Leistungselektronischer Transformator: MS auf 800 V DC, Module und Wirkungsgrad

Dies ist ein dreiphasiger, sternverschalteter SST mit eingangsseitiger Reihenschaltung und ausgangsseitiger Parallelschaltung (ISOP). Jede Zelle enthält einen aktiven H-Brücken-Gleichrichter als Teil der Kaskade (CHB), einen potenzialfreien Zwischenkreis und eine galvanisch getrennte Dual Active Bridge mit einfacher Phasenverschiebungsmodulation (SPS). Huber and Kolar (2016), beigefügte Fassung, S. 5–9, beschreiben die Modularitäts- und Isolierungskonzepte; die hier verwendete Verlustberechnung wird eigenständig hergeleitet.

Dimensionierung der Reihenschaltung. Der Strangspannungsscheitel bei oberer Netzspannungstoleranz beträgt $V_{LL}sqrt{2/3}(1+g)$. Die zulässige Zellenzwischenkreisspannung ist der kleinere Wert aus dem vom Hersteller für kosmische Strahlung qualifizierten Spannungsgrenzwert und dem transienten Sperrspannungsgrenzwert $V_{DS}/k_{os}$. Die erforderliche Anzahl aktiver Zellen ist das Maximum aus spannungsbedingt erforderlicher Zellenzahl, bei Bemessungsleistung erforderlicher Zellenzahl und architekturbedingter Mindestanzahl. Hinzu kommen die redundanten Zellen. Zwischenkreissollwert und Transformatorhardware werden für die erforderliche Zellenzahl nach Ausschöpfen aller vorgesehenen Überbrückungen ausgelegt; intakte aktive redundante Zellen teilen sich die Leistung bei demselben Sollwert.

DAB-Berechnung. Die Streuinduktivität wird für die eingegebene Zellenbemessungsleistung und Bemessungsphasenverschiebung ausgelegt. Eine ganzzahlige Primärwindungszahl hält die Flussdichtegrenze ein; eine ganzzahlige Sekundärwindungszahl legt das tatsächliche Übersetzungsverhältnis fest. Die Lösung mit kleiner Phasenverschiebung von $P=V_1 nV_2delta(1-delta/pi)/(2pi fL)$ liefert die Kommutierungsströme und den exakten Effektivwert des stückweise linearen Streuinduktivitätsstroms. Eine Fixpunktiteration berücksichtigt die sekundärseitigen Wicklungs-, Kanal- und Schaltverluste in der übertragenen Leistung. Die Diodenverluste während der Totzeit ersetzen die entsprechende Abschätzung der Kanalleitverluste. Der Primärstrom-Effektivwert berücksichtigt die Oberschwingungen des Magnetisierungsstroms. Ein quadratischer Prädiktor mit Fixpunktkorrektur schließt die Bilanz der netzstromabhängigen Eingangsstufenverluste.

Halbleiter. Die Kanalverlustberechnung verwendet zwei leitende Schalterbänke und linear interpolierte Rds,on-Werte bei Betriebstemperatur. Die Überlappungsschaltenergien werden mit Spannung und Strom skaliert. Coss-Energie Eoss(V) und Ladung Qoss(V) werden getrennt hinterlegt und bei Betriebsspannung mit einer energiekonsistenten Potenzfunktionsanpassung der Kapazität ausgewertet. ZVS erfordert die richtige Strompolarität, ausreichenden Ladungstransport während der Totzeit und ausreichende induktive Kommutierungsenergie. Die Ladungsbedingung lautet I·t_dead ≥ 2·N_parallel·Qoss(V); die Energiebedingung lautet L·I² ≥ 4·N_parallel·Eoss(V), jeweils bei der erforderlichen Strompolarität. Die verbleibende Coss-Einschaltenergie folgt Eoss(V), der Überlappungsanteil der Restspannung; die Ausschaltverluste bleiben bestehen. Jede Vollbrücke hat vier Diodenintervalle je Periode. Deren Diodenverluste ersetzen die bereits für dieselben Intervalle berücksichtigten Kanalleitverluste. Dies ist ein Energie-/Ladungsmodell der Kommutierung, keine transiente SPICE-Simulation. TI TIDUES0E (2024), Abschnitte 2.3.4–2.3.5, liefert die Grundlage für SPS und Verlustmodell.

Magnetische Bauteile. Die sinusförmige Steinmetz-Anpassung für N87 verwendet TDK June 2025 p. 2: Die Punkte bei 25/100 kHz bestimmen den Frequenzexponenten, die Punkte bei 100/300 kHz den Flussdichteexponenten. iGSE normiert diese Anpassung anhand des Integrals der sinusförmigen Flussdichteableitung und integriert den dreieckförmigen Fluss einer Vollbrücke mit 50 % Tastgrad. Jede berücksichtigte ungerade Stromoberschwingung wird mit ihrem Dowell-Widerstandsfaktor bei Wicklungstemperatur gewichtet. In den verschachtelten Wicklungsabschnitten beginnt der Verlauf der idealen eindimensionalen magnetischen Durchflutung jeweils erneut bei null. Der exakte Effektivwertanteil des verbleibenden Spektrums wird mit dem Gleichstromwiderstand berücksichtigt.

