DISS. ETH NO. 23481

Multi-Input Module-Integrated PV Inverter Applying GaN Devices A thesis submitted to attain the degree of DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH (Dr. sc. ETH Zurich)

presented by DAVID LEUENBERGER MSc. ETH ETIT, ETH Zurich

born on 06.05.1982 citizen of Walterswil BE, Switzerland

accepted on the recommendation of Prof. Dr. J¨ urgen Biela, examiner Prof. Dr. Bruno Burger, co-examiner

2016

Abstract The trend in small scale roof-top PV-systems is towards module integrated electronics, such as AC-modules, featuring MPP tracking on PV-module level and increasing energy-yield under partial shading conditions. Unlike common AC-modules, this work investigates multi-input AC-modules with MPP-tracking on sub-module level, which eliminates mismatch losses among the substrings of a PV-module. Based on a review of AC-module topologies with single MPP-tracking, topologies for a multi-input AC-module with substring MPP-tracking are derived. As AC-modules must feature low part-count number due to cost and reliability specifications, the feasible multi-input topologies are severely restricted. A topology comparison identifies two viable candidates for a multi-input AC-module: first a LC-resonant cyclo-converter with a power-balancer multi-port and second a two-stage topology with three paralleled flyback DC-DC converters and a PWM fullbridge DCAC inverter. The latter is investigated in this work, as it features the advantage of low capacitive energy storage for single-phase powerdecoupling. To perform a model-based optimization of PV-inverters, magnetic models are required, which accurately model the losses over the wide load range of the European efficiency from 100% down to 5% of the nominal output power. To achieve the desired modeling accuracy advanced magnetic models are applied. A new method is proposed to model losses in foil windings exposed to an airgap field, which is not restricted to certain winding geometries. The method is shown to achieve modelling errors below 15%. The transformer parasitics are found to substantially influence DC-DC flyback operation at low output power. Flyback operation under these non-ideal conditions is analyzed, analytical formulas for the involved losses are derived and improved methods to model transformer parasitics are derived. GaN devices are applied, to allow an AC-module design with decent efficiency. High voltage devices with 600V blocking voltage are still a novelty and not available yet with the voltage and current rating of 600V/2A, typically required for AC-modules. Experimental results v

ABSTRACT

on a 400V/10A halfbridge prototype show, that the switching speed is limited by parasitics of the not yet optimal packaging. Nevertheless excellent switching performance is confirmed with 30µJ total halfbridge switching losses at 400V/4A hard switched operation. This clearly outperforms state of the art silicon devices. The performance of the proposed AC-module topology is investigated by calculating the volume versus-efficiency pareto-front with modelbased optimization. A complete converter optimization routine is implemented, including system-level and component-level parameters. To verify the performed analysis, prototypes of the two AC-module stages are built. The deviation between the modeled and the measured converter losses are below 15%. The complete prototype system achieves an efficiency of ηEU =93.45%. This is 0.7% below the actual paretooptimum, which can only be achieved by applying custom-made coreshapes. To increase the efficiency of the proposed multi-input ACmodule above 94.5% an excessive volume of the passive components is required. The major efficiency limitations origin from the transformercore of the flyback DC-DC stage. Currently the benchmark efficiency of commercially available AC-modules is 95.5%. Given an estimated yield increase of 1-2% by substring MPPtracking, the proposed multi-input AC-module only brings a marginal advantage at increased cost and system-complexity, compared to singleinput AC-modules. In order to be competitive and exploit the advantage of substring MPP-tracking, the effciency of multi-input ACmodules must improve well above the level achieved with the investigated two-stage topology. Applying the alternative LC-resonant cycloconverter topology with a power-balancer multi-port would be one option to realize a multi-input AC-module with higher efficiency.

