Bidirektionale 10kW Netzteile
13.05.2020
Die Herstellung eines bidirektionalen 10kW Wandlers ist eine technische Herausforderung. Mithilfe neuester Topologien und des Einsatzes neuester Entwicklungen wird jedoch das Design einfacher realisierbar und wirtschaftlich rentabler.
Die Notwendigkeit für bidirektionale Energie
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, die bidirektionale Netzteile wesentlich einfacher und günstiger produzieren lassen – die erste ist die Einführung neuer bidirektionaler Topologien, und die zweite ist die Weiterentwicklung der Siliziumkarbid (SiC)-Transistoren.
Unidirektional vs. bidirektional
Unidirektionale AC / DC-Ladegeräte verwenden im Allgemeinen die folgende Anordnung mit einigen proprietären Variationen:
Abbildung 1: Allgemeine Anordnung eines AC / DC-Batterieladegeräts.
Abhängig von der Batteriespannung und den Leistungsstufen kann die Schaltung single-ended, push-pull, PSFB oder LLC sein; dazu zählen eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC)-Stufe 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 Li-Ion-Akku irreparabel beschädigen. Ein Mikrocontroller wird verwendet, um das sichere Laden / Entladen der Batterie zu überwachen und zu steuern.
Um ein solches Design bidirektional zu gestalten, könnte eine Wechselrichterstufe parallel zum vorhandenen Schaltplan hinzugefügt werden:
Abbildung 2: Allgemeine Anordnung eines AC / DC-Batterieladegeräts mit parallelem Wechselrichter
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.
Abbildung 3: Allgemeine Anordnung eines optimierten bidirektionalen AC / DC-Batterieladegeräts
Wenn die Batteriespannung der PFC-Busspannung (ca. 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 mehrere Vorteile bietet:
Abbildung 4: PSFB mit Hybrid-Rückkopplung
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.
Um die in Abbildung 4 gezeigte Schaltung bidirektional zu machen, muss der Mikroprozessor die Steuerung der synchronen Gleichrichtungs-FETs auf der „Ausgangsseite“ übernehmen und die Filterinduktivität verwenden, um einen stromgespeisten Gegentakt-Aufwärtswandler (Current-Fed Push-Pull Boost Converter) herzustellen.
Abbildung 5: Current-Fed Push-Pull Converter
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 mit Hilfe der Freilaufdioden in parallel passiv gleichgerichtet und auf dem PFC-Kondensator gespeichert. Eine zweite Rückkopplungsschleife ermöglicht dem Mikrocontroller die Spannung zu regulieren.
Abbildung 6: Parallele Rückkopplungsschleife.
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, z.B. 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.
Abbildung 7: Beispiel eines Totempole-PFC. (Quelle: RECOM AC/DC Book of Knowledge, https://recom-power.com/en/support/resource-library/book-of-knowledge/book-of-knowledge.html)
SiC-Transistoren sind ideale Komponenten für die Hochfrequenz-Schalttransistoren Q1 und Q2, weil sie eine robuste Körperdiode mit einem niedrigen Qrr haben. Das erlaubt die PFC-Stufe im CCM zu arbeiten, wodurch der THD gesenkt wird, den Gesamtwirkungsgrad erhöht wird und die EMV-Filterung vereinfacht.
Eine Weiterentwicklung des 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.
Abbildung 8: Dreiphasen PFC mit NPC.
Die in Abbildung 8 gezeigte Lösung 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 aufgehoben werden.
Abbildung 9: Beispiel eines bidirektionalen PFC mit NPC + Unfolder und der Vektorraumvisualisierung.
Das Blockdiagramm der endgültigen bidirektionalen Lösung sieht nun folgendermaßen aus:
Abbildung 10: Beispiel eines kostenoptimierten bidirektionalen AC / DC-Wandlers mit hoher Leistung.
Ein 10-kW-Prototyp wurde 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% und einen Leistungsfaktor von mehr als 0,99 in beide Richtungen.
Abbildung 11: Bidirektionale 10-kW-AC / DC Prototyp
Fazit
Zu Beginn dieses Artikels wurde die Notwendigkeit eines bidirektionalen AC / DC-Wandlers zur Unterstützung von G2V- und V2G-Anwendungen dargestellt. Bei allen Anwendungen mit hoher Stückzahl sind jedoch, neben Zuverlässigkeit und Leistung, niedrige Herstellungskosten das Hauptaugenmerk. Durch Ändern eines unidirektionalen Designs, sodass es in beide Richtungen funktioniert, kann eine kostenoptimierte Lösung erstellt werden.