Isolierung und Vergleich. Die Primärseite mit dem höchsten schwebenden Potenzial wird für den vollen Leiter-Erde-Spannungsscheitel zuzüglich lokaler Spannungshübe von jeweils der halben Zwischenkreis- und Ausgangsspannung bewertet. Die Dicke der Isolierbarriere ergibt sich aus der größeren Anforderung aus Betriebsfeldstärke und zugeordneter Stoßspannung. Eine Plattenkondensator-Näherung liefert die niederfrequenten und die hochfrequenten dielektrischen Verluste bei endlicher Spannungsanstiegszeit. Die konventionelle Eingangsleistung wird rückwärts über DC/DC-Stufe, Gleichrichter und einen LFT mit konstanten Eisenverlusten und stromquadratischen Kupferverlusten berechnet; der Hilfsleistungsbedarf ist in beiden Wandlungsketten enthalten.

Gültigkeit der Lastvariation. Für jeden dargestellten SST-Punkt werden unabhängig voneinander die DAB-Übertragungskapazität, die Zulässigkeit der netzseitigen Eingangsleistung, das Residuum der Verlustiteration, die zulässige Anzahl überbrückter Zellen und die Halbleiter-Spannungsgrenzen geprüft. Unzulässige Punkte erscheinen als Lücken in der Wirkungsgradkennlinie und beiden Kommutierungskennlinien. Die konventionelle Kennlinie behält ihren vollständigen Lastbereich. Vektorielle Leistungsbilanzprüfungen kontrollieren jeden beibehaltenen Punkt einschließlich des Belastungsfalls aus der Überprüfung.

Aussagebereich der Referenzen. Der Enphase-Fall dient ausdrücklich als Architekturreferenz. Unabhängige Referenzfälle für die spannungsbedingte Zellenzahl verwenden Huber and Kolar (JESTPE 2017), Table I: Das veröffentlichte 10-kV-Netz, M=0,8 und eine Sperrspannungsausnutzung von 50–60 % ergeben 15, 11 und sechs Zellen für Bauelemente mit 1,2, 1,7 und 3,3 kV. Die leistungs- und architekturbedingten Mindestzahlen bleiben unter diesen Werten. Diese Referenzen validieren die Reihenschaltung, keinen Vergleich der IGBT-Verluste der Veröffentlichung mit diesem SiC-Modell.

Symmetrische sinusförmige Netzströme bei Leistungsfaktor eins; gleichmäßige Spannungs- und Leistungsaufteilung; spannungssteife Zellenzwischenkreise; aktive Redundanz; spannungsfrei geschaltete überbrückte Zellen; kein Rückspeisebetrieb. Alle drei Phasen haben dieselbe Anzahl überbrückter Zellen. Die Zellenbemessungsleistung ist eine vom Anwender vorgegebene Ausgangsleistungsgrenze.

Der Variantenvergleich untersucht konkrete Beispielbauelemente, keine grundsätzliche Überlegenheit einer Spannungsklasse: C3M0032120K Rev. 6 (2024), C2M0045170D Rev. 3 (2024), CAB5R0A23GM4 Rev. 3 (2025) und das vorläufige IBB020A33GM4 Rev. 1 (May 2026). Für jede Primärvariante werden dasselbe Sekundärbauelement und dieselben Schalterbank-Anzahlen verwendet. Eine „parallele Primärschalterposition“ bezeichnet ein parallel geschaltetes Bauelement oder eine parallel geschaltete Schalterposition eines Moduls, keine parallele SST-Zelle. Primärseitige CHB- und DAB-Brücken verwenden dasselbe Bauelement. Die Bauelemente unterscheiden sich in Größe und Generation.

Die Rds,on-Stützwerte stammen aus den jeweiligen Datenblättern; die aktuelle Ausgabe für das 1,7-kV-Bauelement nennt trotz des Typnummernsuffixes einen typischen Wert von 40 mΩ. Für die Schaltverluste werden Kommutierungsdaten mit Body-Diode bei Betriebstemperatur verwendet; bei den 2,3-/3,3-kV-Modulen wird die angegebene Rückerholenergie zur angegebenen Einschaltenergie addiert. Für C2M0045170D sind die unabhängigen Referenzdaten Eoss=139 μJ und Qoss=255 pF×1200 V=306 nC bei 1200 V. Für C3M0032120K bestimmen Eoss=76 μJ und die differentielle Coss=129 pF bei 1000 V eine einzelne Potenzfunktionsanpassung C(V); das daraus abgeleitete Qoss ist eine Modellschätzung, keine gemessene Ladungskennlinie des Herstellers. Bei 2,3-/3,3-kV-Modulen multiplizieren unabhängige Energie- und Ladungsfaktoren die tabellierten Coss-Werte bei hoher Spannung. Mit den Referenzwerten für E und Q gilt Q(V)=Qref·(V/Vref)^b und E(V)=Eref·(V/Vref)^(b+1), wobei b=Eref/(Qref·Vref−Eref); damit gilt dE=V·dQ. Ersetzen Sie für eine Detailauslegung die abgeleiteten Ladungs- und Energiekennlinien durch Messdaten. Die 1,2-kV-Schaltdaten gelten bei 175 °C; ihre Verwendung bis hinab zu 25 °C ist eine konservative Szenarioannahme. Steuer- und Gate-Leistung, Kühlung, Foliengeometrie, Isolierungsfeldstärken, Verlustfaktor und Wirkungsgrade der konventionellen Wandlungskette sind veränderbare technische Annahmen, keine Herstellerzusagen.

