22 kW SiC bidirektionaler AC/DC-Konverter

Es wird ein galvanisch isolierter SiC-AC/DC-Konverter entwickelt, der aus einem dreiphasigen aktiven Gleichrichter sowie einem Dual-Active-Bridge (DAB) DC/DC-Konverter aufgebaut ist. Der bidirektionale Leistungsfluss ermöglicht Anwendungen, wie z.B. die effiziente Netzanbindung von Batteriespeichern (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Schema des Konverters basierend auf SiC Leistungshalbleitern.

Die Konzentrazion liegt nicht nur auf einen hohen Wirkungsgrad, sondern auch auf der Zuverlässigkeit, welche als ein Schwachpunkt von SiC-Bauelementen wahrgenommen wird. Der Konverter wird mit konventionellen, Si-basierten Systemen verglichen, die bei niedrigeren Schaltfrequenzen arbeiten. Schnell schaltende SiC-MOSFETs (hier bei 50-70 kHz) bieten den Vorteil, die Grösse der magnetischen Komponenten und damit die Gesamtverluste verringern zu können. Effiziente und zuverlässige AC/DC-Wandler werden für neue Anwendungen, wie z.B. Batterieladegeräte für Elektrofahrzeuge, benötigt. Daher wird die Ausgangsspannung und das Regelungsverfahren des Konverters für das Laden von Batterien bis zu 400-500 V gewählt.

• Auswahl der auf dem Markt erhältlichen SiC-Halbleiterbauelemente.
• Entwurf und Layout der leistungselektronischen Schaltung für Hochfrequenzbetrieb (50 - 70 kHz)
• Inbetriebnahme und Charakterisierung des SiC-Konverters in Bezug auf Wirkungsgrad, thermisches Verhalten und Zuverlässigkeit.
• Wirkungsgradvergleich zwischen Si und SiC-basierten Systemen.
• Untersuchung des Trade-off zwischen Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit.
• Finden von Industriepartnern für Weiterentwicklungen und Kommerzialisierung.

Der bidirektionale AC/DC-Konverter besteht aus zwei Wandlerstufen: dem an das dreiphasige Netz gekoppelten SiC AC/DC- Wandler und dem SiC DC/DC-Dual Active Bridge (DAB) Konverter. Hierfür wurden zwei Leiterplatten entwickelt: Die erste Platine enthält den dreiphasigen AC-Eingang, den AC/DC-Gleichrichter, die Zwischenkreiskondensatoren, die primärseitige H-Brücke des DAB-Wandlers und die Spannungs- und Strommessungen. Die zweite Platine enthält die sekundärseitige H-Brücke des DAB-Wandlers, die Ausgangskondensatoren, den DC-Ausgang zur Batterie und weitere Spannungs- und Strommessungen. Der Wandler ist mit der RT BOX von Plexim über zwei Schnittstellenkarten (die analoge und die digitale Karte) für Rapid Control Prototyping (RCP) verbunden, um die PWM-Steuersignale an die Leistungshalbleiterbauelemente zu übertragen.

Konverter-Spezifikationen

DC/DC Dual Active Bridge Konverter
Spannung Primärseite	750 V
Spannung Sekundärseite	320 V – 450 V
Trafo Wicklungsverhältnis	0.6
Schaltfrequenz	50 -70 kHz
Primärseitiger Strom	45 Arms (70 A peak)
Sekundärseitiger Strom	75 Arms (116 A peak)
Kopplungsinduktivität	21 µH

Aktiver AC/DC Konverter
Eingangsspannung	400 Vac
Ausgangsspannung	750 V
Schaltfrequenz	50 KHz

Übersicht Komponenten

Komponente	Details
1.2-kV/ 80-A SiC MOSFETs	Halbbrücke (DAB)
1.2-kV/ 90-A SiC MOSFETs	3-phasig, Halbbrücke (AC/DC)
Cree Gate Driver	1.2-kV Isolation (AC/DC rectifier)
FHNW Gate Driver mit einstellb. VGS	1.2-kV Isolation (DAB)
Opsens faseroptischer Temperatursensor	Online Junction-Temperatur-Überwachung
RT BOX (Plexim)	Rapid Control Prototyping

Abbildung 2: 22 kW bidirektionaler AC/DC-Konverter mit 1.2-kV SIC MOSFETs

Abbildung 3: 22 kW bidirektionaler AC/DC-Konverter mit 1.2-kV SIC MOSFETs

Ausführung	Institut für Elektrische Energietechnik FHNW
Forschungspartner	OST – Ostschweizer Fachhochschule
Dauer	2 Jahre
Förderung	Bundesamt für Energie
Projektteam	Tobias Strittmatter, Dr. Paula Diaz Reigosa, Prof. Dr. Nicola Schulz
Weiterführende Dokumente	Publikation BFE (englisch)