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Um bidirektionale Netzteile einfacher und kostengünstiger herzustellen, gibt es zwei besondere Herangehensweisen.

Bild: iStock, DimaChe

Bidirektionale AC/DC-Netzteile Leistungsstarke Netzteile kostengünstig entwickeln

17.06.2020

Die Herstellung eines bidirektionalen 10-kW-AC/DC-Wandlers ist eine technische Herausforderung. Mithilfe neuester Topologien und des Einsatzes neuester Entwicklungen wird jedoch das Design einfacher realisierbar und wirtschaftlich rentabler.

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Heutzutage gibt es etliche Beispiele für bidirektionale Netzteile. Ein Grund dafür ist, dass viele erneuerbare Energieprojekte gefördert werden, obwohl die Leistung aufgrund der saisonalen/täglichen Schwankungen oft nicht mit der Nachfrage übereinstimmt.

Eine kontinuierliche Netzverfügbarkeit könnte aber gewährleistet werden, wenn Millionen von Elektrofahrzeugen (EV) als Zwischenspeicher in einem sogenannten Vehicle-to-Grid-System (V2G) verwendet werden. Dieses Konzept braucht bidirektionale Netzteile.

Es gibt zwei Besonderheiten, wie sich bidirektionale Netzteile wesentlich einfacher und günstiger produzieren lassen – die erste ist die Einführung neuer bidirektionaler Topologien und die zweite ist die Weiterentwicklung der Siliziumkarbid-Transistoren (SiC-Transistoren).

Unidirektional versus bidirektional

Unidirektionale AC/DC-Ladegeräte verwenden im Allgemeinen die in der Abbildung gezeigte Anordnung mit einigen wesentlichen proprietären Variationen. Abhängig von der Batteriespannung und den Leistungsstufen kann die Schaltung single-ended, push-pull, PSFB oder LLC sein; dazu zählen eine Leistungsfaktorkorrektur-Stufe (PFC) und eine Schnittstelle für Batterie-Verpolungsschutz und zur Anpassung des notwendigen Ladeprofils. Zum Beispiel sollten Lithium-Ionen-Batteriezellen zuerst mit konstantem Strom und danach mit konstanter Spannung aufgeladen werden, aber sie dürfen keinesfalls überladen werden.

Darüber hinaus kann eine Tiefenentladung einen Lithium-Ionen-Akku irreparabel beschädigen. Ein Mikrocontroller wird verwendet, um das sichere Laden beziehungsweise Entladen der Batterie zu überwachen und zu steuern.

Um ein solches Design bidirektional zu gestalten, könnte eine Wechselrichterstufe parallel zum vorhandenen Schaltplan hinzugefügt werden. Diese Anordnung ist kostenineffizient, da zwei Transformatoren benötigt werden. Eine bessere Lösung wäre die Verwendung einer Topologie, die von Natur aus bidirektional ist und nur einen Trenntransformator braucht.

Beispiel: Lithium-Ionen-Akku auf PSFB-Topologie

Wenn die Batteriespannung der PFC-Busspannung (circa 400 VDC) ähnlich ist, ist CLLC (die bidirektionale Version der beliebten resonanten LCC-Topologie) eine gute Wahl. Wenn die Batteriespannung aber viel niedriger (48 V) oder viel höher (800 VDC) als die PFC-Busspannung ist, ist eine phasenverschobene Vollbrücke (PSFB) aufgrund des einfacheren Aufbaus und der größeren Spannungstoleranzen eine bessere Alternative.

Da in diesem Beispiel ein 48-V-Lithium-Ionen-Akku angewendet wurde, wurde eine PSFB-Topologie ausgewählt. Im Prototyp wurde ein analoger Controller-IC statt einer digitalen Alternative verwendet, da dieser Standardbaustein einige Vorteile bietet:

  • Es ist ein etabliertes Teil mit bekannter Leistung und nachgewiesener Zuverlässigkeit.

  • Es verfügt über eine integrierte ZVS-Fähigkeit mit Niedriglast-Management, sodass der Wirkungsgrad über den gesamten Lastbereich hoch bleibt.

  • Der Zeitpunkt für die synchrone Gleichrichtung wird ebenfalls vom IC generiert, wodurch externe Komponenten und Kosten gespart werden.

  • Es verfügt über einen integrierten Schutz, sodass der Ausgang vom Mikroprozessor nicht ständig überwacht werden muss und für andere Aufgaben frei wird.

  • Es ist kostengünstig.

Die Rückkopplungsschleife nutzt die Ausgangsspannung, um die Phasenverschiebung der Vollbrücke zu regulieren. In diesem Design wird die Analog-Schleife jedoch vom Mikrocontroller justiert, um die Batteriespannung und den Ladestrom zu steuern. Dabei handelt es sich um ein Hybrid-Design, das die Stabilität und den ausfallsicheren Betrieb des analogen Controllers mit der Vielseitigkeit und Genauigkeit eines digitalen Mikroprozessors kombiniert.

