Einführung in die 3-Level-Topologie
Die 3-Level-Topologie wird in der Leistungselektronik vor allem bei höheren Zwischenkreisspannungen und Leistungen eingesetzt. Im Gegensatz zu einer klassischen 2-Level-Schaltung kann sie am Ausgang neben dem positiven und negativen Spannungsniveau zusätzlich ein mittleres Spannungsniveau erzeugen.
Dadurch wird die Spannungsänderung pro Schaltvorgang kleiner. Gleichzeitig kann – abhängig von der konkreten 3-Level-Topologie – die Spannungsbelastung einzelner Leistungshalbleiter reduziert werden. Das ermöglicht beispielsweise den Einsatz von Halbleitern mit einer niedrigeren Sperrspannung und damit unter Umständen günstigeren Schalteigenschaften.
Typische Varianten sind unter anderem die Neutral Point Clamped (NPC) und die T-Type-Topologie. Welche Variante sinnvoll ist, hängt unter anderem von Zwischenkreisspannung, Leistung, Schaltfrequenz, gewünschtem Wirkungsgrad und den Anforderungen des Gesamtsystems ab.
Wie unterscheidet sich eine 3-Level- von einer 2-Level-Topologie?
Bei einer klassischen 2-Level-Topologie wird zwischen zwei Spannungsniveaus geschaltet. Die Leistungshalbleiter müssen dabei entsprechend auf die auftretende Zwischenkreisspannung ausgelegt werden.
Eine 3-Level-Topologie ergänzt ein weiteres Spannungsniveau. Dadurch können kleinere Spannungsschritte erzeugt werden. Das hat mehrere Auswirkungen auf die elektrische und thermische Auslegung des Systems.
Zu den möglichen Vorteilen gehören:
- geringere Spannungsbelastung einzelner Leistungshalbleiter,
- reduzierte Schaltverluste bei geeigneter Auslegung,
- geringere Spannungsänderungsgeschwindigkeiten (dv/dt),
- verbesserte Ausgangsspannungsqualität,
- geringere Oberschwingungsanteile und
- potenziell kleinere Filterkomponenten.
Diese Vorteile treten jedoch nicht automatisch auf. Entscheidend sind die konkrete Topologie, die eingesetzten Halbleiter, die Schaltstrategie und der jeweilige Betriebspunkt.
Warum kann eine 3-Level-Topologie den Wirkungsgrad verbessern?
Ein wichtiger Vorteil liegt in der Aufteilung der auftretenden Spannung auf mehrere Schaltelemente. Bei geeigneter Auslegung können dadurch Halbleiter mit niedrigeren Spannungsklassen eingesetzt werden, die häufig bessere Eigenschaften hinsichtlich Durchlass- oder Schaltverlusten bieten.
Zusätzlich sind kleinere Spannungssprünge möglich. Dadurch können die bei jedem Schaltvorgang entstehenden Verluste und elektromagnetischen Effekte reduziert werden. Insbesondere bei hohen Zwischenkreisspannungen kann dies einen deutlichen Systemvorteil gegenüber einer 2-Level-Lösung darstellen.
Für die Bewertung reicht es allerdings nicht aus, nur die Verluste eines einzelnen Halbleiters zu betrachten. Zusätzliche Schaltelemente und gegebenenfalls Dioden verursachen ebenfalls Leit- und Schaltverluste. Entscheidend ist daher immer eine Verlustleistungsbetrachtung über die relevanten Betriebspunkte des Gesamtsystems.
Welche Rolle spielen Schaltfrequenz und Filterung?
Durch die zusätzlichen Spannungsstufen kann eine 3-Level-Schaltung eine feinere Annäherung an die gewünschte Ausgangsspannung erzeugen. Dadurch kann sich die Qualität der erzeugten Spannungs- und Stromverläufe verbessern.
Das ist insbesondere dann interessant, wenn hohe Anforderungen an Oberschwingungen, elektromagnetische Verträglichkeit oder Filtergröße bestehen. Geringere Spannungssprünge können die Belastung nachgelagerter Komponenten reduzieren und ermöglichen je nach Anwendung eine kompaktere Auslegung von Filtern.
Damit wird deutlich, warum die Topologiewahl nicht nur den eigentlichen Leistungsteil betrifft. Sie kann Auswirkungen auf EMV, Filter, Kühlung, Bauraum und Kosten des gesamten Systems haben.
Wann lohnt sich der Einsatz einer 3-Level-Topologie?
Eine 3-Level-Topologie wird besonders interessant, wenn hohe Spannungen oder Leistungen mit hohen Anforderungen an Wirkungsgrad, Leistungsdichte oder Ausgangsqualität kombiniert werden.
