Buck/Boost-Topologien
Große Schwankungen ausgleichen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Offene H-Brücke
Die Buck/Boost-Topologie in offener H-Brücke (Bild 3) arbeitet mit fester Schaltfrequenz. In diesem Fall gibt es keine höhere Spannung oder keinen höheren Strom als an den Ein-/Ausgangsschnittstellen. Die Ströme und Spannungen addieren sich also nicht, allerdings sind nun vier Halbleiter nötig.
Wird diese offene H-Brücke für den unidirektionalen Betrieb eingesetzt, so ist entsprechend einer der beiden Längstransistoren T1 oder T4 dauernd ein- und der zugehörige Synchrongleichichter ausgeschaltet. Dadurch kann die Topologie sowohl als Tiefsetzsteller (Buck) sowie auch als Hochsetzsteller (Boost) konfiguriert werden. Im Buck-Modus ist der Boost-Teil (T3 und T4) inaktiv; T4 ist durchgeschaltet.
Im Boost-Modus benötigt die Schaltung jedoch den Tiefsetzsteller, um die Einschaltströme beim Aufschalten der Eingangsspannung zu begrenzen. Somit fährt der Tiefsetzsteller die Ausgangsspannung zunächst integral auf den Wert der Eingangsspannung hoch. Danach wird T1 dauerhaft durchgeschaltet, T2 wird inaktiv und T3/T4 arbeiten wie bei einem normalen Hochsetzsteller.
Bei einer 2-kW-Anwendung mit Eingangsspannungen von 16 V bis 36 V sowie Transienten von 50 V für 50 ms oder von 70 V für 2 ms auf eine Batteriespannung von 48 V am Ausgang erreicht diese Schaltung einen Wirkungsgrad von über 96 %. Der maximale Eingangsstrom ist größer als 130 A, sodass dies mit einer einzelnen Stufe nicht ideal zu beherrschen ist. Sinnvollerweise wird dies auf eine dreifache stromkaskadierte Topologie aufgeteilt, um den Wirkungsgrad zu verbessern. Die dabei sinnvoll erreichbare Schaltfrequenz (fest) liegt bei über 80 kHz.
Die drei Stufen sind um 120° phasenversetzt, wodurch eine Filterfrequenz von 240 kHz und ein Chopperstrom von um die 43 A es möglich machen, bei sehr gut überlegtem Wärmemanagement mit SO8-Power-ICs zu arbeiten. Bei geschachtelten Stromregelkreisen im Interleaving-Betrieb sind die jeweiligen Strangströme geregelt auf ±5 % gleich.
Da die H-Brückentopologie symmetrisch ist, lässt sich bei »Umschaltung« des Prozessors eine bidirektionale Funktion erreichen. Dies ist bei einer Energierückspeisung gewünscht, was andernfalls zu einer zu hohen Ausgangsspannung führen würde oder auch wenn die Primärenergie am Bordnetz dynamisch nicht reicht. Der Wechsel von Buck auf Boost erfolgt unproblematisch und ohne Überschneidung der Funktion beider Topologien.
Ein Vorteil dieser Buck/Boost- gegenüber der Regeneratortopologie ist, dass ein hohes Spannungsübersetzungsverhältnis effizienter umgesetzt werden kann. So hat Syko schon eine 1,5-kW-Leistungsstufe mit SiC-Transistoren aufgebaut, die aus 24 V am Eingang eine Ausgangsspannung 250 V bei reduzierter Taktfrequenz erzeugt.
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