Ein bidirektionaler DC/DC-Wandler in DAB-Topologie

| Autor / Redakteur: Andreas Brenner, Tobias Herrmann * / Gerd Kucera

Bild 1: Der Aufbau einer DAB-Struktur (DAB; Dual-Active-Bridge-Topologie).
Bild 1: Der Aufbau einer DAB-Struktur (DAB; Dual-Active-Bridge-Topologie). (Bild: Finepower)

Viele der Vorzüge einer DC/DC-Wandlung, die in unterschiedlichen Standard-Topologien einzeln zu finden sind, integrieren die DC/DC-Konverter mit DAB-Technik (Dual Active Bridge). Ihre Auslegung und Ansteuerung beschreibt dieser Artikel.

Die Vision elektrische Energie aus regenerativen Quellen möglichst verbrauchsdeckend zu nutzen, setzt geeignete Energiespeicher voraus. Dazu ebenso notwendig ist eine geeignete Leistungselektronik zur Integration der Speicher ins Versorgungsnetz nebst ausgefeilter Betriebsstrategie. Finepower hat einen DC/DC-Wandler auf Basis der DAB-Topologie entwickelt, der Vorzüge wie Bidirektionalität, galvanische Potenzialtrennung und gute Parallelisierbarkeit vereint. Nachfolgend skizziert der Artikel die Vorteile eines solchen DAB-Wandlers und was bei seiner Auslegung und Ansteuerung zu berücksichtigen ist.

Je nach Prinzip variiert die Zellspannung eines elektrochemischen Energiespeichers mit dem Ladezustand. Daher ist in nahezu allen Fällen ein elektrischer Wandler notwendig, um nach außen hin eine Schnittstelle mit einer definierten Spannung bereitstellen zu können. Um dies sowohl für die Lade- als auch für die Entladerichtung zu ermöglichen, können entweder zwei separate Wandler oder ein bidirektionaler Wandler verwendet werden.

Zwei aktive Vollbrücken für Laden und Entladen

In Systemen, in denen Bauraum und Kosten nur eine untergeordnete Rolle spielen (etwa Container-Speicher), kann es sinnvoll sein, zwei getrennte Wandler zu verwenden, die auf den jeweiligen Betriebsbereich optimiert sind. Für kostenkritische Anwendungen mit begrenztem Bauraum sind bidirektionale Wandler die bessere Lösung. In vielen Fällen ist außerdem noch eine galvanische Trennung im Wandler notwendig. Vor allem in Heimspeicherlösungen ist dies ein sehr wichtiger Aspekt. Denn durch eine galvanische Trennung des Speichers vom Netz sowie einer Speicherspannung bis maximal 60 V ist ein Tausch bzw. eine Inbetriebnahme von Batteriemodulen vor Ort auch ohne Hilfe eines Fachmanns möglich.

Durch die derzeit geringe Einspeisevergütung ist eine Erhöhung des Eigenbedarfs durch die Verwendung eines Heimspeichers attraktiver denn je. Aber auch im Automotive-Bereich werden bidirektionale galvanisch getrennte Wandler immer wichtiger. Eine Topologie, die die beiden Eigenschaften bidirektionaler Energiefluss und galvanische Trennung sehr gut vereint, ist die Dual-Active-Bridge-Topologie (kurz DAB). Hinter der Bezeichnung Dual Active Bridge steht eine Topologie mit zwei aktiven Halbleiterbrücken. Den Aufbau einer DAB-Struktur zeigt Bild 1.

Zwischen den beiden Voll-Brücken ist ein Hochfrequenz-Transformator geschaltet. Dieser legt zum einen das grobe Übersetzungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärseite fest, zum anderen stellt er die galvanische Trennung sicher. Die dritte Kernkomponente ist die Längsinduktivität L1. Sie kann je nach Betriebsfrequenz und Nennleistung im besten Fall ausschließlich aus der Streuinduktivität des Transformators bestehen. Durch dieses Vorgehen können Kosten und Bauraum gespart werden, allerdings mit dem Nachteil erhöhter Verluste. Die korrekte Auslegung des Transformators setzt also einiges an Knowhow und Erfahrung voraus.

