Ein bidirektionaler DC/DC-Wandler in DAB-Topologie

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

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.

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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)

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.

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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.

Schalten der MOSFET mit Zero-Voltage-Switching

Betrachtet man das Schaltverhalten der Bauelemente bei Betrieb des DAB mit einer hohen Leistung, ist schnell ersichtlich, dass hier alle MOSFETs mit Zero-Voltage-Switching (ZVS) geschaltet werden können. Beim ZVS wird die in den induktiven Komponenten gespeicherte Energie dazu verwendet, die Schaltknoten der MOSFETs nahezu verlustlos umzuladen. Um dies zu erreichen, muss bei einem positiven Drain-Source-Strom ausgeschalten werden. Der durch die Induktivität getriebene Strom lädt anschließend den Schaltknoten der MOSFETs um und kommutiert in die Body-Diode des zweiten MOSFETs der Halbbrücke. Wird dieser nun eingeschaltet, beträgt seine Drain-Source-Spannung nahezu 0 V. Dadurch entstehen keine nennenswerten Einschaltverluste, was somit die Gesamtverlustbilanz verringert.

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Betreibt man den DAB jedoch bei ganz geringer Leistung unter Verwendung der Standard-Phaseshift-Ansteuerung, kann nicht mehr mit ZVS geschalten werden (Bild 5). Dann kommutiert der Strom beim Ausschalten des MOSFETs in dessen eigene Body- Diode und die Spannung des einschaltenden MOSFETs entspricht der Eingangs- bzw. Ausgangsspannung. Dadurch muss die komplette in den Ausgangskapazitäten (Coss) der MOSFETs gespeicherte Energie in Wärme umgesetzt werden. Hinzu kommt, dass der zum Schaltzeitpunkt in der zu sperrenden Body-Diode fließende Strom innerhalb der Schaltzeit in den einschaltenden Transistor kommutieren muss. Während diesem sogenannten Reverse-Recovery der Body-Diode fließt ein Querstrom über die Halbbrücke, der gänzlich in Wärme umgesetzt wird. Zur Vermeidung extremer Verluste und dynamischer Überspannungen müssen die Body-Dioden der MOSFETs daher eine sehr geringe Sperrverzugszeit trr aufweisen.

Die Body-Dioden von Trench-MOSFETs auf Siliziumbasis weisen im Hochvoltbereich (>200 V) jedoch zu große Sperrverzugszeiten auf, sodass Si-MOSFETs nur im Niedervoltbereich verwendet werden können. Im Hochvoltbereich muss dagegen auf Schalter aus sogenannten Wide-Band-Gap-Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) zurückgegriffen werden. Die Bandlücke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband ist hier um etwa den Faktor 3 größer als bei Silizium. Aufgrund dieser Beschaffenheit ist die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger hier wesentlich kürzer. Somit erfolgt das Ausräumen der Ladungszone wesentlich schneller als bei einer Body-Diode aus Silizium.

Zusätzlich zum wesentlich besseren Schaltverhalten der Body-Diode haben Wide-Bandgap-Halbleiter noch weitere Vorteile. Durch die größere Bandlücke können bei identischen Sperrspannungen und Durchlassströmen die Strukturen verkleinert und dadurch die parasitären Kapazitäten (Cgs, Cgd, Coss) verringert werden. Dies senkt zusätzlich die Schaltverluste. Außerdem liegt die maximale Betriebstemperatur höher, was die Entwärmung der Bauelemente vereinfacht. Je nach Spannungsbereich kann sowohl SiC als auch GaN die bessere Wahl darstellen.

