IFEC 2018: “Entwicklung eines galvanisch trennenden, bidirektionalen 1000W DC-DC Wandlers“

Bidirektionaler galvanisch trennender 1kW SRC Wandler. (Bild: R. Kordsmeier, TH Köln)

Anwendungsgebiet des Umrichters waren Batteriespeichersystem für Photovoltaikanlagen geringerer Leistung. Dazu sollte Leistung sowohl aus einem 400V Zwischenkreis in eine Batterie mit variabler Spannung zwischen 35V und 50V übertragen werden, als auch umgekehrt aus der Batterie in den Zwischenkreis.

Als Topologie kam ein Serien-Resonanz-Wandler (SRC) zum Einsatz. Auf der High-Voltage-Side (HVS) wurde eine Halbbrücke mit aktivem Freilauf aufgebaut. Der Resonanzkreis besteht aus einem Resonanzkondensator und der Streuinduktivität des Transformators. Auf der Low-Voltage-Side (LVS) kam eine H4-Brückenschaltung zum Einsatz. Alle Leistungsschalter sind als Galliumnitrid (GaN) Halbleiter realisiert worden. Um die geforderte Leistungsdichte zu erreichen wurde eine Schaltfrequenz von 1MHz angestrebt, wodurch die Bauelemente des Resonanzkreises möglichst klein ausgelegt werden konnten.

SRC-Topologie (Bild: T. Rieger, TH Köln)

Damit ein variables Übersetzungsverhältnis mit dieser Umrichter Topologie realisiert werden konnte, wurde eine besondere Modulationsstrategie erprobt. Hierbei sollten eingangs- oder ausgangsseitig Pulsmuster verändert werden, um die Stromamplitude im Resonanzkreis auf- und abschwingen zu lassen, woraus eine Spannungsänderung am Ausgang resultiert. Da zu Beginn des Projekts noch unklar war, ob die Modulationsstrategie entsprechend den Simulationen auch praktisch umgesetzt werden kann, wurde als „Plan-B“ eine zusätzliche Boost-Buck-Konverterstufe aufgebaut, um das variable Übersetzungsverhältnis des DC-DC-Wandlers trotzdem implementieren zu können.

Simulationsergebnisse der Modulationsstrategie. (Bild: M. Nießen, TH Köln)

Der Umrichter wurde modular aus stapelbaren Platinen aufgebaut. So konnte jede Platine einzeln, von verschiedenen Teammitgliedern entwickelt, aufgebaut und getestet werden, bevor der Umrichter als gesamtes System in Betrieb genommen wurde.

Gestapelter Aufbau der Konverterstufen von oben nach unten: HVS, Transformator, LVS (Bild: R. Kordsmeier, TH Köln)

High-Voltage-Side (HVS)

Die HVS wurde bei den ersten Tests mit einer einfachen Induktivität am Ausgang der Halbbrücke und ohne Resonanzkondensator betrieben. Die Schaltung wurde so bei verschiedenen Schaltfrequenzen erprobt. Auffällig war dabei, dass die Freilaufschalter T3 und T4 sich stets stärker erwärmt haben als die Schalter T1 und T2. Da die Schalter antiparallel verbaut sind, konnte der ineffiziente Betrieb über die internen Body-Dioden als Ursache dafür ausgeschlossen werden. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Erwärmung auf hohe Schaltverluste durch unvollständige Umladevorgänge der parasitären Kapazitäten der Schalter zurückgeführt. Zur Minimierung der Schaltverluste, wurde das sogenannte „weiche Schalten“ bzw. „Zero-Voltage-Switching (ZVS)“ angestrebt. Dazu ist es notwendig, im Schaltaugenblick einen ausreichend großen Strom abzuschalten, welcher die parasitären Kapazitäten der Leistungshalbleiter umlädt.

In der zweiten Testphase, wurde die vorläufige Topologie bestehend aus HVS, Resonanzkreis und passivem Gleichrichter als Serien-Resonanz-Wandler in Betrieb genommen. Der passive Gleichrichter war zu träge um Schaltfrequenzen von 1MHz mit diesem Aufbau testen zu können. Weitere Tests waren nur mit einer aktiven Gleichrichtung durch die LVS möglich.

Planarer Transformator

Verschaltung der Transformatoren. (Bild: T. Reitze, TH Köln)

Durch die hohen Frequenzen konnte der resultierende Transformator verhältnismäßig klein dimensioniert werden. Ferner wurde er planar aufgebaut. Somit kann er bei einer Weiterentwicklung direkt in das Platinen Layout integriert werden. Weitere Vorteile dieses Aufbaus sind die geringe Höhe, eine hohe Wärmeabfuhr sowie ein geringer AC-Widerstand sowie eine sehr gute Reproduzierbarkeit. Die Last wurde auf zwei Transformatoren verteilt. Um sowohl den hohen Spannungen der HVS als auch den großen Strömen der LVS entgegen zu wirken, wurden die Transformatoren auf der HVS seriell und auf der LVS parallel verschaltet. Dies wurde jedoch nicht durch eine entsprechende Verkabelung zweier Transformatoren realisiert, sondern direkt im Wicklungssinn, also im Layout der Platine, berücksichtigt.

Low-Voltage-Side (LVS)

Bei der LVS handelt es sich im Wesentlichen um eine H4-Brücke. Diese arbeitet bei Leistungstransfer zur Batterie als aktiver Gleichrichter und erzeugt Leistungstransfer in den Zwischenkreis als die entsprechenden Rechteckspannungen zur Anregung des SRC. Die für die Modulationsstrategie benötigten Freiläufe sind mit einer H4-Brücke ohnehin möglich. Eine Herausforderung im Design bestand aus der Kombination der hohen Frequenzen bei gleichzeitig hohen Strömen von bis zu ca. 40A. Die Leistungsschalter wurden entsprechend parallel aufgelegt, um die Strombelastbarkeit zu erhöhen. Die dadurch steigenden parasitären Kapazitäten waren an der Stelle kein Problem, da diese durch die großen Ströme entsprechend schnell umgeladen werden konnten. Somit ist die Realisierung von ZVS möglich. Lediglich bei geringer Leistungsübertragung wir dies problematischer. Es war jedoch auch komplett hartes Schalten möglich, ohne das kritische Betriebsbedingungen erreicht wurden. Dabei stiegen die Verlustleistungen jedoch deutlich. Beim Einsatz der LVS als aktiver Gleichrichter wurde „Zero-Current-Switching“ (ZCS) genutzt um die Schaltverluste zu minimieren.

Bei dem Finale in Peking wurde die Arbeit einer internationalen Jury vorgestellt und der Konverter vermessen. Aufgrund eines Defektes konnte die Funktionalitär leider nicht demonstriert werden.