbildung 1). Ziel ist es, bei modernen Invertern künftig einen Wirkungsgrad von 98 Prozent und mehr zu erreichen.

Abbildung 1: Schaltbild eines Wechselrichters

Für Solarwechselrichter werden mindestens zwei Leistungsdrosseln benötigt: eine im Aufwärtswandler und eine am Ausgang des Wechselrichters für die EMV-Filterung. Neben den IGBTs haben die Verluste in den Drosseln einen entscheidenden Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad des Wechselrichters.

Konventionelle Kernmaterialien verursachen Verluste in Höhe von ungefähr 0,5 Prozent der Ausgangsleistung einer jeden Drossel. Bis vor Kurzem wurden Verlustwerte in dieser Größenordnung als nicht signifikant betrachtet. Doch auf dem zunehmend wettbewerbsintensiven Solarmarkt beeinträchtigen solche Verluste die Absatzchancen für eine Photovoltaikanlage. In der Folge spielt das Design von Drosseln und Übertragern für die Hersteller von Wechselrichtern eine immer größere Rolle.

Wenn die Drosseln und Übertrager dazu beitragen sollen, den Wirkungsgrad von Wechselrichtern zu erhöhen, müssen sie eine sehr hohe magnetische Sättigungsflussdichte aufweisen. Diese muss so hoch sein, dass die Drosseln und Übertrager den Spitzenstrom von Wechselrichtern der Leistungsklasse von 3,3 bis 5,5 kW tolerieren. Wechselrichter dieser Klasse sind in den Photovoltaikanlagen von Privathaushalten weit verbreitet. Zudem müssen die induktiven Bauelemente weitaus geringere Kernverluste aufweisen, als sie mit konventionellen Materialien wie Siliziumstahlblech oder Sendust erreichbar sind. Eine Lösung für diesen Anwendungsbereich ist das fortschrittliche Ferritmaterial TDK PE90, das sich durch herausragende Werte bei Verlustleistung und Sättigungsflussdichte auszeichnet.

Modernes Ferritmaterial TDK PE90 eröffnet neue Möglichkeiten

Das neue Ferritmaterial TDK PE90 stellt eine Weiterentwicklung des vorhandenen Produkts PE22 mit hoher Sättigungsflussdichte dar. Beide Materialien wurden in einer Prototyp-Drossel mit den Abmessungen 109 × 55 × 115 mm3 getestet. Die angepassten Werte für den Luftspalt und die Induktivität von PE22 und PE90 waren etwa gleich hoch (1,1 mH). Der Spitzenwert des Stroms bei DC-Überlagerung, der durch die magnetische Sättigung bestimmt ist (Induktivitätsabnahme um 10 Prozent bei IDC von 0 A), wurde auf etwa 20 A angepasst. Die DC-Überlagerungseigenschaften, die die Strombelastbarkeit von Drosseln und Übertragern entscheidend beeinflussen, sind ein wesentlicher Bemessungsfaktor. Während das Material PE22 mit hoher magnetischer Sättigungsflussdichte bei 19 A die magnetische Sättigung erreichte, hielt das neu entwickelte PE90 seine Drosselfunktion noch bis 21 A aufrecht. Dieser Wert liegt um etwa 10 Prozent über dem von PE22 (Abbildung 2).

Abbildung 2: Induktivität in Abhängigkeit von der DC-Überlagerung (Beispiel)

Dank der herausragenden Materialeigenschaften und der hohen magnetischen Sättigungsflussdichte ist das TDK Ferritmaterial PE90 mit einer Stromstärke belastbar, die etwa 10 Prozent über der des PE22 liegt.

Weiterhin lag die Kernverlustleistung des Materials TDK PE90 bei 100 °C um 23 Prozent unter dem des PE22, was zu einem steileren Anstieg der magnetischen Flussdichte führt. Die Linearität der Hysterese-Nebenschleife wurde bis zur Sättigung aufrechterhalten. Mit anderen Worten: Das Material PE90 ist ein herausragender Leistungsferrit mit einer hohen magnetischen Sättigungsflussdichte Bs und das erste Material dieser Art, das als verlustarm eingestuft werden kann. Daher ist es nun möglich, Drosseln mit weichen magnetischen Metallen gegen Drosseln gleicher Größe auszutauschen, die das Ferritmaterial TDK PE90 verwenden.

