Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Vorlesung Leistungselektronik Grundlagen und Standardanwendungen 1100 DCDC-Wandler Autor: Prof.Dr.-Ing. Georg Herzog Fachgebiet Energiewandlungstechnik 1
Gliederung 1. Übersicht über DC/DC-Wandler 2. 1-Quadranten-Wandler Buck-Wandler Boost-Wandler Buck/Boost-Wandler Cuk-Wandler 3. 2-Quadranten-Wandler 4. Mehrphasige DC/DC-Wandler 2
Übersichtsfolie Einsatzgebiete Schaltnetzteile ( 300W) Versorgung von µc PC Stromversorgung Automotive (einige kw) Kopplung von Mehrspannungsbordnetzen Anbindung von Energiespeichern, thermo-elektrischem Generator, Solardach,... Geregelte Gleichstromantriebe (mehrere 10 kw) 3
Einsatzgebiete im Kraftfahrzeug 4
1-Quadranten-Wandler I U Einsatzgebiete: Unidirektionale Kopplung von zwei Netzen Anbindung von Komponenten mit niedrigem Spannungsniveau an Netz mit höherer Spannung Tiefsetzsteller (Buck-Wandler) 5
Buck-Wandler Schaltung Netz A (z.b. HV- Bordnetz) Buck- Wandler Netz B (z.b. NV- Bordnetz) Leistung 6
Buck-Wandler Schaltzustände Annahme: V O = const. T S = t on + t of f i L (t) = I Su + 1 L (V d V 0 ) t 7
Buck-Wandler Schaltzustände Annahme: V O = const. T S = t on + t of f i L (t) = I So + 1 L ( V 0) t 8
Buck-Wandler Schaltzustände Annahme: V O = const. T S = t on + t of f Stationär: Fläche A = Fläche B (V d V 0 ) t on = V 0 (T S t on ) V 0 = t on = D V d T S 9
Buck-Wandler Ausgangsspannung V 0 = Q 0 C = 1 C 1 2 I L 2 T S 2 I L = V 0 L (1 D ) T S V 0 = T S 2 8C V 0 L (1 D) 10
Simulationsergebnisse Buck V d = 20 V D = 0; 75 f S = 2kHz f S = 3kHz 11
Boost-Wandler Einsatz I U Einsatzgebiete: Unidirektionale Kopplung von zwei Netzen Anbindung von Komponenten mit hohem Spannungsniveau an Netz mit niedriger Spannung Hochsetzsteller (Boost-Wandler) 12
Boost-Wandler Schaltung Netz A (z.b. HV- Bordnetz) Boost- Wandler Netz B (z.b. NV- Bordnetz) Leistung 13
Boost-Wandler Zustände i L (t) = I Su + 1 L V d t 14
Boost-Wandler Zustände i L (t) = I So + 1 L (V d V 0 ) t 15
Boost-Wandler Zustände Stationär: V d t on + (V d V 0 ) t of f = 0 V 0 = V d T S = t of f 1 1 D 16
Boost-Wandler Ausgangsspannung V 0 = Q C = I 0 D T S C V 0 = V 0 R D T S C 17
Simulationsergebnisse Boost V d = 20 V D = 0; 7 f S = 2kHz f S = 3kHz 18
Inverswandler Einsatzgebiete I U Einsatzgebiete: Invertierung der Spannung Anbindung von Komponenten an ein Netz mit niedriger/höherer Spannung Inverswandler (Buck/Boost-, Cuk-Wandler) 19
Buck/Boost Schaltung Netz A (z.b. HV- Bordnetz) Buck/Boost- Wandler Komponente B (negative Spannung) Leistung 20
Buck/Boost Zustände i L (t) = I Su + 1 L V d t 21
Buck/Boost Zustände i L (t) = I So + 1 L ( V 0) t 22
Buck/Boost Zustände Stationär: V d D T S + ( V 0 )(1 D) T S = 0 V 0 = V d D 1 D 23
Buck/Boost Ausgangsspannung V 0 = Q C = I 0 D T S C V 0 = V 0 R D T S C 24
Simulationsergebnisse Buck/Boost V d = 20 V f s = 3 khz D = 0,35 D = 0,65 25
