Konventionelle Technologien:
Aktuelle DC/DC-Wandler nutzen etablierte technologische Designs, deren grundlegender Aspekt beispielsweise die Topologie ist. DC/DC-Wandler verwenden zahlreiche verschiedene Topologien, von denen keine in jeder Hinsicht überlegen ist. Manche Anwendungen stellen Anforderungen, die durch eine bestimmte Topologie besser erfüllt werden. Obwohl eine vollständige Bewertung der Vielzahl verfügbarer Topologien eine anspruchsvolle Aufgabe sein kann, ist es sinnvoll, die Vor- und Nachteile der beiden Hauptklassen von Topologien zu vergleichen: Pulsweitenmodulation (PWM) mit fester Frequenz und quasi-resonante Nulldurchgangsschaltung (ZCS) mit variabler Frequenz.
Die PWM-Technologie mag zwar etwas einfacher sein, doch besteht ein inhärenter Zielkonflikt zwischen Effizienz und Betriebsfrequenz – beides wichtige Parameter für Elektrofahrzeuge (EVs) und Hybridfahrzeuge (HVs). Der Betrieb mit hohen Frequenzen gilt seit Langem als Schlüssel zur Erzielung hoher Leistungsdichten
– beispielsweise kleinerer magnetischer Bauteile, Filter und Kondensatoren – in Schaltwandlern. Bei Schaltwandlern mit fester Frequenz steigen die Schaltverluste jedoch direkt mit der Betriebsfrequenz an, was zu einer „Frequenzgrenze“ führt, die die erreichbare Leistungsdichte begrenzt. Frequenzumrichter überwinden diese Frequenzgrenze, indem sie in den leitenden Zustand schalten und abschalten, sobald der Strom null ist. Diese Umrichter arbeiten mit Frequenzen über 1 MHz und erreichen höhere Leistungsdichten als Niederfrequenzumrichter.
Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen DC/DC-Wandlern mit fester und variabler Frequenz liegt im vom Schalter erzeugten Rauschen – ein wichtiger Parameter für Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge. Das harte Schalten mittels Pulsweitenmodulation (PWM) erzeugt mehr Rauschen als das sanfte Schalten mittels Nulldurchgangsschaltung (ZCS).
Derzeit scheint die Hauptanwendung von DC/DC-Wandlern in Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen die Umwandlung der hohen Batteriespannung in die Fahrzeugspannung (typischerweise 12 V) zu sein, obwohl höhere Spannungen, wie z. B. 42 V für die Servolenkung, erforderlich sein können. Die in dieser Anwendung verwendeten DC/DC-Wandler – in der Regel kundenspezifisch gefertigt – haben typischerweise Eingangsspannungen von 250–450 V, Ausgangsspannungen von 13, 24 und 28 V sowie Ausgangsleistungen von 250 W bis 3,5 kW. Größe und Gewicht der verfügbaren DC/DC-Wandler variieren erheblich, abhängig von der Betriebsfrequenz, aber auch in gewissem Maße von den Eingangs- und Ausgangsspannungen sowie der Nennleistung.
Bei herkömmlichen Topologien liegen die Wirkungsgrade zwischen 80 und 90 %, niedrigere Wirkungsgrade dürften jedoch vier bis fünf Prozentpunkte darunter liegen. Daher sollten die Niederfrequenzspezifikationen für AC/DC-Wandler und einige DC/DC-Wandler mit großem Frequenzbereich nach unten korrigiert werden. Die
Hochspannungs-/Hochleistungsumwandlung in Fahrzeugen befindet sich noch in der Entwicklungsphase. Zahlreiche technische und wirtschaftliche Herausforderungen müssen in Elektrofahrzeugen und Hochspannungsanwendungen bewältigt werden. Zu den technischen Herausforderungen für einen solchen Wandler – von denen viele miteinander verknüpft sind – gehören Größe, Gewicht, Wirkungsgrad, elektromagnetische Verträglichkeit/Störfestigkeit (EMV/EMI), Zuverlässigkeit, Hochspannungsisolation, Wärmeableitung/Wärmemanagement und Kosten. Selbstverständlich ist ein zuverlässiger Betrieb unter den für Straßenfahrzeuge typischen Bedingungen wie Hitze, Kälte, Stößen und Vibrationen unerlässlich.
