Power-Tipp Wandlertopologien für isolierte Energiespeichersysteme

Für Energiespeicher sind vier einstufige Wandlertopologien gängig. Mit ihrem großen Spannungsbereich und ihrem dynamischen Ansprechverhalten eignen sich die DAB- und die SR-DAB-Topologie am besten. Ein Vergleich der Topologien.

Aufgrund der wachsenden Verbreitung von PV-Anlagen und Elektrofahrzeugen werden in Privathaushalten vermehrt Energiespeichersysteme (ESS) installiert, für deren Anschluss bidirektionale, isolierte DC/DC-Wandler benötigt werden. Hierfür bieten sich verschiedene Topologien an.

Ein MPP-Tracker (Maximum Power Point) speist mit der von den PV-Panels kommenden Energie einen Hochspannungs-DC-Bus, aus dem die Energie dann entweder mithilfe eines Wechselrichters in das Stromnetz eingespeist oder über einen bidirektionalen DC/DC-Wandler den Akkus eines ESS zugeführt wird. Traditionell besteht dieser Wandler aus einem ungeregelten LLC-Wandler und einem geregelten Buck/Boost-Wandler.

Diese Lösung zeichnet sich durch einfache Regelung und einen weiten Spannungsbereich aus, jedoch beeinträchtigt die Verwendung zweier Stufen den Wirkungsgrad und verursacht höhere Kosten. Eine einstufige Lösung wäre eindeutig effizienter und kostengünstiger, setzt aber ein komplexeres Regelungsschema voraus.

Bidirektionaler CLLLC-Resonanzwandler

Während die reine LLC-Topologie vorwiegend für unidirektionale Wandler genutzt wird, lässt sich durch Hinzufügen von Resonanzelementen auf der Sekundärseite ein bidirektionaler CLLLC-Resonanzwandler konfigurieren. Das Resonanznetzwerk ist hier symmetrisch und proportional zum Windungsverhältnis des Übertragers. Soft-Switching wird in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung unterstützt. Ein weiterer entscheidender Pluspunkt dieser Topologie ist ihre Eignung für die bidirektionale Energieübertragung.

Nachteilig am CLLLC-Wandler sind der kleine Spannungsbereich und die Verwendung von fünf Resonanzelementen, was den Platzbedarf des Systems erhöht und auch die Kosten in die Höhe treibt. Außerdem bringt die zusätzliche Induktivität erhöhte Verluste mit sich.

Eine Alternative ist die in Bild 1 dargestellte DAB-Topologie (Dual Active Bridge), die aus einer Vollbrücke mit aktiven Schaltern auf der Primär- und Sekundärseite besteht. Neben der Bidirektionalität gehören das schnellere dynamische Ansprechverhalten und der weitere Spannungsbereich als bei der LLC- und der CLLLC-Topologie zu den Vorteilen dieser Variante.

Durch einfache SPS-Regelung (Single-Phase-Shift) lässt sich die Polarität und die Größe des Phasenwinkels zwischen der primär- und der sekundärseitigen Brücke variieren, um die Richtung und das Ausmaß der Energieübertragung festzulegen. Die Scheitelströme und der Umlaufstrom sind bei der SPS-Regelung jedoch hoch, sodass neben hohen Abschaltverlusten auch Umlaufverluste entstehen.

Schwierig gestaltet sich zudem das Zero Voltage Switching (ZVS) bei geringer Last. Durch Anwendung aufwändigerer Modulationsverfahren kann ein DAB-Wandler theoretisch über den gesamten Betriebsbereich ZVS-Unterstützung bieten, und auch eine Optimierung der Scheitelströme und des Umlaufstroms ist möglich. Voraussetzung hierfür ist jedoch eine erheblich komplexere Systemanalyse.

Durch Einfügen eines Serienresonanzkreises in den DAB-Wandler entsteht die SR-DAB-Topologie (Bild 2). Ähnlich wie ein Serienresonanzwandler muss auch der SR-DAB-Wandler oberhalb der Resonanzfrequenz betrieben werden, damit er sich in der induktiven Region befindet, was wiederum eine Vorbedingung für das Zero Voltage Switching ist. Angesichts der Resonanzeigenschaften der Schaltung ist der Spulenstrom nahezu sinusförmig, was verglichen mit einer traditionellen DAB-Konfiguration zu niedrigeren Abschaltströmen und einem geringeren RMS-Spulenstrom führen kann. (kr)

* Guangzhi Cui ist Power Systems Engineer bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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