Vor- und Nachteile verschiedener Mikro-Inverter-Topologien

Auf die Zuverlässigkeit kommt es an

Einstufige Mikro-Inverter-Topologien sind relativ einfach aufgebaut und kostengünstig. Die zweistufigen Topologien sind zwar komplexer und damit teurer, erlauben es aber, langlebigere Bauelemente einzusetzen, beispielsweise Folien- statt Elektrolytkondensatoren.

Einfachere Installation, lokales Maximum Power Point Tracking (MPPT), höhere Redundanz und damit höhere Ausfallsicherheit – das sind die Argumente, die die Befürworter der Mikro-Inverter gegenüber String- und Zentralwechselrichtern ins Feld führen. In welchem Umfang sie diese Vorteile in der Realität bieten, hängt nicht zuletzt von der Topologie ab, auf deren Basis sie arbeiten.

Denn die Anforderungen an die Elektronik in PV-Anlagen sind hoch: Sie muss extremen Temperaturen standhalten und dennoch eine lange Lebensdauer erreichen. Die Temperaturen hinter einem PV-Modul können im Winter einiges unter dem Gefrierpunkt liegen, im Sommer bis auf über +90 °C klettern.

Für den Einsatz in verschiedenen Topologien hat National Semiconductor den Photovoltaic-Full-Bridge-Driver SM72295 entwickelt, auf dem die wesentlichen Schaltungselemente integriert sind: MOSFET-Gate-Treiber, die Signalaufbereitung sowie die Under-Voltage-Lockout‑ und Overvoltage-Shutdown-Funktionen. Wie die übrigen die SolarMagic-ICs der Renewable-Energy-Grade-Reihe sind die Treiber für den Betrieb bei Temperaturen von ‑40 °C bis +125 °C spezifiziert. Außerdem werden die ICs nach den Standards für solche Produkte geprüft, die für eine Lebensdauer von 25 Jahren ausgelegt sind.

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Bild 1: Blockschaltbild eines Mikroinverters mit einstufiger Topologie. Die DC/DC-Stufe lässt sich als quasi-resonante Interleaved-Flyback-Schaltung oder auf der Basis einer anderen Topologie realisieren.

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Bild 1: Blockschaltbild eines Mikroinverters mit einstufiger Topologie. Die DC/DC-Stufe lässt sich als quasi-resonante Interleaved-Flyback-Schaltung oder auf der Basis einer anderen Topologie realisieren.

Einstufige Mikroinverter

Es gibt eine Vielzahl von Mikroinverter-Topologien, die sich in zwei Hauptkategorien einteilen lassen. Die erste Kategorie (Bild 1) enthält einen DC/DC-Wandler und regelt die Ausgangsspannung des Wandlers so, dass sie die Form einer gleichgerichteten Sinuswelle hat. Diese gleichgerichtete Sinuswelle wird dann von einer zum Entfalten dienenden, an die Netzspannung angeschlossenen Brückenschaltung in eine echte Sinuswelle verwandelt.

Auch wenn dies vielleicht nicht der treffendste Name sein mag, wird diese Art Mikroinverter als einstufiger Mikroinverter bezeichnet, weil das Heraufsetzen der vom Panel gelieferten Spannung und das Formen der Ausgangs-Wechselspannung in ein- und derselben Stufe erfolgen.

Eine formellere Kategorisierung der Mikroinverter-Topologien bezeichnet diese Bauform dagegen als PV-seitig entkoppelte Topologie, weil die Eingangskondensatoren die Veränderungen der AC-Leistung entkoppeln. Die gängigste Variante dieser Kategorie ist die quasi-resonante Interleaved-Flyback-Schaltung, doch gibt es abgesehen davon auch weitere Ausführungen wie die nicht-quasi-resonante Interleaved-Flyback-Schaltung und den Interleaved-Durchflusswandler. Die Stufe, die die sinusförmige Wechselspannung erzeugt, wird meist mit 4 SCRs (Silicon Controlled Rectifiers) implementiert, die mit der Netzfrequenz schalten.

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Bild 2: Das Prinzipschaltbild einer quasi-resonanten Interleaved-Flyback-Schaltung auf Basis des SM72295. Der Strom wird mit high-seitigen Stromabtast-Widerständen erfasst. Die bei zu hoher Ausgangsspannung ansprechende Shutdown-Funktion ist mit Spannungsabtast-Wicklungen und dem OVS-Pin implementiert.

