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HV-DC/DC-Designs und Mehrphasen-LLC-Resonanzwandler

 

Lesedauer – ca. 5 Minuten – Dieser Artikel zeigt, wie mit Hilfe von Multiphasenanordnungen Designhürden bei der Implementierung von LLC-Wandlern in der Umgebung von Hochspannungs-DC-Versorgungen überwunden werden können - und welche Vorteile sich daraus für den Anwender ergeben.

 

Hochvolt DC/DC-Wandler sind Schlüsselkomponenten in vielen Wachstumsmärkten. Die aus regenerativen Energiequellen verfügbare Energie liegt in der Regel als Gleichstrom vor. Die zeitlich ungleichmäßige Verteilung dieser großen Menge elektrischer Leistung und die damit verbundene Notwendigkeit diese zu speichern, ist zum Innovationstreiber für Systeme und Komponenten geworden. Während die bestehende Infrastruktur durch die zentrale Erzeugung von Wechselstrom und dessen Verteilung gekennzeichnet ist, kann eine Zwischenspeicherung des Gleichstromes – beispielsweise in Akkus oder durch die Elektrolyse von Wasser – die Effizienz des Gesamtsystems, ohne die Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom und zurück, deutlich erhöhen. Dafür sind Hochvolt-DC/DC-Wandler die notwendige Schnittstelle zwischen den dezentralen Einzelsystemen zur Energieerzeugung und -speicherung und fungieren gleichermaßen als Leistungsüberträger, Steuer-, Regel- und Diagnosewerkzeug.

 

Entwicklungsziele

 

Um die Vorteile der DC-Technik optimal ausschöpfen zu können, sind die Kernziele beim Design von neuen Geräten typischerweise die Steigerung des Wirkungsgrads, sowie die Reduktion von Kosten und Bauvolumen. Dabei führt eine Integration von resonanten LLC-Stufen in einer Multiphasenanordnung mit n Phasen, wie in Bild 1 gezeigt, unter Nutzung von π/n-Phasenverschiebung zu technologischen Vorteilen gegenüber üblichen Topologien wie beispielsweise der einphasigen „Phase Shifted Fullbridge“ (PSFB).

Während LLC-Stufen einige inhärente Vorteile bieten, muss der Designer bei ihrem Einsatz allerdings auch einige Nachteile in Kauf nehmen: Dazu gehört unter anderem der vergleichsweise hohe Stromripple am Ausgang, der durch die Stromform im resonanten Netzwerk des LLC bedingt ist und Vorteile wie das sekundäre ZCS (Zero Current Switching) ermöglicht. Werden die in der Praxis nötigen Totzeiten der Primärschalter und deren Auswirkungen auf die Form des fließenden Stromes vernachlässigt, beträgt die Amplitude des Stromripple auf der Resonanzfrequenz des Wandlers prinzipbedingt etwa 48% des Ausgangsstromes, bezogen auf RMS-Werte.

 

 

Bei Topologien mit Ausgangsdrossel ist der Stromripple dagegen ein Wert, der durch die Auslegung des Ausgangsfilters beeinflusst werden kann. Häufig werden 30% I_Out peak-peak-Stromripple, was ca. 8,7% I_Out RMS entspricht, als Designgrundlage gewählt. Der Nachteil des hohen Stromripple der LLC-Topologie kann durch eine Multiphasenanordnung gemindert werden – durch Addition des sinusförmigen

Ausgangsstroms jeder Phase ergibt sich folgende Reduktion des Ripplestromes bei Erhöhung der Phasenanzahl n (Bild 2)

Durch Parallelisierung dreier LLC-Wandlerphasen ist eine Reduktion des Stromripple in gemeinsam genutzten Ein- und Ausgangskondensatoren fast um den Faktor 12 realisierbar, wie in Abbildung 2 gezeigt. So beträgt beispielsweise bei einem Gesamtausgangsstrom von 250A der Ripplestrom einer PSFB-Stufe typischerweise etwa 22A RMS. Der Ripplestrom einer einzelnen LLC-Phase dagegen betrüge hier ~121A RMS. Bei n=2 beträgt der Ripplestrom noch ~24A RMS und ab n=3 ist er mit ~11A RMS geringer als beim einphasigen PSFB (siehe Bild 3). Dies erlaubt die Verkleinerung der Ausgangskapazität C_Out und den Einsatz von kostengünstigeren Bauteilen mit höherem Serienwiderstand, unter gleichzeitiger Beibehaltung von Anforderungen bezüglich maximaler Ripplespannung.

