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).
Projektdetails
- Hochschule/Institut
- Hochschule für Technik und Umwelt FHNW / Hochschule für Technik und Umwelt
Abbildung 1: Schema des Konverters basierend auf SiC Leistungshalbleitern.
Ausgangslage
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.
Ziele
- 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.
Ergebnisse
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
Projekt-Information
Ausführung | |
Forschungspartner | |
Dauer | 2 Jahre |
Förderung | |
Projektteam | Tobias Strittmatter, Dr. Paula Diaz Reigosa, Prof. Dr. Nicola Schulz |
Weiterführende Dokumente |