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Bild 2: Das Prinzipschaltbild einer quasi-resonanten Interleaved-Flyback-Schaltung auf Basis des SM72295. Der Strom wird mit high-seitigen Stromabtast-Widerständen erfasst. Die bei zu hoher Ausgangsspannung ansprechende Shutdown-Funktion ist mit Spannungsabtast-Wicklungen und dem OVS-Pin implementiert.

Für den Aufbau eines Single-Stage-Mikroinverters (Bild 2), der in seinem DC/DC-Teil eine quasi-resonante Interleaved-Flyback-Schaltung enthält kann der SM72295 den Vorteil seines hohen Integrationsgrads ausspielen: Der Mikroinverter-Designer kann die Leistungsdichte maximieren, während sich der Bauteileaufwand – und damit auch die benötigte Leiterplattenfläche – reduziert. Der SM72295 kombiniert vier unabhängige, für 3 A ausgelegte MOSFET-Gate-Treiber mit einer Signalaufbereitungs-Stufe, einer Power-Good-Funktion und einer Überspannungserkennung. Die Signaleingänge der Gate-Treiber sind kompatibel zu 3,3‑ und 5-V-Logik. Die integrierte Signalaufbereitung verfügt über zwei Kanäle und ist für high-seitige Stromabtastwiderstände mit Gleichtaktspannungen bis zu 100 V optimiert. Auf einen Transkonduktanzverstärker, der die Verstärkung übernimmt, folgt ein Puffer mit geringer Impedanz, an den sich ein A/D-Wandler anschließen lässt.

Stromabtastwiderstände zu verwenden, ist kostengünstiger als die weit verbreiteten Stromwandler einzusetzen. Die Möglichkeit, diese Widerstände im high-seitigen Stromweg, d. h. auf der positiven Seite, und nicht low-seitig (zur Masse gewandt) anzuordnen, kann außerdem das Layout vereinfachen, weil man sich hiermit ein Unterteilen der Massefläche erspart und überdies in Fällen, in denen die Spannungen an den Abtastwiderständen unter das Massepotenzial fallen können, ohne negative Versorgungsspannung auskommt.

Vorteilhaft an Mikroinvertern mit einstufiger Topologie sind der geringere Bauteileaufwand, die niedrige Schaltfrequenz der Brücke und die einfache Implementierung der Isolation. Nachteilig dagegen ist einerseits, dass die primärseitigen Schalter und die sekundärseitige Diode für hohe Spannungen ausgelegt sein müssen, und andrerseits der hohe 120-Hz-Welligkeitstrom (ripple current) am Eingang. Dieser Strom muss in Grenzen gehalten werden, um einen akzeptablen Wirkungsgrad beizubehalten.

Ausschlaggebend hierfür ist, dass die Lastkurve eines PV-Moduls einen bestimmten Maximum Power Point (P_MP) aufweist, der bei der Spannung V_MP und dem Ausgangsstrom I_MP liegt. Um eine größtmögliche Energieausbeute zu erzielen, versucht der Mikroinverter die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom des Moduls mithilfe eines MPPT-Algorithmus so nah wie möglich an V_MP und I_MP zu halten. Jegliche Abweichungen von V_MP und I_MP, wie sie unter anderem durch den Welligkeitsstrom am Mikroinverter-Eingang entstehen können, gehen zu Lasten des Energieertrags. Zur Reduzierung des Welligkeitsstroms werden am Eingang des Mikroinverters große Kondensatoren angeordnet, für die aus Kosten‑ und Platzgründen nur Elektrolyt-Kondensatoren in Frage kommen.

1. Teil: Auf die Zuverlässigkeit kommt es an
2. Teil: Zweistufige Mikroinverter: Zuverlässig und blindstromfähig

Weiterführende Links:

• Schaltregler-Effizienz: Effizient schalten und walten
• National Semiconductor: Referenzdesign kombiniert ICs und MBDF-Firmware: SolarMagic-Chipsatz erkennt Lichtbögen in PV-Anlagen
• Wechselrichter müssen die eingespeiste Leistung bei steigender Frequenz absenken: Das 50,2-Hz-Problem lösen
• National Semiconductor mit Premiere: Vollbrücken-PWM-IC integriert MOSFET-Gatetreiber