Fortschrittliche Technologien:
DC/DC-Wandler für zukünftige Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge erfordern eine hohe Leistungsdichte, Effizienz und Skalierbarkeit, die mit sperrigen, niederfrequenten Wandlerdesigns wirtschaftlich nicht realisierbar sind. Während ein 2-kW-DC/DC-Wandler ein gängiges Designziel darstellt, benötigen High-End-Fahrzeuge mehr Leistung, während kleinere DC/DC-Wandler mit geringerer Leistung für günstigere Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge kostengünstiger wären. Um diese unterschiedlichen Leistungsanforderungen zu erfüllen, ermöglicht eine flexible und skalierbare Stromversorgungssystem-Methodik mit modularen Hochleistungswandlern, die eine effiziente Buswandlung, Trennung und Spannungsregelung gewährleisten, eine höhere Leistung und eine schnellere Markteinführung bei gleichzeitiger Kosteneffizienz.
Diese fortschrittlichen Technologien sind bereits verfügbar oder werden in Kürze verfügbar sein. Diese Leistungswandlerkerne ermöglichen eine effiziente Verteilung von Hochspannung in Fahrzeugen und bieten dem Entwickler von Stromversorgungssystemen entscheidende Vorteile, darunter geringe Größe, niedriges Gewicht, hohe Leistungsdichte, hoher Wirkungsgrad, flexibles Design und schnelle Reaktion auf wechselnde elektrische Anforderungen.
Zu den neuen Leistungswandlertechnologien – in Form von DC/DC-Wandlermotoren –, die vielversprechende Lösungen für Elektro- und Hybridfahrzeuge bieten, gehören insbesondere:
1. DC/DC-Wandler mit Nulldurchgangsschaltung (ZVS) mit einem Wirkungsgrad von 95 % und einer Leistungsdichte von 1 kW/Kubikzoll;
2. ZVS-Buck-Boost-Regler mit
einem Wirkungsgrad von >97 % bei 1 kW/Kubikzoll; und
3. Sine Amplitude Converter™ High Voltage (SAC HV) Bus-Wandler mit einem Wirkungsgrad von 97 % bei 1 kW/Kubikzoll.
DC/DC-zu-DC/ZVS-Wandler. Doppelt feste Nulldurchgangswandler (DC/ZVS, Abbildung 1) liefern eine geregelte Ausgangsspannung über einen sehr weiten Eingangsspannungsbereich. Adaptive Zell-Energiesysteme umfassen mehrere Wandler, die in einem Array angeordnet sind, um Leistung mit einem breiten Spannungsbereich, hoher Spannung und hoher Frequenz bereitzustellen. Ein Wandlerblock besteht typischerweise aus zwei magnetisch gekoppelten Wandlerzellen, die wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet sind. In beiden Konfigurationen wird das Gleichtaktrauschen nahezu vollständig eliminiert, wodurch die aufwendige Filterung für Elektrofahrzeuge und Fahrzeuge mit hoher Reichweite entfällt.
Zu den adaptiven Zelltopologien, die DC/DC-Wandler für die DC/DC-Wandlerleistung in Elektrofahrzeugen und Nutzfahrzeugen integrieren, gehören Zellen mit einem Sinusamplitudenwandler (SAC, Abbildung 2). SAC-Kerne nutzen Nulldurchgangsschaltung (ZVS), um Schaltverluste zu eliminieren. Durch die Eliminierung dieser Verluste kann der SAC effizient bei relativ hohen Frequenzen, typischerweise im MHz-Bereich, arbeiten, was zu einer kleineren Produktgröße führt. Die hohe Betriebsfrequenz ermöglicht die Miniaturisierung vieler Komponenten und erhöht somit die Leistungsdichte des Wandlers. Weichschaltende Wandler, die bei hohen Frequenzen arbeiten, minimieren zudem elektromagnetische Störungen (EMI) und die Filterkomponenten, die bei hartschaltenden Wandlern, die bei niedrigen Frequenzen arbeiten, erforderlich sind.
Der SAC-Kern wird im Allgemeinen zur Buswandlung mit einem festen Spannungsverhältnis und hoher Spannungsisolation verwendet. Der DC-ZVS-Kern bietet DC/DC-Wandlung mit Regelung und Isolation. Die Abbildungen 3 und 4 zeigen den Wirkungsgrad und die Ausgangswelligkeit der DC/ZVS-Wandler, die in einem Multi-kW-Array konfiguriert sind.
