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2 kW Solarwechselrichter (Little Box Challenge)
Das Hauptziel dieser Master-Thesis ist die Entwicklung eines 2kW Solarwechselrichters mit einer Leistungsdichte von 3 Watt pro Kubikzentimeter (50W pro Kubik-Inch). Das bedeutet, dass das Volumen des gesamten Wechselrichters lediglich 655 Kubikzentimeter betragen darf. Das Projekt wurde durch einen von Google ausgeschriebenen Wettbewerb motiviert, bei welchem es darum geht einen möglichst kompakten Wechselrichter zu realisieren.
Ein typischer Solarwechselrichter besitzt einen grossen Eingangskondensator und am Ausgang einen Vollbrücken-Inverter um die sinusförmige Wechselspannung und –strom zu erzeugen. Häufig wird ein Schenkel der Vollbrücke mit doppelter Netzfrequenz (100 Hz) betrieben, während der andere Schenkel mit einer viel höheren Frequenz geschaltet wird, um den sinusförmigen Verlauf zu modulieren.
In dieser Master-Thesis wird ein sogenannter Power Ripple Compensator eingesetzt um den platzraubenden und lebensdauerbegrenzenden Eingangskondensator zu eliminieren. Um zusätzlich Platz zu sparen, wurde in der Vollbrücke ein weiterer Hochfrequenzschenkel realisiert. Der dadurch entstandene zwei-phasige Wechselrichter wurde mit einem Coupled Inductor versehen. Das reduziert den Schaltripple und verbessert den Wirkungsgrad. Als Folge ist weniger Kühlungsaufwand notwendig, was zu einer weiteren Platzeinsparung führt.
Der erste Teil der Thesis befasst sich mit der analytischen Betrachtung des Power Ripple Compensators (PRC). Das beinhaltet zum einen das Grosssignalverhalten sowie die relevanten Übertragungsfunktionen. Obwohl ein Prototyp gebaut und in Betrieb genommen wurde, sind die Hardware-Realisation und die entsprechenden Messungen nicht Teil dieser Arbeit. Dies war das Thema eines anderen Master-Projekts.
Im zweiten Teil liegt der Fokus auf den Verbesserungen der Wechselrichterschaltung. Der Einsatz von Coupled Inductors ist eine nicht unbedingt sehr verbreitete Technik. In vielen Fällen erweist sie sich aber als wirksame Massnahme um den Stromripple in Multiphase-Systemen zu reduzieren und gleichzeitig Platz zu sparen. Zusätzlich zu den Schaltungsmodifikationen wurden high-electron-mobility Transistoren eingesetzt um die Schaltverluste massgeblich zu reduzieren.
Die Summe dieser Massnahmen führte zu einem Wechselrichter-Design mit sehr hoher Leistungsdichte, welcher als Beitrag für die Little Box Challenge, ein von Google ausgeschriebener Wettbewerb, eingereicht wurde.