 

Umgang mit Blindströmen

 

Eine weitere Herausforderung beim Einsatz der LLC-Topologie für leistungsfähige Konverter sind im primären Schaltungsteil zirkulierende, laststromunabhängige, Blindströme. Diese Blindströme reduzieren zusammen mit der benötigten Leistung für die Ansteuerung der beteiligten Halbleiter den Wirkungsgrad im Leichtlastfall.

Der Multiphasen-Designansatz bietet hier die Möglichkeit, durch den Einsatz von „Phase Shedding“ - also der Abschaltung von Phasen unter Leichtlast - diese Verlustbeiträge auf 1/n zu reduzieren.

Die inhärenten Vorteile der LLC-Topologie bleiben dagegen beim Übergang von n=1 zu n>1 unberührt. Dazu gehören vor allem ZVS (Zero Voltage Switching) der primären und sekundären Halbleiter, sowie annäherndes ZCS der primären und ZCS der sekundären Halbleiter unter allen Lastbedingungen. In Abbildung 4 werden Ein- und Ausschaltvorgang von M2 (siehe Abbildung 1) dargestellt. Für eine bessere Darstellung wurde eine Eingangsspannung V_In von 60V gewählt. Unabhängig vom Laststrom ist sichtbar dass im Schaltmoment, sobald die Gate-Sourcespannung von M2 (blau) einige Volt überschreitet, sowohl die Drainspannung von M2 (türkis) als auch der von M2 zu übernehmende Strom (rot) bereits nahe Null betragen.

 

 

Durch diese Reduktion, respektive Vermeidung, harter Schaltflanken und Stromabrissen werden, insbesondere bei Anwendungen mit hohen Eingangsspannungen, die EMV entschärft und der Wirkungsgrad gesteigert, was sowohl das Bauvolumen reduziert als auch die Kosten senkt.

Unabhängig von der Anwendung auf LLC- oder andere Topologien ist die bessere thermische Anbindung der beteiligten Leistungshalbleiter ein weiterer Vorteil von Multiphasen-Anordnungen. Jede Phase des Gesamtgerätes trägt ein n-tel des Gesamtstromes; durch Nutzung von Halbleitern gleicher Technologie, verglichen mit einem einphasigen Design, aber jeweils einem n-tel Siliziumfläche pro Phase, werden die On-Widerstände der Einzelhalbleiter ver-n-facht und die Kapazitäten sowie die damit assoziierten Schaltverluste durch n geteilt.

Dadurch bleibt die Summe der Schalt- und Durchlassverluste aller Phasen äquivalent zu der Summe der Verluste einer einphasigen Lösung, aber die thermische Anbindung kann aufgrund der erhöhten  Anzahl an Halbleitern durch eine deutlich größeren Fläche erfolgen, ohne dabei die Eigenschaften des Layouts (z.B. minimale umschlossene Fläche von Kommutierungspfaden) zu verschlechtern.

 

Fazit

 

Durch Ausnutzung der beschriebenen Vorteile der n-Phasenanordnung ist die eigens für Hochvoltanwendungen entwickelte DC/DC-Wandlerplattform DDH von Querom Elektronik in der Lage das eingesetzte Material ideal auszunutzen und so eine hohe Leistungsdichte bei sehr guter thermischer Robustheit und geringem Spannungsripple auf der Ausgangsspannung zu bieten.

Weiterhin ermöglicht die n-Phasenanordnung Kundenspezifische, bauraumoptimierte Designs.

Abgerundet werden diese Eigenschaften durch die umfangreichen Mess- und Steuerfunktionen die per Geräteschnittstelle auf einem Kommunikationsbus sowie per Windows-Software nutzbar sind.

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