Typische Entscheidungskriterien sind:
- Höhe der Zwischenkreisspannung,
- erforderliche Ausgangsleistung,
- gewünschter Wirkungsgrad,
- Schaltfrequenz,
- zulässige Halbleiterverluste,
- Anforderungen an EMV und dv/dt,
- Größe und Aufwand der benötigten Filter,
- verfügbarer Bauraum sowie
- Kosten und Komplexität des Gesamtsystems.
Eine höhere Anzahl an Halbleitern und Treiberstufen bedeutet zunächst einen größeren Hardwareaufwand. Hinzu kommt eine komplexere Ansteuerung. Deshalb ist eine 3-Level-Topologie nicht automatisch die bessere Lösung, nur weil hohe Leistungen übertragen werden sollen.
Die Entscheidung sollte vielmehr auf Basis der konkreten Systemanforderungen erfolgen. Einen Überblick über unterschiedliche Schaltungskonzepte und ihre Einsatzbereiche finden Sie auch auf unserer Übersichtsseite zu knestronX-Topologien.
Die Ansteuerung wird anspruchsvoller
Mit der zusätzlichen Schaltungskomplexität steigen auch die Anforderungen an Regelung und Ansteuerung. Schaltzustände müssen so gewählt werden, dass unerwünschte Zustände vermieden und die Leistungshalbleiter sicher betrieben werden.
Bei Topologien mit geteiltem Zwischenkreis kommt zusätzlich die Beherrschung des Neutralpunkts beziehungsweise der Teilspannungen hinzu. Unsymmetrische Belastungen oder ungeeignete Schaltstrategien können zu einer Verschiebung dieser Spannungen führen.
Die Regelungsstrategie ist deshalb ein wesentlicher Bestandteil der Systementwicklung. Hardware, Leistungshalbleiter, Gate-Treiber und Regelungssoftware sollten bei der Entwicklung nicht getrennt voneinander betrachtet werden.
Kühlkonzepte für 3-Level-Topologien
Auch bei hohen Wirkungsgraden entstehen in leistungsstarken Umrichtern relevante Verlustleistungen. Die thermische Auslegung bleibt deshalb ein zentraler Bestandteil der Entwicklung.
Bei der Dimensionierung des Kühlkonzepts müssen sowohl Leitverluste als auch Schaltverluste der einzelnen Halbleiter berücksichtigt werden. Entscheidend ist dabei nicht nur die maximale Verlustleistung, sondern auch deren Verteilung innerhalb der Schaltung.
Je nach Leistungsklasse und Bauraum kommen unterschiedliche Kühlkonzepte infrage – von passiven Kühlkörpern über forcierte Luftkühlung bis hin zur Flüssigkeitskühlung.
Eine möglichst gleichmäßige thermische Belastung der Leistungshalbleiter kann außerdem für Zuverlässigkeit und Lebensdauer relevant sein. Hohe Sperrschichttemperaturen und starke Temperaturwechsel belasten Halbleiter und deren Aufbau- und Verbindungstechnik.
Warum die Topologie immer im Gesamtsystem betrachtet werden sollte
Die Entscheidung zwischen 2-Level-, 3-Level- oder einer anderen Topologie lässt sich nicht allein anhand von Wirkungsgrad oder maximaler Leistung treffen. Eine vermeintlich aufwendigere Schaltung kann auf Systemebene Vorteile bringen, wenn dadurch beispielsweise Filter kleiner werden, der Kühlaufwand sinkt oder sich die Leistungsdichte erhöht.
Umgekehrt kann eine einfachere 2-Level-Lösung die technisch und wirtschaftlich bessere Wahl sein, wenn die zusätzlichen Vorteile einer 3-Level-Topologie in der konkreten Anwendung kaum zum Tragen kommen.
Deshalb betrachten wir bei KNESTEL die Topologieauswahl im Zusammenhang mit dem gesamten System: von Spannungs- und Leistungsanforderungen über Halbleiterauswahl, Regelung und thermisches Design bis hin zu Bauraum und Wirtschaftlichkeit.
Weitere technische Informationen zu unterschiedlichen Schaltungskonzepten finden Sie auf unserer knestronX-Seite zu Leistungselektronik-Topologien.
Fazit: 3-Level ist kein Selbstzweck
3-Level-Topologien können insbesondere bei hohen Zwischenkreisspannungen und Leistungen deutliche Vorteile bieten. Kleinere Spannungsschritte, eine reduzierte Belastung einzelner Halbleiter und bessere Möglichkeiten zur Optimierung von Wirkungsgrad, EMV und Filterung machen sie für anspruchsvolle Anwendungen interessant.
Diesen Vorteilen stehen jedoch eine höhere Bauteilanzahl, komplexere Ansteuerung und zusätzliche Anforderungen an die Regelung gegenüber. Ob eine 3-Level-Topologie tatsächlich die bessere Lösung ist, entscheidet sich deshalb erst anhand der Anforderungen des Gesamtsystems.