Bis zu einem Drittel weniger Drosselverluste

Die Vorteile des Ferritmaterials TDK PE90 werden noch offensichtlicher, wenn es mit konventionellen Materialien wie Siliziumstahlblech und Sendust verglichen wird. Ein Vergleich der tatsächlichen Leistung der im Wechselrichter integrierten Drosseln auf Grundlage ihrer gesamten Eisen- und Kupferverluste zeigt deutlich die Überlegenheit von TDK PE90 gegenüber konventionellen Materialien. Bei einer Simulation von Drosseln, wie sie im Glättungskreis von Wechselrichtern für 3-kW-Photovoltaikanlagen zum Einsatz kommen, wies das Material PE90 33 Prozent weniger Verluste auf als eine Siliziumstahlblech-Drossel vergleichbarer Größe und etwa 30 Prozent weniger Verluste als eine ähnlich große Sendust-Drossel (Abbildung 3).

Abbildung 3: Simulation der Verlustleistungen bei TDK PE90 und konventionellen Kernmaterialien
Kernmaterial Siliziumstahlblech PE90
Kernabmessungen [mm]* 105 × 110 × 60
Drosselverlustleistung [W]14,49,7
Verlustverhältnis [%]** 10067,4
Verlustverringerung [W]--4,7
Kernmaterial SendustPE90
Kernabmessungen [mm]* 100 × 110 × 60105 × 110 × 60
Drosselverlustleistung [W]13,89,7
Verlustverhältnis [%]** 10070,3
Verlustverringerung [W]--4,1

*Querschnitt der Kern- und Rechteckwindungen bei beiden Materialien identisch. Anzahl der
Windungen, bei denen Eisen- und Kupferverluste fast identisch sind.
**Verlustleistung der Vergleichsdrossel = 100

Hochfrequenzwechselrichter mit kleineren Drosseln

Die Mehrzahl der Wechselrichter, die einen Wirkungsgrad von mindestens 95 Prozent erreichen, setzt IGBTs ein, die einen schnellen Betrieb und geringere Verlustleistungen ermöglichen. Doch können diese IGBTs mit einer integrierten schnellen Soft-Recovery-Diode Schaltvorgänge bis ungefähr 30 kHz unterstützen, was den Frequenzbetriebsbereich von Drosseln mit Siliziumstahlblech und Sendust übersteigt. Zudem bieten die neuesten IGBTs für Hochleistungsanwendungen wesentlich geringere Verlustleistungen und sind auch viel schneller, sodass sie den Einsatz von 30- bis 50-kHz-Steuerelementen ermöglichen, die die Hochgeschwindigkeits-Schaltanforderungen der Wechselrichter erfüllen.

Wenn alle installierten Drosseln, einschließlich der für die Aufwärtsregelung, mit dem technisch führenden Ferritmaterial TDK PE90 mit dessen überlegenen Kernverlust-Frequenzeigenschaften entworfen werden, ist es möglich, die Betriebsfrequenz von Wechselrichtern von den heute üblichen 15 kHz bis 20 kHz auf 30 kHz bis 35 kHz zu erhöhen. Eine solche beinahe Verdoppelung des Betriebsfrequenzbereichs erschwert aber den Einsatz von Siliziumstahlblechen und Sendust.

Selbst im höheren Frequenzbereich weist TDK PE90 immer noch eine viel geringere Kernverlustleistung auf als Sendust bei 15 kHz bis 20 kHz. Während sich die Kupferverluste bei den höheren Frequenzen vergrößern, sinkt die benötigte magnetische Flussdichte, sodass die Kerngröße verringert werden kann. Aus diesem Grund ermöglicht der Einsatz von TDK PE90 als Kernmaterial mit noch kleineren Drosseln die Entwicklung von Wechselrichtern mit noch höheren Wirkungsgraden.

Tabelle: Eigenschaften des Ferritmaterials TDK PE90
Anfangspermeabilität* [kW/m³]bei 23 °C: 2200
Kernverlustleistung PCV** [kW/m³]bei 90 °C: 60
bei 100 °C: 68
Magnetische Sättigungsflussdichte Bs*** [mT]bei 23 °C: 530
bei 100 °C: 430
Remanenz Br*** [mT]bei 23 °C: 170
Intrinsische Koerzitivkraft HC*** [A/m]bei 23 °C: 13
Curie-Temperatur TC [°C]250 (min.)
Spezifischer elektrischer Widerstand [Ω × m]6,0
Fülldichte dapp [kg/m³]4,9 × 103
Thermischer Ausdehnungskoeffizient [1/K]12 × 10-6
Thermische Leitfähigkeit κ [W/mK]5
Spezifische Wärme Cp [J/kg × K]600
Biegefestigkeit δb3 [N/m²]9 × 107
Young-Modul E [N/m²]1,2 × 1011
Magnetostriktive Konstante λS-0,6 × 10-6

* bei 1 kHz, 0,4 A/m
** bei 25 kHz, 200 mT
*** bei 1194 A/m

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