Der Herstellungsprozess bei Siliziumkarbid-Halbleitern ist ähnlich dem von Halbleitern aus Silizium. Siliziumkarbid kann in einer Vielzahl von polymorphen kristallinen Strukturen (Polytypen) durch ein homo-epitaxisches Verfahren gefertigt und somit als eigen-ständiges Substrat verwendet werden. Epitaxie bedeutet in der Halbleiterphysik das Aufbringen einer kristallinen Struktur auf ein sogenanntes Substrat. Besteht das Substrat aus demselben Material wie der aufzubringende Stoff, spricht man von Homo-Epitaxie, andernfalls von Hetero-Epitaxie. Bei Galliumnitrid gibt es dagegen noch kein effizientes Verfahren, um qualitativ hochwertige Einkristalle herzustellen. Es wird bis jetzt meist hetero-epitaktisch auf Fremdsubstrate wie Siliziumkarbid oder Silizium aufgetragen. Die durch die unterschiedlichen Kristallstrukturen von diesen Trägersubstraten und dem aufgebrachten GaN resultierende Gitterfehlanpassung führt hier jedoch zu unerwünschten Störstellen, was die Qualität der Bauelemente negativ beeinflusst.

Aus diesem Grund werden GaN-MOSFETs meist lateral aufgebaut, wogegen SiC-MOSFETs wie auch die Siliziumvariante vertikal aufgebaut wird. Der vertikale Aufbau stellt bei hohen Sperrspannungen einen Vorteil dar, da hier das elektrische Feld nicht an der Oberfläche entlanggeführt werden muss. Die lateralen GaN-MOSFETs sind daher in ihrer maximalen Sperrspannung auf <1000 V limitiert. Allerdings können GaN-MOSFETs auf bestehenden Fertigungsstraßen für Silizum-Halbleiter gefertigt werden, was eine kostengünstigere Produktion ermöglicht.

Für Sperrspannungen bis 900 V sind demnach GaN-MOSFETs aufgrund ihres Preisvorteils und noch etwas besseren Schalteigenschaften als gute Alternative zu SiC-Halbleitern zu sehen. Für Sperrspannungen >900 V hat dagegen SiC die besseren Eigenschaften.

Der Einsatz von Wide-Band-Gap Halbleitern hat technisch gesehen zwar viele Vorteile, jedoch sind die verfügbaren MOSFETs noch wesentlich teurer als die Silizium-Variante. Daher liegt die Überlegung nahe, ob durch Ausnutzung der Freiheitsgrade bei der Ansteuerung des Konverters nicht dauerhaft ZVS erzielt und somit auf den Einsatz von Wide-Band-Gap Halbleitern verzichtet werden kann. Um dauerhaft ZVS zu ermöglichen muss, wie erwähnt, der Drain-Source-Strom beim Ausschalten des MOSFETs immer einen positiven Wert haben. Dieser muss außerdem einen bestimmten Minimalwert aufweisen, damit die in der Drossel gespeicherte Energie noch zum Umladen der Ausgangskapazitäten der MOSFETs ausreicht.

Um dieses Kriterium zu erfüllen ist es notwendig neben der Änderung des Phasenwinkels φ zwischen der primären und sekundären Brücke, auch die Phase γ zwischen den beiden primärseitigen oder sekundärseitigen Halbbrücken zu ändern. In Bild 5 ist der Betrieb des DAB bei einem ungünstigen Eingangs-/Ausgangsspannungsverhältnis im unteren Teillastbereich mit Phaseshift-Ansteuerung dargestellt. Vergleicht man hier die Schaltströme Isw1 und Isw2 mit den Schaltströmen in Bild 2, dann fällt auf, dass Isw2 nun ein negatives Vorzeichen hat. Dadurch wird an diesem Punkt nicht mehr mit ZVS geschaltet. In der in Bild 6 gezeigten erweiterten Ansteuerung wird nun auch die Phase γ innerhalb der sekundären Vollbrücke angepasst.

Durch eine optimierte Steuerung der Phasenwinkel φ und γ ist es Finepower gelungen, auch bei einem weiten Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich ZVS über den gesamten Arbeitsbereich zu erhalten und somit eine kosteneffiziente Schaltung auf Basis bestehender Si-MOSFETs aufbauen zu können. Da die Halbleiterschalter, neben den Induktivitäten, den größten Kostenfaktor im DAB darstellen, ist die Umstellung von Voll- auf Halbbrücke eine weitere Möglichkeit zur Kostenersparnis.

* Andreas Brenner ist Entwicklungsingenieur bei Finepower, München. Tobias Herrmann ist Field Application Engineer bei Finepower, München.

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