DC/DC-Wandler optimiert für höhere Eingangsspannungsbereiche

Die Energiewende ist auf dem Vormarsch. Der Anteil erneuerbarer Energiequellen wie Windkraft oder Photovoltaik wächst. Auf der anderen Seite muss eine stabile Stromversorgung und Verfügbarkeit zu jeder Zeit gewährleistet sein. Diese Tatsache wirft die Frage nach der Energiespeicherung in zukünftigen dezentralen Energiesystemen auf. Energie zu speichern bedeutet, höhere Spannungsebenen zu nutzen, um von einem höheren Wirkungsgrad zu profitieren. Daher werden leistungsfähige DC/DC-Wandler benötigt, um die Spannung auf ein anderes Niveau zu bringen. Andererseits erfordert der Weg zu einem intelligenten Stromnetz, das bei Bedarf Energie abrufen kann, eine Verfügbarkeit rund um die Uhr. Überwachungsfunktionen, Steuerungsfunktionen und Kommunikation mit Energieanbietern müssen zuverlässig arbeiten, sowohl für die Energiespeicher als auch für die Primärenergieerzeugung selbst: Eine Windkraftanlage beispielsweise, die Spannungen bis zu 3000 V erzeugt, benötigt eine bestimmte Versorgungsspannung, um sich überhaupt in Bewegung setzen zu können. DC/DC-Wandler sind also überall zu finden.

Hohe Anforderungen garantieren maximale Netzstabilität

DC/DC-Wandler werden heute in vielen elektrischen Geräten eingesetzt. In den meisten Fällen sind diese Geräte jedoch für den Einsatz im Niederspannungsbereich ausgelegt. Sie wandeln in der Regel von der Netzspannung auf 5 V, 15 V oder 24 V herunter. Daher sind sie für diese speziellen Betriebsbedingungen konzipiert. Sie müssen eine Reihe von Einschränkungen berücksichtigen, die Sonneneinstrahlung, Kühlung und Zuverlässigkeit betreffen. Angesichts ihres begrenzten Eingangsbereichs sind diese Herausforderungen leicht zu bewältigen.

Betrachtet man nun aber eine Verwendung für MVDC-Anwendungen (Medium-voltage direct current), wie es bei Energiespeicherelementen oder Anlagen für erneuerbare Energien der Fall ist, steigen die Anforderungen. Aus Sicherheitsgründen gewinnt die Isolierung an Bedeutung, da die Eingangsspannung in einigen Anwendungsfällen bis zu 1000 V, 2000 V oder noch höher betragen kann. Umgekehrt gilt: Je höher die Spannung, desto schwieriger ist es, eine insolationssichere Konstruktion des verwendeten Materials zu gewährleisten. Darüber hinaus ist angesichts der Bedeutung der Versorgungssicherheit im Energienetz ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit erforderlich. In Anbetracht der sehr komplexen Abhängigkeiten der heutigen Energienetze kann der Ausfall eines solchen DC/DC-Moduls, das irgendwo in die Versorgungsleitung integriert ist, den Zusammenbruch des gesamten Systems mit allen negativen Folgen für die Verbraucher verursachen. Daher müssen zuverlässige Lösungen zur Begrenzung der EMV-Auswirkungen und zur Gewährleistung der galvanischen Trennung gefunden werden. Dennoch sind die Betriebsbedingungen solcher Geräte bei weitem nicht mit denen vergleichbar, die für konventionelle DC/DC-Wandler gelten. Erneuerbare Energien werden dort genutzt, wo die örtlichen Bedingungen am günstigsten sind. Daher müssen große Höhen, korrosive Einflüsse und ungünstige Temperaturen in Betracht gezogen werden. Andererseits haben Fragen der Effizienz eine hohe Priorität.

In der Praxis lassen sich Leistungsverluste während der Umwandlung nicht vermeiden. Eine Regelung des Spannungsabfalls ist in den meisten Fällen nicht mehr möglich. Daher wird die Spannung getaktet, um die Leistung von der Primär- auf die Sekundärseite zu übertragen und so diese Verluste zu begrenzen. In jedem Fall stören parasitäre Elemente die Effizienz einer solchen Anwendung, da die Abstände zwischen Primär- und Sekundärseite vergrößert werden. Parasitäre Elemente finden sich im gesamten Prozess, der zur DC/DC-Wandlung führt.

Eine Möglichkeit zur Minimierung von Verlusten ist zum Beispiel die Verwendung eines Durchflusswandlers anstelle eines Sperrwandlers. Dieser Entwurf folgt einem anderen Prinzip, das eine Stromspeicherdrossel verwendet. Trotzdem würde die Verwendung eines einfachen Durchflusswandlers andere Nachteile in Bezug auf den Wirkungsgrad mit sich bringen. Die Verwendung einer Brückentopologie ist ein weiterer möglicher Schritt zur Optimierung des Schaltungsentwurfs. Diese Wahl lässt auch die Verwendung eines Gegentaktwandlers mit erweitertem Leistungsbereich zu. Bei der Vollbrückentopologie müssen Entwickler allerdings berücksichtigen, dass vier Transistoren zur Realisierung der Schaltung notwendig sind. Bei einer Halbbrückentopologie, bei der nur zwei Transistoren verwendet werden, sind die Verluste nur halb so hoch. Dennoch machen sie im MVDC-Kontext immer noch einen erheblichen Teil der gewünschten Leistung aus. Nach diesen Beispielen sind die Leistungsverluste aufgrund parasitärer Elemente je nach verwendeter Topologie unterschiedlich, aber sie steigen in jedem Fall auf fast 6 – 12 Prozent der Ausgangsleistung an.

Eine andere Möglichkeit wäre die Verringerung der Schaltfrequenz, was jedoch mit einer Einschränkung des Eingangsspannungsbereichs und Kompromissen bei der Bauteilgröße einhergeht. Das Gleiche gilt für die Optimierung der Temperaturbelastung. Um die Anforderungen an Zuverlässigkeit, EMV oder Wetterfestigkeit zu erfüllen, sind viele zusätzliche Modulen notwendig.

Zusammenfassung und Ausblick

Da die Stabilität unseres Stromnetzes höchste Priorität hat, hat Grau erkannt, dass der Einsatz von DC/DC-Wandlern in der regenerativen Energieerzeugung und deren Speicheranwendungen hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Geräte stellt. Bei der Betrachtung der MVDC-Umwandlung und des Betriebs unter extremen Umgebungsbedingungen, können Probleme auftreten, die sich von denen herkömmlicher DC/DC-Wandler unterscheiden. Isolierung, galvanische Trennung, EMV und Wärmeschutz gewinnen dabei an Bedeutung. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Optimierung der bestehenden Infrastruktur eine umfassende Aufgabe sein wird, die fundierte Kenntnisse im Bereich der Mittel- und Hochspannungsanwendungen erfordert. Grau Elektronik bietet Produkte an, die bereits Lösungen für diese spezifischen MVDC-Anforderungen beinhalten.