Schaltung bidirektional machen

Um die gesamte PSFB-Schaltung mit Hybrid-Rückkopplung bidirektional zu machen beziehungsweise auszulegen, muss der zentrale Mikroprozessor die Steuerung der synchronen Gleichrichtungs-FETs auf der „Ausgangsseite“ übernehmen. Er muss aber auch gleichzeitig die Filterinduktivität verwenden, um einen stromgespeisten Gegentakt-Aufwärtswandler (Current-Fed Push-Pull Boost Converter) herzustellen.

Auf der Primärseite des Transformators ist der PSFB-Controller deaktiviert. Da die SiC-Transistoren eine robuste Körperdiode enthalten, wird die von der Primärwicklung des Transformators erzeugte Spannung mithilfe der Freilaufdioden parallel passiv gleichgerichtet und auf dem PFC-Kondensator gespeichert. Eine zweite parallele Rückkopplungsschleife in der Schaltung ermöglicht dem Mikrocontroller des PSFBs, die Spannung zu regulieren.

Der größte Vorteil dieser Topologie ist ihre Einfachheit und die doppelte Verwendung aller Hauptkomponenten für den Energiefluss in beide Richtungen. Dies reduziert die Kosten im Vergleich zu der vollständig symmetrischen Anordnung vieler anderer bidirektionaler Designs, zum Beispiel die Dual Active Bridge (DAB) mit vier Schalttransistoren auf jeder Seite und zwei Leistungsinduktoren zusätzlich zum Trenntransformator.

Leistungsfaktorkorrektur (PFC)

PFC wird von den Elektrizitätsunternehmen sowohl für den Last- als auch für den Rückstrombetrieb benötigt. Eine verbreitete Topologie ist die brückenlose Totempole-PFC-Topologie, die alle Gleichrichtungsdioden eliminiert. Dabei kommen SiC-Transistoren zum Einsatz. Sie sind ideale Komponenten in der Schaltung für die Hochfrequenz-Schalttransistoren Q1 und Q2, weil sie eine robuste Körperdiode mit einem niedrigen Qrr haben. Das erlaubt der PFC-Stufe, im CCM zu arbeiten, wodurch der THD gesenkt wird, der Gesamtwirkungsgrad erhöht wird und die EMV-Filterung vereinfacht wird.

Eine Weiterentwicklung der PFC-Topologien ist die dreiphasige Version mit Neutral Point Clamp (NPC). Viele dreiphasige Versorgungen haben nur L1, L2, L3 und Masse. Durch Hinzufügen einiger Lenkdioden in einer Vienna-Topologie wird ein virtueller Neutralpunkt erzeugt. Durch NPC werden die Ströme in den drei Phasen gleichmäßiger ausgeglichen, wodurch die Größe der EMV-Filterkomponenten verringert wird.

Die Dreiphasen-PFC-Lösung mit NPC reicht für viele PFC-Anwendungen aus, ist jedoch nicht perfekt. Die Lenkdioden könnten durch Transistorpaare ersetzt werden, um den Wirkungsgrad zu erhöhen, aber dies würde die Dreieckwellen-Common-Mode-Spannung immer noch nicht beseitigen. Diese Störung kann jedoch durch Einspeisen eines externen Stroms in eine „Unfolder“-Schaltung behoben werden.

Das Blockdiagramm der endgültigen bidirektionalen Lösung verdeutlicht den theoretischen Aufbau und die detaillierte Funktionsweise eines kostenoptimierten AC/DC-Wandlers mit hoher Leistung. Ein 10-kW-Prototyp wurde unter diesen theoretischen Vorgaben gebaut, um das Design zu überprüfen. Der Netzanschluss war dreiphasig, und ein 48-V-Akku wurde als Last/Quelle verwendet. Der Prototyp hat einen bidirektionalen Wirkungsgrad von mehr als 96 Prozent und einen Leistungsfaktor von mehr als 0,99 in beide Richtungen.

Fazit

Zu Beginn dieses Artikels wurde die Notwendigkeit eines bidirektionalen AC/DC-Wandlers zur Unterstützung von G2V- und V2G-Anwendungen erörtert und dargestellt. Bei allen Anwendungen mit hoher Stückzahl sind jedoch, neben Zuverlässigkeit und Leistung, niedrige Herstellungskosten das Hauptaugenmerk.

Durch die Änderung eines unidirektionalen Designs, sodass es in beide Richtungen funktioniert, kann eine kostenoptimierte Lösung gefunden werden, die in puncto Kosten und Leistung überzeugt.

Bildergalerie

  • Allgemeine Anordnung eines AC/DC-Batterieladegeräts

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  • Prinzipielle Anordnung eines AC/DC-Batterieladegeräts mit einem parallelen Wechselrichter

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  • Kostenoptimierter bidirektionaler AC/DC-Wandler mit hoher Leistung

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  • Details einer PSFB mit Hybrid-Rückkopplung

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  • Aufbau eines Current-Fed-Push-Pull-Converters

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  • PSFB mit paralleler Rückkopplungsschleife

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  • Beispiel eines Totempole-PFC

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  • Dreiphasen-PFC mit NPC

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