RECOM: We Power your Products
(Source: Recom AC/DC Book of Knowledge)
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, die bidirektionale Netzteile wesentlich einfacher und günstiger produzieren lassen – die erste ist die Einführung neuer bidirektionaler Topologien, und die zweite ist die Weiterentwicklung der Siliziumkarbid (SiC)-Transistoren.
Unidirektional vs. bidirektional
Unidirektionale AC / DC-Ladegeräte verwenden im Allgemeinen die folgende Anordnung mit einigen proprietären Variationen:
Abbildung 1: Allgemeine Anordnung eines AC / DC-Batterieladegeräts.
Abhängig von der Batteriespannung und den Leistungsstufen kann die Schaltung single-ended, push-pull, PSFB oder LLC sein; dazu zählen eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC)-Stufe 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 Li-Ion-Akku irreparabel beschädigen. Ein Mikrocontroller wird verwendet, um das sichere Laden / Entladen der Batterie zu überwachen und zu steuern.
Um ein solches Design bidirektional zu gestalten, könnte eine Wechselrichterstufe parallel zum vorhandenen Schaltplan hinzugefügt werden:
Abbildung 2: Allgemeine Anordnung eines AC / DC-Batterieladegeräts mit parallelem Wechselrichter
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.
Abbildung 3: Allgemeine Anordnung eines optimierten bidirektionalen AC / DC-Batterieladegeräts
Wenn die Batteriespannung der PFC-Busspannung (ca. 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 mehrere 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.
Abbildung 4: PSFB mit Hybrid-Rückkopplung
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.
Um die in Abbildung 4 gezeigte Schaltung bidirektional zu machen, muss der Mikroprozessor die Steuerung der synchronen Gleichrichtungs-FETs auf der „Ausgangsseite“ übernehmen und die Filterinduktivität verwenden, um einen stromgespeisten Gegentakt-Aufwärtswandler (Current-Fed Push-Pull Boost Converter) herzustellen.
Abbildung 5: Current-Fed Push-Pull Converter
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 mit Hilfe der Freilaufdioden in parallel passiv gleichgerichtet und auf dem PFC-Kondensator gespeichert. Eine zweite Rückkopplungsschleife ermöglicht dem Mikrocontroller die Spannung zu regulieren.
Abbildung 6: Parallele Rückkopplungsschleife.
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, z.B. 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.
Abbildung 7: Beispiel eines Totempole-PFC. (Quelle: RECOM AC/DC Book of Knowledge, https://recom-power.com/en/support/resource-library/book-of-knowledge/book-of-knowledge.html)
SiC-Transistoren sind ideale Komponenten für die Hochfrequenz-Schalttransistoren Q1 und Q2, weil sie eine robuste Körperdiode mit einem niedrigen Qrr haben. Das erlaubt die PFC-Stufe im CCM zu arbeiten, wodurch der THD gesenkt wird, den Gesamtwirkungsgrad erhöht wird und die EMV-Filterung vereinfacht.
Eine Weiterentwicklung des 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.
Abbildung 8: Dreiphasen PFC mit NPC.
Die in Abbildung 8 gezeigte Lösung 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 aufgehoben werden.
Abbildung 9: Beispiel eines bidirektionalen PFC mit NPC + Unfolder und der Vektorraumvisualisierung.
Das Blockdiagramm der endgültigen bidirektionalen Lösung sieht nun folgendermaßen aus:
Abbildung 10: Beispiel eines kostenoptimierten bidirektionalen AC / DC-Wandlers mit hoher Leistung.
Ein 10-kW-Prototyp wurde 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% und einen Leistungsfaktor von mehr als 0,99 in beide Richtungen.
Abbildung 11: Bidirektionale 10-kW-AC / DC Prototyp
Fazit
Zu Beginn dieses Artikels wurde die Notwendigkeit eines bidirektionalen AC / DC-Wandlers zur Unterstützung von G2V- und V2G-Anwendungen dargestellt. Bei allen Anwendungen mit hoher Stückzahl sind jedoch, neben Zuverlässigkeit und Leistung, niedrige Herstellungskosten das Hauptaugenmerk. Durch Ändern eines unidirektionalen Designs, sodass es in beide Richtungen funktioniert, kann eine kostenoptimierte Lösung erstellt werden.
RECOM: We Power your Products
(Source: Recom AC/DC Book of Knowledge)
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