Si-MOSFETs – ein Katalysator, der die schnelle Entwicklung von APFs vorantreibt

Aktive Leistungsfilter (APFs) als aktive leistungselektronische Geräte zur Minderung von Netzqualitätsproblemen wie Oberschwingungen, Blindleistung und Leistungsungleichgewichten in Verteilungsnetzen haben eine Entwicklungsgeschichte von fast einem halben Jahrhundert. Aufgrund von Einschränkungen wie der relativ geringen effektiven Filterkapazität für harmonische Ordnungen, der Anfälligkeit für Resonanzen mit dem Stromnetz, die zu Systeminstabilität führt, und hohen Verlusten wurden APFs jedoch nicht weit verbreitet. In der Praxis bleiben herkömmliche passive Filter die gängige Lösung zur Oberschwingungs- und Blindleistungsminderung in Verteilungsnetzen.

Um Stromoberschwingungen im Verteilungsnetz abzuschwächen, muss ein APF (Automatic Power Filter) einen Breitbandausgang mit einer Steuerbandbreite von mindestens 1 kHz aufrechterhalten (größer als 2,5 kHz, wenn der Oberschwingungsbereich bis zur 51. Ordnung gefiltert werden muss). Um die Systemstabilität aufrechtzuerhalten, beträgt die Resonanzfrequenz des Ausgangs-LCL-Filters des APF jedoch typischerweise ein Vielfaches der Steuerbandbreite. Das bedeutet, dass für eine starke Systemrobustheit die Resonanzfrequenz des Ausgangs-LCL-Filters des APF im Allgemeinen über 20 kHz liegen muss. Um andererseits die Schaltwelligkeit herkömmlicher APFs mit IGBTs als Leistungsschalter zu filtern, muss die Schaltfrequenz mindestens das Vierfache der Resonanzfrequenz des Ausgangs-LCL-Filters betragen. In der Realität arbeiten herkömmliche IGBTs typischerweise unter 30 kHz. Daher benötigen APFs, die IGBTs als Leistungsschalter verwenden, eine Steuerbandbreite von mehreren hundert Hz, um eine starke Systemrobustheit zu erreichen, aber eine Steuerbandbreite von mehreren hundert Hz reicht fast nicht aus, um Oberwellen höherer Ordnung zu kompensieren. Dies macht es für APFs nahezu unmöglich, ein vernünftiges Gleichgewicht zwischen Stabilität und Kompensationsfähigkeit zu erreichen, was ihre weit verbreitete Verwendung erheblich einschränkt.

SiC-MOSFETs haben als Halbleiter-Leistungsschaltgeräte der dritten -Generation in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung erlebt und werden heute in verschiedenen leistungselektronischen Produkten häufig eingesetzt. SiC-MOSFETs behalten auch bei Hochleistungsanwendungen eine hohe Schaltfrequenz bei, eine Eigenschaft, die nahezu maßgeschneidert-für APFs (Automatic Power Switches) ist. In APFs mit mittlerer-bis-hoher Leistung (20–200 A) können SiC-MOSFETs immer noch mit einer Schaltfrequenz von etwa 50 kHz betrieben werden. Durch die Kombination von Dual--Kanal-Interleave-Technologie und magnetischer Integrationstechnologie kann die Stromwelligkeitsfrequenz im Ausgangs-LCL-Filter des APF auf über 100 kHz erhöht werden. Dadurch kann die Resonanzfrequenz des Ausgangs-LCL-Filters auf etwa 20 kHz (Dämpfung -28 dB) und die Steuerbandbreite auf etwa 2,5 kHz ausgelegt werden. Dadurch kann der APF die 51. Harmonische (Grundfrequenz 50 Hz) vollständig kompensieren. Da die Steuerbandbreite außerdem weit von der Resonanzfrequenz des Ausgangs-LCL-Filters entfernt ist, weist das System eine hohe Robustheit auf und ist weniger anfällig für Resonanzen mit dem Stromverteilungsnetzwerk, wodurch die Instabilität verringert wird. Darüber hinaus sind die Verluste von APFs, die SiC-MOSFETs als Hauptschaltgerät verwenden, geringer als die von APFs, die herkömmliche IGBTs als Hauptschaltgerät verwenden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass SiC-MOSFETs praktisch perfekt als Hauptleistungsschaltgerät für APFs (Active Power Factor Systems) geeignet sind. Sie werden zweifellos die weitere und breitere Anwendung von APFs und anderen aktiven Stromqualitätsprodukten vorantreiben und zu einem grünen Stromverteilungsnetz beitragen.

Das Elektrizitätsunternehmen Leonhard, ein High-Tech-Unternehmen, das sich auf die Forschung, Entwicklung und Produktion von SiC-MOSFET-Produkten für die Stromversorgung spezialisiert hat, hat eine komplette Serie von SiC-MOSFET-Produkten für die Stromversorgung auf den Markt gebracht, die von 20 bis 200 A über mehrere Spannungsebenen reichen. Seine Kernprodukte nutzen die Dual-{4}Kanal-Interleave-Technologie und die magnetische Integrationstechnologie und ermöglichen eine äquivalente Schaltfrequenz von mehr als 100 kHz und erreichen so eine extrem hohe Stabilität, geringe Verluste und eine geringe Größe.