Durch die insgesamt acht Schaltelemente in dieser Topologie ist die Anzahl unterschiedlicher Ansteuerverfahren sehr hoch und es existieren mehrere Freiheitsgrade, die zur Optimierung genutzt werden können. Je nach Einsatzgebiet des Konverters ist es jedoch nicht immer notwendig alle Freiheitsgrade bei der Ansteuerung auszunutzen, wodurch sich die Komplexität der Ansteuerung erheblich reduzieren lässt. Bei einem sehr begrenzten Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich ist zum Beispiel auch die einfachere Phaseshift-Ansteuerung ausreichend, bei der alle Schaltelemente auf der Primär- sowie Sekundärseite mit 50% Duty-Cycle angesteuert werden. Die beiden Brückenzweige einer Vollbrücke haben dabei einen Phasenversatz von 180°. Zur Regelung des Leistungsflusses wird nur der Phasenversatz φ zwischen der primären und sekundären Vollbrücke verwendet. In Bild 2 ist die prinzipielle Ansteuerung der Halbleiterschalter zu sehen. Unter Zuhilfenahme dieser idealisierten Strom- und Spannungsverläufe kann die Großsignal-Übertragungsfunktion sowie die maximal übertragbare Leistung analytisch berechnet werden.

Wie Bild 3 verdeutlicht, ist der nutzbare Arbeitsbereich für einen Ansteuerwinkel φ von -90° bis +90° gegeben. Bei einem Blick auf die Formel für die maximal übertragbare Leistung Pmax (Bild 7) fällt auf, dass diese von den Eingangs- und Ausgangsspannungen, der Schaltfrequenz fs und der Längsinduktivität L1 abhängt. Die Eingangs- und Ausgangsspannungen sind meist durch den Anwendungsbereich bereits festgelegt. Zur Dimensionierung des Konverters kann daher nur die Frequenz bzw. die Längsinduktivität verwendet werden. Ist eine bestimmte Nennleistung zu übertragen, ergibt sich bei festgelegten Spannungen somit eine Obergrenze für das Produkt aus L1 und fs. Die Festlegung der optimalen Frequenz hängt anschließend von den verwendeten Halbleiterschaltern, Magnetmaterialien und vom verfügbaren Bauraum ab. Denn wie bei allen geschalteten Wandlern ist auch beim DAB die Baugröße der induktiven Bauelemente indirekt proportional abhängig von der Schaltfrequenz.

Der mit der DAB-Topologie erzielbare Wirkungsgrad liegt zwischen 96% und 99% und ist in erster Linie von der Eingangs- und Ausgangsnennspannung bestimmt sowie von der Schaltfrequenz. Einen weiteren Einflussfaktor stellt der gewünschte Bereich der Eingangs- bzw. Ausgangsspannung dar. Dies rührt daher, dass bei kleinen Spannungen und großen Leistungen die ohmschen Verluste den dominierenden Verlustanteil darstellen und diese quadratisch mit dem RMS-Strom skalieren. Außerdem gibt es bei Verwendung der Phaseshift-Ansteuerung in Kombination mit einem weiten Spannungsbereich zwangsläufig Arbeitsbereiche, in denen ein erhöhter Blindstromanteil im Trafo entsteht (Bild 5) und sich damit höhere Verluste in der Trafowicklung ergeben.

Die weiteren Verlustanteile im DAB sind durch die Schaltverluste in den Halbleiterschaltern, den Kernverlusten im Transformator sowie die Skin- und Proximityverluste in der Transformatorwicklung gegeben. In Bild 4 ist der Wirkungsgrad für einen von Finepower entwickelten DAB-Wandler von 400 V auf 48 V dargestellt. Die Nennleistung des Wandlers liegt bei 1500 W; die MOSFETs werden mit 140 kHz geschaltet.

Neben den ohmschen Verlusten stellen die Schaltverluste der Leistungshalbleiter einen nicht zu vernachlässigenden Anteil an den Gesamtverlusten dar. Für die Auswahl geeigneter Halbleiterschalter müssen zunächst die Einsatzbedingungen in der Schaltung analysiert werden. Dazu gehören der maximale RMS-Strom durch die jeweiligen Schalter, die maximale Sperrspannung sowie die Schaltströme beim Ein- und Ausschalten der Halbleiter. Auch die Betriebsfrequenz des Wandlers ist ein wichtiges Kriterium.

Um eine hohe Leistungsdichte zu erzielen, ist es notwendig, die Schaltfrequenz zu erhöhen. Dadurch beschränken sich die nutzbaren Schalter auf MOSFETs. IGBTs sind bei Frequenzen jenseits der 100 kHz aufgrund ihrer hohen Ausschaltverluste nicht mehr sinnvoll einsetzbar. Nun gilt es, den richtigen MOSFET für diese Applikation auszuwählen.

GaAs-Leistungshalbleiter als Ergänzung zu SiC und GaN

GaAs-Leistungshalbleiter als Ergänzung zu SiC und GaN

13.06.18 - Mit einer neuen Technologie für Hochspannungs- und Hochstrom- Anwendungen in der Leistungselektronik geht 3-5 Power Electronics im Technologiezentrum Dresden an den Start. lesen

Inhalt des Artikels:

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45569159 / Leistungselektronik)