Analyse, Design und Aufbau einer resonanten Dual Active Bridge für kompakte Hilfsspannungsversorgungsanwendungen

Mit der zunehmenden Umstellung des Energiesystems auf erneuerbare Energieträger verändern sich auch die Anforderungen an das elektrische Energienetz. Die volatile Energieerzeugung fordert eine gewisse Flexibilität im Stromnetz. So muss in Zeiten geringer Einspeisung durch erneuerbare Energieträger die fehlende Leistung etwa durch Speichersysteme kompensiert werden. Um dem gerecht zu werden, kommen unterschiedlichste leistungselektronische Konverterstufen zum Einsatz. Weiters hilft die kontinuierliche Verbesserung, Optimierung und Entwicklung leistungselektronischer Bauelemente dabei, die notwendige Energieumwandlung so effizient wie möglich zu gestalten. Neben den eigentlichen leistungsführende Komponenten in Konverterstufen wird auch eine Vielzahl an elektronischen Bauelementen benötigt, um beispielsweise Leistungshalbleiter anzusteuern, physikalische Größen zu messen oder auch Regelungen auszuführen. Diese Bauelemente benötigen wiederum eine Hilfsenergie um einen Betrieb überhaupt zu ermöglichen. Hierbei kommen sogenannte Hilfsspannungsversorgungen zum Einsatz, die die notwendige Kleinspannung zur Verfügung stellen. Eine besondere Form der Spannungswandler stellt die Dual Active Bridge (DAB) dar. Dabei handelt es sich um einen bidirektionalen Gleichstromwandler (DC-DC-Wandler) der sich vor allem durch seine hohe Leistungsdichte und der vergleichsweise einfachen Regelung auszeichnet. Die Arbeit beschreibt den Entwicklungsprozess einer solchen DAB. Ziel ist die Realisierung einer kompakten und effizienten Hilfsspannungsversorgung, wie sie beispielsweise in Solid-State-Transformatoren (SST) eingesetzt werden kann. Dabei wird eine Eingangsspannung von bis zu 1500 V aus einem DC-Bus auf eine für elektronische Komponenten geeignete Kleinspannung (z. B. 48 V) umgesetzt. Die DAB soll sowohl eine hohe Spannungsübersetzung als auch eine möglichst hohe Effizienz gewährleisten. Die DAB wird dafür in einem ersten Schritt simuliert, um alle leistungsführenden Halbleiter- und passiven Bauelemente auszulegen. Auf Basis dieser Erkenntnisse erfolgt ein Leiterplatten-Design (PCB-Design), das die zusätzlich erforderlichen elektronischen Komponenten integriert. Ein besonderes Augenmerk wird dabei jeweils auf den Vergleich der konventionellen DAB und der resonanten DAB gelegt.