Die Effizienz des Wechselrichters steht in direktem Zusammenhang mit der erzeugten Energie des Systems und ist daher ein wichtiger Indikator, der den Kunden sehr am Herzen liegt. Es ist von großer Bedeutung, die Umwandlungseffizienz des Wechselrichters zu erhöhen.
Der einzige Weg, die Effizienz von Wechselrichtern zu verbessern, besteht darin, die Verluste zu reduzieren. Die Hauptverluste der Wechselrichter stammen von IGBT, MOSFET und anderen Leistungsschalttransistoren sowie von magnetischen Bauteilen wie Transformatoren und Induktivitäten, die mit dem Strom, der Spannung und dem verwendeten Materialprozess zusammenhängen.
| Bauteil | Typ | Faktoren | Maßnahmen |
| IGBT | Schaltverluste (dynamisch) | Schaltfrequenz, Gleichspannung | Mehrstufig, Steuerstrategie |
| Leitungsverluste (statisch) | Strom, interner Widerstand des Bauteils | Weiches Schalten, neues Bauteil | |
| Induktivität | Eisenverluste (Leerlaufverluste) | Kapazität, magnetischer Widerstand | Verbesserung der Schaltfrequenz und des magnetisch leitfähigen Materials |
| Kupferverluste (Lastverluste) | Strom, Innenwiderstand | Gute leitfähige Materialien |
IGBT-Verluste
Diese lassen sich in Leitungsverluste und Schaltverluste unterteilen. Die Leitungsverluste hängen vom internen Widerstand und dem durch das Bauteil fließenden Strom ab, während die Schaltverluste von der Schaltfrequenz der Bauteile und der von den Bauteilen ertragbaren Gleichspannung abhängen.
Induktivitätsverluste
Diese lassen sich in Kupferverluste und Eisenverluste unterteilen. Kupferverluste entstehen durch den Widerstand der Induktionsspule. Wenn Strom durch den Widerstand der Spule fließt, wird ein Teil der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt und geht verloren. Da die Spule meist mit isoliertem Kupferdraht gewickelt ist, spricht man auch von Kupferverlusten, die durch Messung des Kurzschlussimpedanz von Transformatoren berechnet werden können. Eisenverluste umfassen Hystereseverluste und Wirbelstromverluste, die durch Messung des Leerlaufstroms von Transformatoren ermittelt werden können.
Techniken zur Verbesserung der Effizienz von Wechselrichtern
Derzeit gibt es drei technische Ansätze zur Verbesserung der Effizienz von Wechselrichtern.
- Erstens werden Raumvektor-Pulsweitenmodulation und andere Steuerungsmethoden verwendet, um Verluste zu reduzieren.
- Zweitens werden Bauteile aus Siliziumkarbid-Materialien eingesetzt, um den Innenwiderstand der Leistungshalbleiter zu verringern.
- Drittens werden dreistufige, fünfstufige, mehrstufige elektrische Topologien und Soft-Switching-Technologien eingesetzt, um die Spannung an den Leistungshalbleitern und die Schaltfrequenzen der Leistungshalbleiter zu reduzieren.
1. Raumvektor-Pulsweitenmodulation (SVPWM)
SVPWM ist eine vollständig digitale Steuerungsmethode mit den Vorteilen einer hohen Ausnutzung der Gleichspannung und einfacher Steuerung, die in Wechselrichtern weit verbreitet ist. Durch die hohe Ausnutzung der Gleichspannung kann bei gleicher Ausgangsspannung eine niedrigere Gleichspannungszwischenkreisspannung verwendet werden, was die Spannungsbelastung der Leistungsschaltgeräte reduziert, die Schaltverluste an den Bauteilen verringert und die Umwandlungseffizienz der Wechselrichter bis zu einem gewissen Grad verbessert. Bei der Raumvektorsynthese gibt es viele Kombinationen von Vektorfolgen. Durch unterschiedliche Kombinationen und Sortierungen kann die Anzahl der Schaltvorgänge der Leistungshalbleiter reduziert werden, was die Schaltverluste der Leistungshalbleiter weiter senkt.
2. Einsatz von Bauteilen aus Siliziumkarbid-Material
Der Impedanzwert pro Flächeneinheit von Siliziumkarbid-Bauteilen beträgt nur ein Prozent des Werts von Silizium-Bauteilen, und IGBT (isolierter Gate-Bipolartransistor) sowie andere Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid können den Einschaltwiderstand auf ein Zehntel herkömmlicher Silizium-Bauteile reduzieren. Da die Siliziumkarbid-Technologie den Rückstrom von Dioden effektiv verringert, können auch die Schaltverluste der Leistungshalbleiter und die für den Hauptschalter erforderliche Stromkapazität reduziert werden. Daher ist die antiparallele Diode mit Siliziumkarbid-Diode als Hauptschalter ein Weg zur Verbesserung der Effizienz von Wechselrichtern. Im Vergleich zu herkömmlichen schnellschaltenden antiparallelen Dioden kann die antiparallele Diode aus Siliziumkarbid den Rückstrom deutlich reduzieren und die Gesamteffizienz um 1 % verbessern. Nach Verwendung von schnellen IGBTs kann die Umwandlungseffizienz des gesamten Geräts aufgrund der beschleunigten Schaltgeschwindigkeit um 2 % gesteigert werden. Wenn die SiC-antiparallele Diode mit dem schnellen IGBT kombiniert wird, verbessert sich die Effizienz der Wechselrichter weiter.
3. Soft-Switching- und Mehrstufentechnologie
Nach dem Resonanzprinzip kann die Soft-Switching-Technologie bewirken, dass Strom oder Spannung in den Schaltgeräten sinusförmig oder quasi-sinusförmig verlaufen. Wenn der Strom natürlich die Null durchquert, wird das Bauteil ausgeschaltet, und wenn die Spannung natürlich die Null durchquert, wird das Bauteil eingeschaltet, wodurch Schaltverluste reduziert und Probleme wie induktives Abschalten und kapazitives Einschalten gelöst werden. Außerdem entstehen keine Schaltverluste, wenn die Spannung an den Anschlüssen des Schalters oder der durch den Schalter fließende Strom null ist, während der Schalter ein- oder ausgeschaltet wird. Dreistufige Wechselrichter werden hauptsächlich in Hochspannungs- und Hochleistungsszenarien eingesetzt, was eine Null-Pegel-Ausgabe ermöglicht und die Spannungsbelastung der Leistungshalbleiter im Vergleich zur herkömmlichen zweistufigen Struktur halbiert. Aus diesem Grund können dreistufige Wechselrichter bei gleicher Schaltfrequenz kleinere Ausgangsfilterinduktivitäten als zweistufige Wechselrichter verwenden, was Induktivitätsverluste, Kosten und Volumen effektiv reduziert. Gleichzeitig können dreistufige Wechselrichter bei gleichem Ausgangs-Harmonischengehalt mit niedrigerer Schaltfrequenz, geringeren Schaltverlusten und höherer Umwandlungseffizienz als zweistufige Wechselrichter betrieben werden.
