MA – Entwicklung eines bidirektionalen, isolierenden Hilfsspannungsnetzteiles

Entwicklung eines bidirektionalen, isolierenden Hilfsspannungsnetzteiles

Kurzzusammenfassung

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines isolierenden Gleichspannungs-wandlers, der zur bidirektionalen Kopplung von DC-Netzen mit Spannungspegeln von nominal 380 V und festen 24 V eingesetzt wird. Dieser Konverter ist auf eine Nennausgangsleistung von 100 W ausgelegt und kann in verschiedensten Anwendungen Verwendung finden. Beispielsweise ist hier die Anbindung von mobilen Batteriespeichern oder die Hilfsspannungsversorgung von leistungsstärkeren Wandlern zu nennen, sodass der parallelgeschaltete DC-DC-Wandler bei Schwachlast abgeschaltet werden kann.

Zu Beginn der Arbeit werden in einer Literaturrecherche geeignete Flyback-Topologien miteinander verglichen, wobei sich ausgehend von der genannten Spezifikation auf den Flyback als Grundtopologie beschränkt wird. Damit ein Spitzenwirkungsgrad von größer als 90 % erreicht werden kann, wird eine Flyback-Topologie mit aktiver Klemmung ausgewählt. Eine analytische Modellierung und eine Schaltungssimulation führen in die Auslegung des Wandlers ein. Das Layout und der Aufbau einer Platine wird für die anschließende messtechnische Untersuchung des Wandlers gezeigt.
Resonanzverhalten, Verlustbetrachtung und die Ansteuerung wird anschließend unter Berücksichtigung parasitärer Bauelemente zwischen Simulation und Messung verifiziert.

Abstract

In this thesis a development of an isolated DC-DC converter prototype is examined, which is used as a bidirectional interface between DC grids of a nominal 380 V and a fixed 24 V voltage level. This converter is designed for a nominal output power of 100 W and can be utilized for an application such as a mobile battery system or for supporting a converter of a much higher power level. By shutting down the main converter at low loads, the part load efficiency of the whole system can therefore be improved.

First, a comparison of several different flyback topologies is conducted with references to existing publications. Out of the given specifications the comparison is limited to the flyback as basic topology. To be able to reach a peak efficiency of greater than 90 % an active clamped flyback is chosen. Component values of the converter are designed with the help of an analytical model and a circuit simulation. The circuit board layout and the prototype are presented. Electrical measurements of the converter are conducted with the output voltage being digitally controlled. Last, the resonant behavior, loss calculation and the control scheme of the measured converter are compared with the simulation model.

Bearbeiter: Nico Schleippmann

Betreuer: Matthias Schulz (Fraunhofer IISB) – Telefon: 09131-761582; Email: Matthias.Schulz@iisb.fraunhofer.de

Für Studienfächer: EEI, Mechatronik

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März