Cuk Schaltung Netz A (z.b. HV- Bordnetz) Cuk- Wandler Komponente B (negative Spannung) Leistung 26
Cuk Zustände Annahme: v C1 = const C1 groß genug V C1 = V d + V O Diode D leitet i L1 und i L2 fließen durch D i L1 lädt C1 i L2 liefert Ausgangsstrom i L1 und i L2 sinken 27
Cuk Zustände Annahme: v C1 = const C1 groß genug V C1 = V d + V O Schalter T leitet i L1 und i L2 fließen durch T C1 überträgt Energie zum Ausgang und L2 Energie in L1 wird aufgebaut i L1 und i L2 steigen 28
Cuk Ausgangsspannung Annahme: v C1 = const C1 groß genug V C1 = V d + V O V d D T S + (V d V C1 )(1 D ) T S = 0 1 V C1 = 1 D V d (V C1 V 0 ) D T S + ( V 0 )(1 D ) T S = 0 V 0 = V d D 1 D V C1 = 1 D V 0 29
2-Quadranten-Wandler Übersicht I U Einsatzgebiete: Bidirektionale Kopplung von zwei Netzen Anbindung von Komponenten mit niedrigem Spannungsniveau an Netz mit höherer Spannung Umkehrung des Stromflusses Hoch-/Tiefsetzsteller 30
Hoch-/Tiefsetzsteller Schaltung Netz A (z.b. HV- Bordnetz) Hoch-/ Tiefsetzsteller Leistung Quelle: [2] Netz B (z.b. NV- Bordnetz) 31
Hoch-/Tiefsetzsteller Schaltung Netz A (z.b. HV- Bordnetz) Hoch-/ Tiefsetzsteller Leistung Quelle: [2] Netz B (z.b. NV- Bordnetz) 32
Simulation Hoch-/Tiefsetzsteller U Q = 100 V E A = 50 V f s = 2 khz Quelle: [2] 33
Simulation Hoch-/Tiefsetzsteller U Q = 100 V E A = 50 V f s = 2 khz Quelle: [2] 34
Hoch-/Tiefsetzsteller Anforderungen Grenze bei großen Leistungen, durch Langsames Schalten von großen Halbleiterbauelementen Große Glättungsinduktivitäten (durch hohen Strom) Hohe Ripplestrom-Beanspruchung des Glättungskondensators Passive Bauelemente sehr kostenintensiv Silicon instead of Passives Mehrphasige DC/DC-Steller 35
Halbbrücke mehrphasiger Ansatz U in U out 36
Mehrphasiger Ansatz Überlagerung des Ripplestroms der einzelnen Phasen 37
Mehrphasiger Ansatz Vor-/Nachteile Vorteile: Geringerer Strom pro Phase Höhere Taktfrequenz Erhöhung der effektiven Taktfrequenz durch Phasenversatz in der PWM- Ansteuerung kompakter & günstiger Aufbau Modularer Aufbau möglich Nachteile: Gefahr von Ringströmen Unsymmetrische Aufteilung der Ströme in den Phasen Möglichkeiten der Symmetrierung: Serienwiderstände Zentrale Regelung Master-Slave Lösungen Magnetisch gekoppelte Spulen Fuzzy-Logic 38
DC/DC-Wandler Verluste Ohm sche Verluste: P Ð = R I out 2 Schaltverluste: U in P S = 1 2 U out I out (t 1 + t 2 ) f S Durchlassverluste Transistor: P r dson = R ds I i 2 n Gate-Ansteuerung: P gate = Q gate U gs f S Durchlassverluste Diode: U out P d = U d I out + R d I out 2 Reverse Recovery Diode: Beispiel: 2Q-Steller Gesamt: P rr = (I out t rr + Q rr ) U in f S P V = P Ð + P S + P r dson + P gate + P d + P r r 39
Literatur [1] N. Mohan, T. Undeland, W. Robbins, Power Electronics Converters, Applications, and Design, 3 rd Edition, Wiley, 2003 [2] D. Schröder, Leistungselektronische Schaltungen Funktion, Auslegung und Anwendung, 2. Auflage, Springer, 2008 40