vi

Kurzfassung Im Bereich kleiner PV-Anlagen f¨ ur Aufdach-Montage geht der Trend in Richtung modul-integrierte Elektronik wie z.B. AC-Module. Modulintegrierte Elektronik bietet den Vorteil von separatem MPP-Tracking f¨ ur jedes PV-Modul und erh¨ oht den Energieertrag bei Teilverschattung der PV-Anlage. Im Gegensatz zu herk¨ ommlichen AC-Modulen werden in dieser Arbeit ’Multi-Input AC-Module’ mit MPP-Tracking auf Substring-Ebene untersucht. Dies verhindert Verluste bei Teilverschattung des PV-Moduls und erh¨ oht den Energieertrag. Gest¨ utzt auf einen Topologievergleich herk¨ ommlicher AC-Module werden verschiedene Topologie-Varianten zur Realsierung eines ’Multi-Input AC-Moduls’ vorgestellt und untersucht. Aufgrund hoher Kosten- und Zuverl¨ assigkeitsanforderungen m¨ ussen AC-Module mit einer m¨oglichst kleinen Anzahl von Komponenten gebaut werden. Dies schr¨ankt die m¨ oglichen Topologien stark ein. Ein systematischer Topologievergleich zeigt zwei valable Topologien zur Realisierung eines ’Multi-Input ACModuls’ auf: erstens ein LC-resonanter Cyclo-Umrichter kombiniert mit einem ’Multi-Port Power-Balancer’ und zweitens eine zweistufige Topologie mit drei parallelgeschalteten Flyback DC-DC Umrichtern und einer DC-AC Vollbr¨ ucke. In diser Arbeit wird die zweistufige Topologie untersucht, da sie zur einphasen Leistungsentkopplung eine viel kleinere Energiezwischenspeicherung ben¨ otigt. F¨ ur die korrekte Modellierung von Verlusten in PV-Umrichtern werden Modelle ben¨ otigt, welche die Verluste u ¨ber den gesamten, weiten Lastbereich von PV-Umrichtern korrekt modellieren k¨onnen. Deshalb werden in dieser Arbeit verbesserte Methoden zur Modellierung magnetischer Komponten hergeleitet. Eine neue Methode zur Berechnung von Verlusten in Folienwicklungen mit Luftspaltstreufeld wird vorgestellt, welche auf beliebige Wickelanordnungen anwendbar ist. Die Genauigkeit der Methode wird anhand von Messungen an Prototyp-Transformatoren best¨ atigt. Der Fehler der modellierten Verluste ist kleiner als 15%. Der Betrieb des DC-DC Flyback Umrichters wird bei tiefen Leistungen stark von den parasit¨ aren Elementen des Flyback-Transformators beeintr¨ achtigt. Das Betriebsverhalten des Flyback Umrichters unter vii

KURZFASSUNG

diesen nicht-idealen Bedingungen wird im Detail analysiert. Analytische Formeln zur Berechnung der durch die parasit¨aren Elemente verursachten Verluste werden hergeleitet. Zudem werden Methoden zur Modellierung der parasit¨ aren Elemente eines Transformators behandelt. Um eine hohe Umrichtereffizienz zu erreichen, werden neuartige GaN Halbleiter eingestzt. GaN Schalter mit 600V Sperrspannung sind neu auf dem Markt und noch nicht in der f¨ ur AC-Module ben¨otigten 600V/2A Ausf¨ uhrung erh¨ altlich. Ein 400V/10A Halbbr¨ ucken-Prototyp zeigt auf, dass die Schaltgeschwindigkeit im realen Betrieb durch parasit¨are Induktivit¨ aten des nicht optimalen Halbleiter-Packages limitiert ist. Trotzdem best¨ atigen Schaltverlustmessungen die hervoragenden Schalteigenschaften der GaN Schalter mit gerade mal 30µJ Halbbr¨ uckenschaltverluste bei 400V/4A hart geschaltetem Betrieb. Mittels modelbasierter Optimierung wird die Effizienz versus Bauvolumen Pareto-Front der untersuchten ’Multi-Inpt AC-Modul’ Topologie berechnet. Ein Prototypen-Aufbau best¨ atigt die G¨ ultigkeit der Optimierung mit Abweichungen kleiner 15% zwischen den modellierten und gemessenen Umrichterverlusten. Der Prototyp erreicht eine Effizienz von ηEU =93.45%. Diese liegt 0.7% unter der pareto-optimalen Effizienz, welche nur durch Verwendung von massgefertigten magnetischen Kernen erreicht werden kann. Mit der untersuchten Topologie kann realistischerweise eine Effizienz von ηEU =94.5% erreicht werden. Eine weitere Effizienzsteigerung w¨ urde eine unverh¨altnism¨assige Vergr¨osserung des Bauvolumens erfordern. Die Effizienz des Gesamtsystems ist haupts¨ achlich durch den Transformator des DC-DC Flyback Umrichters limitiert, welcher die gr¨ ossten Verluste beisteuert. Herk¨ ommliche, kommerziell erh¨ altliche AC-Module weisen eine Efffizienz von 95.5% auf. Durch MPP-Tracking auf Substring-Ebene l¨asst sich der Energieertrag um 1-2% steigern. Das untersuchte ’Multi-Input AC-Modul’ bringt daher nur einen marginal h¨oheren Nettoertrag als herk¨ ommliche AC-Module bei zugleich erh¨ ohter System-Komplexit¨at und h¨ oheren Herstellungskosten. Um den Vorteil des erh¨ohten Energieertrages ausnutzen zu k¨ onnen, muss die Effizienz von ’Multi-Input AC-Modulen’ deutlich gesteigert werden. Die Verwendung der LCresonanz Cyclo-Umrichter Topologie kombiniert mit einem ’Multi-Port Power-Balancer’ w¨ are eine m¨ ogliche Alternative um dies zu erreichen.

viii