ZVS-Aufwärts-/Abwärtsregler. ZVS-Aufwärts-/Abwärtsregler liefern eine geregelte Ausgangsspannung aus einer ungeregelten Eingangsspannung. Sie können eigenständig als nicht-isolierte Spannungsregler oder in Kombination mit SAC-Stromvervielfachern zu isolierten DC/DC-Wandlern eingesetzt werden. Durch die Auslagerung des Reglers von den SAC-Stromvervielfachern lassen sich eine höhere Leistungsdichte am Lastpunkt, eine effiziente Leistungsverteilung sowie Einsparungen bei Leitergewicht und -kosten erzielen. In Kombination ermöglichen diese Kerne DC/DC-Wandlersysteme mit deutlich höherer Leistungsdichte, Flexibilität und Effizienz als herkömmliche Wandler.
Zu den Merkmalen des ZVS-Aufwärts-/Abwärtsreglers gehören:
- Eingangs- und Ausgangsspannungen bis zu 650 V DC.
- Eingangsspannungsbereich bis zu 5:1.
- Spannungsreduzierungs-/Verstärkungsfaktor bis zu 5:1.
- Umwandlungswirkungsgrad bis zu 98 %.
- Skalierbar von Hunderten von Watt bis zu Kilowatt.
Eine einzigartige Soft-Switching-Topologie und eine ZVS-Regelarchitektur ermöglichen einen effizienten Hochspannungsbetrieb bei 1 MHz. Die Regler können zur Erhöhung der Ausgangsleistung parallel geschaltet werden. Ein wesentliches Merkmal der Regler-Regelarchitektur ist, dass sich die Schaltsequenz im Abwärts- oder Aufwärtsbetrieb nicht ändert; lediglich die relative Dauer der Phasen innerhalb jedes Betriebszyklus wird gesteuert, um die Spannung zu erhöhen oder zu verringern.
SAC-Hochspannungs-Busumrichter. Festfaktorumrichter, einschließlich des SAC-Hochspannungs-Busumrichters, ermöglichen eine effiziente Hochspannungs-Busumwandlung. Zu ihren Hauptmerkmalen gehören:
- Eingangs- und Ausgangsspannungen bis zu 650 V DC.
- Eingangsspannungsverhältnis bis zu 5:1.
- Stromverstärkung bis zu 200x.
- Wirkungsgrad bis zu 98 %.
- Skalierbar von mehreren hundert Watt bis zu mehreren Kilowatt.
ZVS-ZCS-SAC-Topologien mit einer Leistungsstufe mit niedrigem Q-Faktor ermöglichen eine effiziente Hochfrequenz-Leistungsverarbeitung mit einem Festfrequenzoszillator, der sich durch hohe spektrale Reinheit und Gleichtaktsymmetrie auszeichnet und somit einen nahezu rauschfreien Betrieb gewährleistet. Die Regelungsarchitektur synchronisiert die Betriebsfrequenz mit der Resonanzfrequenz der Leistungsübertragung und optimiert dadurch den Wirkungsgrad und minimiert die Ausgangsimpedanz. Durch die effektive Kompensation reaktiver Komponenten kann die Ausgangsimpedanz Z<sub>out</sub> relativ niedrig sein. Zur weiteren Reduzierung von Z<sub>out</sub> oder zur Erhöhung der Leistungskapazität können die Busumrichter parallel geschaltet werden, wodurch der Strom präzise aufgeteilt wird. Die leisen und leistungsstarken SAC-Busumrichter bieten eine im Wesentlichen lineare Spannungs-/Stromwandlung mit einer flachen Ausgangsimpedanz bis zu ca. 1 MHz.
Zusammen bieten diese Leistungstechnologien überlegene Lösungen für die technischen Herausforderungen von Elektrofahrzeugen und Hochspannungsfahrzeugen, wie z. B. geringe Größe, niedriges Gewicht, sehr hoher Wirkungsgrad, geringe elektromagnetische Störungen, Hochspannungsisolation, Wärmemanagement, Modularität, Designflexibilität, Skalierbarkeit und niedrige Kosten. Sie lassen sich problemlos parallel schalten, um fehlertolerante Hochleistungs-Arrays zu realisieren.
Keith Nardone, Leiter Geschäftsentwicklung; und Tom Curatolo, Leiter Anwendungsentwicklung. Vicor Corporation
