Power Inverters Explained - How do they work working principle IGBT|Leaptrend 2000W/4000W 12V to 220V Power Inverter on Camping Outdoor RV, Truck, Coffee Van, Caravan, Household Appliances, DC-AC Off-Grid Pure Sine Wave Solar Converter for Lithium LifePo4

Wechselrichter sind elektronische Geräte, die Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umwandeln. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Stromversorgung von Geräten und Anlagen, die Wechselstrom benötigen, wenn kein Zugang zum Stromnetz besteht oder eine tragbare Stromquelle benötigt wird. In diesem Blog erklären wir das Funktionsprinzip von Wechselrichtern, insbesondere die IGBT-Technologie (Insulated Gate Bipolar Transistor).

Funktionsprinzip von Wechselrichtern:
Das grundlegende Funktionsprinzip eines Wechselrichters umfasst zwei Phasen: die DC-DC-Umwandlungsphase und die DC-AC-Umwandlungsphase.

DC-zu-DC-Konvertierung:
In der ersten Phase des Wechselrichters wird die Eingangsgleichspannung auf ein höheres Spannungsniveau umgewandelt. Dies geschieht typischerweise durch einen Hochfrequenz-Schaltkreis, beispielsweise einen Aufwärtswandler oder einen Abwärts-/Aufwärtswandler. Ziel dieser Phase ist es, die Gleichspannung auf das gewünschte Niveau für die nachfolgende Wechselstrom-Umwandlungsphase anzuheben bzw. anzupassen.

DC-zu-AC-Umwandlung:
Die zweite Stufe des Wechselrichters wandelt die eingestellte Gleichspannung in Wechselstrom um. Diese Stufe nutzt Schaltelemente wie IGBTs oder MOSFETs (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren), um eine hochfrequente Wechselstromwelle zu erzeugen. Diese wird anschließend gefiltert und geformt, um eine sinusförmige Wechselstrom-Ausgangswelle zu erzeugen, die der Netzspannung ähnelt.

IGBTs in Wechselrichtern:
IGBTs werden häufig als Hauptschaltelemente in modernen Wechselrichtern eingesetzt. Sie vereinen die Vorteile von MOSFETs und Bipolartransistoren (BJTs) und eignen sich daher für Hochleistungsanwendungen. IGBTs verfügen über ein spannungsgesteuertes Gate, das eine einfache Steuerung des Schaltvorgangs ermöglicht.

Der IGBT arbeitet als spannungsgesteuertes bipolares Bauelement. Er besteht aus einer dreischichtigen Halbleiterstruktur: der N-Schicht (Emitter), der P-Schicht (Basis) und der N+-Schicht (Kollektor). Die N+-Schicht fungiert als Drain-Anschluss für den Stromfluss.

Im Betrieb entsteht durch Anlegen einer positiven Spannung an den Gate-Anschluss ein leitender Kanal zwischen Kollektor und Emitter. Dadurch kann Strom durch den IGBT fließen, ähnlich wie bei einem Bipolartransistor (BJT). Wird die Gate-Spannung reduziert oder entfernt, schaltet der IGBT ab und unterbricht den Stromfluss.

In Wechselrichtern werden IGBTs verwendet, um die Eingangsgleichspannung mit hoher Frequenz, typischerweise im Bereich von einigen Kilohertz bis einigen zehn Kilohertz, schnell ein- und auszuschalten. Dieser Schaltvorgang erzeugt eine Reihe hochfrequenter Impulse, die anschließend gefiltert und zu einer sinusförmigen Wechselstromwelle geformt werden.

IGBTs bieten für Wechselrichter mehrere Vorteile, darunter hohe Spannungs- und Strombelastbarkeit, schnelle Schaltgeschwindigkeiten und geringe Leitungsverluste. Dank dieser Eigenschaften eignen sich IGBTs hervorragend für Hochleistungsanwendungen, bei denen eine effiziente und zuverlässige Leistungsumwandlung unerlässlich ist.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Wechselrichter Gleichstrom in zwei Stufen in Wechselstrom umwandeln: Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlung und Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlung. IGBTs werden aufgrund ihrer hohen Spannungs- und Strombelastbarkeit, schnellen Schaltgeschwindigkeiten und geringen Leitungsverluste häufig als Hauptschaltelemente in Wechselrichtern eingesetzt. Das Verständnis des Funktionsprinzips von Wechselrichtern und der Rolle von IGBTs kann bei der Auswahl und Verwendung des richtigen Wechselrichters für verschiedene Anwendungen hilfreich sein.