Fliegende Kondensatoren in PV-Booster-Stufen

Bei einem Flying-Capacitor-Multilevel-Konverter werden zusätzliche (Zwischen-)Spannungsniveaus (über die beiden durch den Zwischenkreis natürlich gegebenen Niveaus hinaus) durch zusätzliche Kondensatoren erzeugt. Diese Kondensatoren können je nach Schaltzustand der Halbleiterschaltung auf unterschiedlichen elektrischen Potenzialen schweben Sobald sie auf die richtige Spannung (z. B. die halbe Zwischenkreisspannung) aufgeladen sind, fungieren sie für die Dauer des nächsten halben Schaltzyklus als eine Art „Spannungsquelle“. , wodurch zusätzliche Spannungsebenen bereitgestellt werden.

Da diese Kondensatoren durch diese Vorgehensweise hohen Welligkeitsströmen und Schaltfrequenzen ausgesetzt sind und gleichzeitig eine bestimmte Spannung aufrechterhalten müssen, ist es wichtig, die richtigen Komponenten für diese anspruchsvolle Anwendung sorgfältig auszuwählen. Im Folgenden betrachten wir einige Designbeispiele und Komponenten Vorschläge für sie.

Es gelten folgende Annahmen: ΔUFC = 80 Vpp als Obergrenze für die Welligkeitsspannung am Flying-Kondensator, eine Schaltfrequenz von fSW = 16 kHz und ein maximaler Spitzenstrom von Ipeak = 60 A. Daher die erforderliche Kapazität des Flying-Kondensators beträgt CFC = 24 µF, was mit der entsprechenden Gleichung berechnet werden kann. (Referenz: Vincotech Technical Paper „The Advantage and Operation of Flying-Capacitor Boosters“) Die Umgebungstemperatur muss 60 °C betragen, vorausgesetzt, dass die Wärme von den Leistungsmodulen stammt hat keinen wesentlichen Einfluss auf den fliegenden Kondensator. Die erzeugte Wärme wird hauptsächlich über die Leiterplatte abgeleitet, wobei ein kleinerer Teil durch natürliche Konvektion an die ruhende Luft abgegeben wird. Für diese Anwendung kommen verschiedene Kondensatortechnologien in Betracht. Im Folgenden liegt der Schwerpunkt jedoch auf den TDK-Folienkondensatoren und der CeraLink®-Keramikkondensatortechnologie:

TDK bietet verschiedene Spannungs- und Kapazitätsbereiche für die primären Kundenanforderungen im Zwischenkreisbetrieb. Das mechanische Design variiert zwischen 2 und 4 Pins, während unterschiedliche Anschlussraumoptionen auch einige elektrische Eigenschaften verbessern, wie z. B. eine geringe Selbstinduktivität und eine hohe Resonanzfrequenz. Hohe Resonanzfrequenz, Energiedichte, Rippelstrom, Umgebungstemperaturen bis 125 °C und Feuchtigkeitsschutz sind neben langer Lebenserwartung (> 100.000 Stunden) und Kapazitätswertstabilität hervorragende Designoptionen für Hochfrequenz-Schaltanwendungen.

Informationen zur Kondensatorauswahl, Modellierungsdaten und Anwendungssimulation finden Sie auf unserer CLARA-Website (Capacitor Life And Rating Application).

CeraLink® ist eine Familie sehr kompakter Kondensatoren zur Spannungsstabilisierung im Zwischenkreis oder für den Einsatz in Snubber-Anwendungen. Diese Produkte basieren auf einer einzigartigen antiferroelektrischen Keramiktechnologie, deren Material mit zunehmender Spannung eine zunehmende Kapazität aufweist. CeraLink® wurde entwickelt, um Ingenieuren kompakte Komponenten zur Verfügung zu stellen, die für schnell schaltende Wandler (z. B. SiC/GaN), Wandler mit sehr geringem Platzbedarf und Wandler, die hohen Betriebstemperaturen von bis zu 150 °C standhalten müssen, optimiert sind.

Es ist wichtig zu beachten, dass das Kapazitätsverhalten von CeraLink® nichtlinear und für den Betrieb unter DC-Bias und erhöhter Umgebungstemperatur optimiert ist. Weitere Einzelheiten finden Sie in unserem technischen Leitfaden oder in unserer Simulations-Toolbox. Bei einem DC-Bias-Pegel von 600 VDC und einer überlagerten Welligkeitsspannung von 80 Vpp kommt ein CeraLink® FA10 700V-Typ in Betracht, der eine effektive Kapazität von typischerweise 4 µF im Temperaturbereich von 25–60 °C bietet.

Die folgenden Tabellen vergleichen die geometrischen und elektrischen Eigenschaften der beiden betrachteten Kondensatorlösungen. Liegen keine Platzbeschränkungen vor, bietet die Folienlösung hinsichtlich Kosten und Anzahl der Komponenten größere Vorteile, da ein oder wenige Teile die elektrischen Anforderungen erfüllen können. Im Gegensatz dazu könnte CeraLink® eine Option sein, wenn die Gesamthöhe der Lösung entscheidend ist oder eine Durchstecktechnik nicht möglich ist. Darüber hinaus zeigt CeraLink® klare Vorteile, wenn eine höhere Strombelastbarkeit erforderlich ist und/oder die Schaltfrequenz erhöht wird.

Vorteil

* bei 16 kHz und 65 °C Umgebungstemperatur, 150 °C Gerätetemperatur, keine Zwangskühlung.** Konfiguration für eine erwartete Lebensdauer > 88.000 Stunden im Dauereinsatz bei 65 °C Umgebungstemperatur.

Vorteil

* bei 32 kHz und 65 °C Umgebungstemperatur, 150 °C Gerätetemperatur, keine Zwangskühlung.** Konfiguration für eine erwartete Lebensdauer > 200.000 Stunden im Dauereinsatz bei 65 °C Umgebungstemperatur.

Der Flying-Capacitor-Booster ist eine hocheffiziente und kostengünstige Lösung für Solarwechselrichteranwendungen. Die Hauptvorteile sind die Frequenzvervielfachung, die geringere Halbleiterspannung, die geringere Spannungs- und Stromwelligkeit, die geringeren Schaltverluste und die geringe EMI-Emission.

TDK verfügt über ein umfangreiches Sortiment verschiedener Kondensatortechnologien, die ein breites Spektrum an Kapazitäts- und Spannungswerten unterstützen können. Details können durch Anklicken der Produkttypen eingesehen werden