GALVANICALLY ISOLATED BIDIRECTIONAL DC-DC CONVERTER MODULE

Partner Call offen bis: 25. Mai 2021

Projektstart: Q3 2021

Zielsetzung

Ziele des Projekts sind Schaltungsentwurf, Modellbildung mit Simulation sowie die Erstellung des Konzeptes zur Steuerung eines galvanisch getrennten, bidirektionalen und hochdynamischen 45kW DC-DC-Konverters.  

Ziel des kooperativen Forschungsvorhabens ist der Schaltungsentwurf, die Modellbildung mit Simulation sowie die Erstellung eines Konzeptes zur Steuerung eines galvanisch getrennten DC-DC-Konverters. Der DC-DC-Konverter soll dabei die beiden Spannungsebenen 760V und 80V mit galvanischer Trennung verbinden. Der geforderte Leistungsbereich liegt bei 45kW. Das Gerät muss vollständig bidirektional betrieben werden könnte und sollte eine sehr hohe Dynamik aufweisen. Der zu entwickelnde Konverter sollte zudem eine sehr hohe Leistungsdichte aufweisen, was durch die Möglichkeit einer Wasserkühlung unterstützt wird. Die hohe Leistungsdichte wird zwangsläufig auch mit einem sehr hohen Wirkungsgrad einhergehen. Diesbezüglich soll ein Wert im Bereich von 97% angestrebt werden. 

Um diese Ziele zu erreichen, ist davon auszugehen, dass die Lösung ausschließlich auf wide-bandgap-Transistoren beruhen wird.  

In Bezug auf die Dynamik ist hervorzuheben, dass eine Bandbreite von etwa 500kHz anzustreben ist, bis zu der sich der Konverter als ohmsch verhält (sehr geringer ohmscher Widerstand). Zusätzlich ist darauf zu achten, dass der Spannungsripple auf der Sekundärseite (80V-Ebene) äußerst gering gehalten werden muss (Vripple,pp < 0,1%).  


Aufgrund dieser anspruchsvollen Ziele ergeben sich insbesondere folgende Herausforderungen: 

Vergleichende Analyse der möglichen Schaltungstopologien:
Für die Lösung stehen grundsätzlich zwei Topologien zur Verfügung. Dies ist zum einen die sogenannte Dual-Active-Bridge sowie der Serien-Resonanzkonverter. Die Dual-Active Bridge hat den Vorteil der besseren Regelbarkeit. Der Serienresonanzkonverter hat wiederum den Vorteil der nahezu sinusförmigen Ströme und der Tatsache, dass die Transistor-Ausschaltvorgänge nur bei geringen Strömen erfolgen, sodass diese einem praktisch verlustfreien zero-voltage switching entsprechen. Bei der Dual-Aktive-bridge handelt es sich ebenfalls um grundsätzliche Soft-switching Ausschaltvorgänge, aufgrund der höheren zu schaltenden Ströme ergeben sich aber dennoch Schaltverluste in den Transistoren.

Hier sollte im Rahmen von ausführlichen Simulationen die bestgeeignete Topologie ausgewählt werden.            

Entwicklung des Hochfrequenz-Transformators:
Die spezifizierte Dynamik des Konverters erfordert den Betrieb mit sehr hoher Schaltfrequenz (>500kHz). Somit ergeben sich beim Design des Transformators ganz besonders hohe Anforderungen aufgrund von Skin- und Proximity-Effekt. Eine gute Lösung wird voraussichtlich nur im Rahmen eines iterativen Prozesses in Kombination mit 3D-Feldsimulationen möglich sein. Das Kühlkonzept wird sowohl den Ferritkern als auch die Wicklungen miteinschließen müssen. Für den Lösungsweg wird vorgeschlagen den Ansatz eines Planar-Trafos mit vielen Layern mit jenem eines mit Feinstlitzen gewickelten Trafos zu vergleichen.  

Präzision der Ansteuerung / Regelung:
Die hohe Schaltfrequenz erfordert die sehr präzise Einstellung der Schaltzeitpunkte mit einer Auflösung im Bereich von 10ns. Insbesondere bei der Serien-Resonanzkonverter-Topologie ist eine Lösung zur Ermittlung des idealen Schaltzeitpunktes zu finden, sodass zero-voltage-switching über einen weiten Lastbereich sichergestellt werden kann.  Dazu sind auch entsprechend breitbandige strom- und Spannungs-Messverfahren zu entwickeln. Es ist dabei grundsätzlich ein Weg zu finden, welche Strom Spannungswerte gemessen werden sollen, um die Regelung entsprechend präzise über den gesamten Lastbereich einstellen zu können.

Breitbandige Präzisionsstrommessung:
Im Rahmen des Projektes ist abzuklären, ob es möglich sein wird, den Strom über den Hochfrequenztransformator (~ 500kHz) genau genug zu messen. diesbezüglich sollen entsprechende Analysen durchgeführt werden. 

Erwartete Ergebnisse

  • Simulationsmodelle bzw. Simulationsergebnisse zur Unterstützung der Topologieauswahl und der zugehörigen Messtechnik
  • Entscheidung hinsichtlich der für die Spezifikation geeigneten Topologie
  • Auswahl der gesamten Messwerterfassung
  • Vorbereitete Regelungskonzepte samt Überprüfung im Rahmen von Simulationen