Neues Verfahren erhöht Effizienz bei Gleichspannungswandlern

| Autor / Redakteur: Annette Siller * / Thomas Kuther

Prinzip des neuen Verfahrens: 1. Gleichspannungswandler, 2. Spulenkern, 3. Verlauf der magnetischen Flussdichte und der Permeabilität im Spulenkern, 4. Verlauf des Hauptwicklungsstroms des Gleichspannungswandlers gemäß Bild 1.
Prinzip des neuen Verfahrens: 1. Gleichspannungswandler, 2. Spulenkern, 3. Verlauf der magnetischen Flussdichte und der Permeabilität im Spulenkern, 4. Verlauf des Hauptwicklungsstroms des Gleichspannungswandlers gemäß Bild 1. (Bild: TLB)

Forscher der Universität Stuttgart haben ein Verfahren zur Erhöhung der Effizienz von DC/DC-Wandlern entwickelt.

Eine wichtige Komponente vieler DC/DC-Wandler ist eine Spule, über welche die zwischen dem Eingang und dem Ausgang transferierte Energie zwischengespeichert wird. Derartige Spulen weisen in der Regel eine Induktivität auf, die von dem Mittelwert des von der Spule geführten Stroms abhängig ist. Der Wert der Induktivität beeinflusst die in der Spule auftretenden Leistungsverluste. In Abhängigkeit vom Betriebspunkt des Gleichspannungswandlers können unterschiedlich hohe Leistungsverluste entstehen.

Durch das von Dr. Omar Abu Mohareb, Projektleiter am Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen der Universität Stuttgart entwickelte Verfahren kann die Effizienz des Gleichspannungswandlers in jedem Betriebszustand erhöht werden – also für jede Ausgangsspannung oder jeden Ausgangsstrom, unabhängig von der Geometrie der Spule. Dabei wird über das Tastverhältnis des Leistungsschalters der Mittelwert des Stroms in der Hauptwicklung der Spule eingestellt. Die Einstellung erfolgt derart, dass die Permeabilität/Induktivität des Spulenkerns ihren maximalen Wert einnimmt.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Gleichspannungswandlers (Bild 1), der einen Leistungsschalter (2) und eine Spule (3), einen Spulenkern (Bild 2), eine auf dem Spulenkern (6) angeordnete Hauptwicklung (4) und eine auf dem Spulenkern angeordnete Steuerwicklung (5) umfasst. Der Mittelwert des Hauptwicklungsstroms (lav) wird über ein Tastverhältnis (D) des Leistungsschalters (2) derart eingestellt, dass entweder ein konstanter Ausgangsstrom (lo) oder eine konstante Ausgangsspannung (Vo) des Gleichspannungswandlers erhalten wird. Der Steuerstrom (Ictr) wird in Abhängigkeit von dem Mittelwert (lav) des Hauptwicklungsstroms über dem Tastverhältnis eines Steuerschalters (7) eingestellt, und zwar so, dass die Permeabilität des Spulenkerns maximal ist.

Somit kann über den Steuerstrom die Effizienz des Gleichspannungswandlers in jedem Betriebszustand des Gleichspannungswandlers, d.h. für jede Ausgangsspannung oder jeden Ausgangsstrom, unabhängig von der Geometrie der Spule, erhöht werden, bzw. kann die Induktivität der Spule auf ihren maximal möglichen Wert eingestellt werden. Das Verfahren eignet sich für Anwendungen, bei denen die Induktivitätswerte geregelt oder eingestellt werden müssen (Dynamic Inductor Control, DIC).

Das Patent für das von den Forschren entwickelte Verfahren wurde in Deutschland bereits erteilt (DE102017209230B4), eine PCT ist eingereicht. Das Technologie-Lizenz-Büro (TLB) unterstützt die Universität Stuttgart bei der Patentierung und Vermarktung. TLB ist mit der wirtschaftlichen Umsetzung der Erfindung beauftragt und bietet Unternehmen Möglichkeiten der Lizenzierung oder des Kaufs der Schutzrechte.

* Annette Siller, Presse- und Öffentlichkeitsarbeit, Technologie Lizenz-Büro (TLB) der Baden-Württembergischen Hochschulen.

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