Die voreingestellten primär- und sekundärseitigen Sperrspannungsanteile von 70 % sind Auslegungsannahmen, keine messtechnisch bestimmten SiC-Qualifikationen für kosmische Strahlung. Ersetzen Sie jeden Wert durch einen vom Hersteller qualifizierten Grenzwert für die gewünschte FIT-Rate, Aufstellungshöhe, Chipfläche, Temperatur und das Sperrbetriebsprofil. Es wird weder ein allgemeingültiges SiC-Deratinggesetz noch eine numerische FIT-Vorhersage beansprucht. Die Hinweise von Infineon zur kosmischen Strahlung erläutern die Bedeutung dieser Bedingungen.

Verwenden Sie das Werkzeug zur stationären Bewertung von Architektur- und Verlustzielkonflikten, nicht zur Zertifizierung von Schutztechnik oder Isolierung. Die Wirkungsgradaussage gilt unter den Bedingungen der genannten Bauelemente und eingegebenen Verlustparameter; ein gemessener Gesamtwirkungsgrad als Referenz für einen CHB–DAB-SST liegt hier nicht vor. Das Ergebnis von Enphase vom 27. Oktober 2026 verwendet GaN und eine proprietäre Stufe: 44 Zellen je Phase und insgesamt 132 dienen ausschließlich als Architekturreferenz, nicht als unabhängige Dimensionierungsreferenz. Die Veröffentlichung nennt keinen gemessenen Wirkungsgrad. OCP SST v0.3 (2026) nennt ein Wirkungsgradziel von ≥98 % für die Wandlungskette, ohne den hier bilanzierten Hilfsleistungsbedarf.

Die N87-Verlustparameter bilden eine lokale Anpassung um 100 °C und etwa 25–100 kHz sowie 0,1–0,2 T ab; bei anderen Bedingungen wird extrapoliert. Für diese Materialanpassung ist die Kerntemperatur auf 100 °C festgelegt. Die Wicklungstemperatur ist davon unabhängig. Nicht berechnet werden ein Gleichanteil des magnetischen Flusses, Hysterese-Nebenschleifen, Feldaufweitung, zweidimensionale Proximity-Felder, Stromverdrängung an Folienkanten, Kondensator-ESR, Zwischenkreiswelligkeit, Sammelschienen- und Kontaktverluste, ein detailliertes Kühlmodell, der sichere Arbeitsbereich (SOA) der Halbleiter oder transiente Stabilität. Die Wirkungsgrade von Gleichrichter und konventioneller DC/DC-Stufe bleiben über den dargestellten Lastbereich konstant; verwenden Sie für Beschaffungsvergleiche gemessene lastabhängige Verluste.

Das voreingestellte Spektrum berücksichtigt 401 ungerade Oberschwingungen bis einschließlich der 801. Ordnung; die Konvergenzprüfung verdoppelt die Auflösung. Nicht einzeln berücksichtigte Wicklungsoberschwingungen werden mit ihrem exakten verbleibenden Effektivstromanteil am Gleichstromwiderstand erfasst; ihr kleiner zusätzlicher Wechselstromwiderstand bleibt damit unberücksichtigt. Das dielektrische Spektrum mit endlicher Spannungsanstiegszeit verwendet dieselbe Grenzordnung und kann bei sehr schnellen Flanken mehr Terme erfordern. Die Lastkennlinien mit 81 Punkten werden direkt berechnet. Lücken kennzeichnen Punkte, die die Prüfungen der Betriebszulässigkeit nicht bestehen; eine zulässige gewählte Last bedeutet nicht, dass der gesamte dargestellte Lastbereich zulässig ist.

Das Feldstärkeverfahren zur Isolierungsauslegung dimensioniert ausschließlich eine homogene Feststoffisolierung. Es berechnet weder Luftstrecken, Kriechstrecken, Teilentladungen, Tripelpunkte, Oberflächenverschmutzung, Lebensdauer noch Überspannungskoordination. Die volle zugeordnete Stoßspannung wird an jeder MF-Isolierbarriere angesetzt, sofern der Auslegende keine andere koordinierte Zuordnung vorgibt. Prüfen Sie Isolierung und Installation anhand der geltenden Normen. Die Gehäuseisolationsfestigkeit eines Halbleitermoduls entspricht nicht der Isolierungsanforderung an den MF-Transformator.