Bidirektionale Leistungsumwandlung Ein Geben und Nehmen

Für einen Stromfluss in beiden Richtungen verwendet man gerne Halbleiter mit großer Bandlücke in Ladegeräten und Stromrichter.
Für einen Stromfluss in beiden Richtungen verwendet man gerne Halbleiter mit großer Bandlücke in Ladegeräten und Stromrichter.

Ladegeräte und Stromrichter in Elektrofahrzeugen erfordern häufig einen Stromfluss in beide Richtungen. Halbleiter mit großer Bandlücke werden gerne dazu verwendet, um Größe, Gewicht und Verluste der Stromwandler zu verringern. Doch wie geht das?

Die meisten Anwendungen rund um die Leistungsumwandlung verarbeiten eine Eingangsspannung zu einer stabilisierten Ausgangsspannung – oft mit galvanischer Trennung. Ein Beispiel dafür ist ein Netzteil am Wechselstromnetz, das eine niedrigere Ausgangsspannung erzeugt und so einen Laptop mit Gleichstrom versorgt. Ein weiteres Beispiel ist eine Batteriespannung in tragbaren Geräten, die auf einen konstant höheren Wert angehoben wird.

Beide Beispiele sind Einwegwandlungen – mit zunehmendem Interesse an alternativen Energien und Elektrofahrzeugen besteht aber der Bedarf, dass Strom in beide Richtungen fließen kann. Das dient dazu, überschüssige Energie zurückzuführen und zu speichern. Ein Beispiel ist eine Solaranlage, bei der Gleichstrom von den Solarpanels über einen Wechselrichter in das Wechselstromnetz zurückgespeist wird sobald die Akkus im Haus vollständig aufgeladen sind. Der Wechselstrom lädt dabei die Batterien nachts über einen bidirektionalen Konverter beziehungsweise Wechselrichter auf.

Eine andere Situation ergibt sich in Elektrofahrzeugen: hier konvertiert ein bidirektionaler DC/DC-Wandler die 400-V-Hauptbatteriespannung für Nebenaggregate in eine 12-V-Spannung. Der Wandler kehrt den Stromfluss von 12 V auf 400 V um, wenn sich der Akku für den Antrieb auf einem gefährlich niedrigen Ladezustand befindet (Bild 1).

Wird über einen DC/DC-Wandler Energie zwischen Batterien ausgetauscht, ist das Laderegime zu berücksichtigen: dabei benötigen 12 V-Blei-Säure-Zellen bis zu ihrem vollständig geladenen Zustand einen geregelten Strom und anschließend einen Erhaltungsstrom. Im Gegensatz dazu benötigt die 400-V-Kette von Lithium-Ionen-Zellen eine sehr sorgfältig kontrollierte, konstante Spannung [1].

Die Regelalgorithmen des Wandlers müssen sich daher an die Richtung des Stromflusses anpassen. Eine Möglichkeit ist, die Ladung des Antriebsakkus über einen anderen bidirektionalen Wandler oder Wechselrichter in das Netz zurückzuführen. Der Wechselrichter ist dabei Teil einer Ladestation, die eine dezentrale Energiespeicherung bereitstellt.

Realisierung eines bidirektionalen Wandlers

Um effektiv zu sein, muss die Energierückführung, also das Energy Harvesting, minimale Verluste mit sich bringen. Stromrichter müssen daher auf Techniken basieren, die einen hohen Wirkungsgrad erzielen. Da ein bidirektionaler Leistungswandler sehr komplex in der Entwicklung ist, bestehen einige Designs einfach aus zwei getrennten Wandlern, die »antiparallel« sind. Über Sensoren wird dabei jeweils einer der Wandler mit Energie versorgt. Das Design mit zwei Wandlern ist zwar einfacher, geht aber mit der doppelten Anzahl an Bauelementen – und damit verbunden – höheren Kosten einher.

Ein eleganterer und kostengünstigerer Ansatz ist, die gleichen Leistungselektronikbauteile für den Betrieb in beide Richtungen zu konfigurieren – was gar nicht so schwer ist. Als Beispiel dient der Fall einer 400-V-Antriebs- und 12-V-Hilfsbatterie. Hierbei findet ein bidirektionaler, isolierter Energieaustausch statt: von 400 V bis 12 V ist die bevorzugte Endstufe eine Vollbrücke, die die Schaltlast begrenzt und den Trenntransformator effizient nutzt. Der Ausgang ist ein zweiphasiger Gleichrichter, der aufgrund seiner minimalen Beanspruchung und Bauteilanzahl bevorzugt wird (Bild 2a). Auf den ersten Blick ist schwer zu erkennen, wie die 12-V-Spannung rückwärts auf 400 V umgewandelt werden kann.

Das Bild 2b hilft dabei: Die 12-V-Ausgangsdioden werden durch Synchrongleichrichter ersetzt und die Schalter Q1 bis Q4 ausgeschaltet. Nur ihre Body-Dioden D1 bis D4 verbleiben effektiv in der Schaltung. Von rechts nach links betrachtet, entsteht eine bekannte Schaltung: eine stromgespeiste Gegentakt-Endstufe mit einem Vollbrücken-Ausgangsgleichrichter. Keine der Leistungselektronikbauelemente oder Magnete haben sich geändert. Sie werden nur anders angesteuert, um die Richtung des Energieflusses festzulegen. Die Schalter Q1 bis Q4 lassen sich für einen besseren Wirkungsgrad auch aktiv als Synchrongleichrichter schalten, obwohl bei 400 V der Strom niedriger und das möglicherweise gar nicht erforderlich ist. Die Steuerung der Endstufen ist entscheidend für die bidirektionale Funktion mit gängigen ICs [2].

Der Steuer-IC befindet sich häufig auf der Niederspannungsseite, da er die 12-V-Batterie mit Anlaufstrom versorgen kann. Wenn es sich bei der Hochspannungsseite um eine PSFB-Topologie (Phasenverschobene Vollbrücke oder Vierquadrantensteller) handelt, kann der Controller die Gate-Treibersignale problemlos über die Isolationsbarriere durch einfache Transformatoren leiten.

Da die Signale immer eine feste Breite haben und zur Regelung nur phasenverschoben zueinander sind, haben die Transformatoren keine Probleme mit einer variablen Impulsbreite. Die variablen Impulsbreiten verursachen dabei unterschiedliche positive und negative Gate-Spannungsspitzen.

Eine ähnliche Vorgehensweise ergibt sich bei einem AC/DC-Wandler mit einem aktiven Brückengleichrichter. Er ist als Basis eines Wechselrichters für den umgekehrten Energiefluss konfiguriert. Eine moderne Technik ist die Verwendung eines Totem-Pole-Gleichrichters und einer Leistungsfaktorkorrektur (PFC)-Stufe, die sich gut als Wechselrichter konfigurieren lässt (Bild 3).