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Bidirektionaler Hochspannungs-DC/DC-Wandler
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Foren-Übersicht -> Ingenieurwissenschaften -> Bidirektionaler Hochspannungs-DC/DC-Wandler
 
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Leitz83
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Anmeldungsdatum: 05.09.2010
Beiträge: 10

BeitragVerfasst am: 05 Apr 2011 - 12:11:30    Titel: Bidirektionaler Hochspannungs-DC/DC-Wandler

Hallo, alle zusammen!

Ich bin schon seit längerem auf der Suche nach einer DC/DC-Wandler-Topologie für Ausgangsspannungen im kV-Bereich. Wichtig ist, dass ein bidirektionaler Energietransfer möglich ist und das der Wandler schaltend arbeitet.
Die Ausgangsspannung soll mindestens 2kV und der Ausgangsstrom maximal 100mA betragen. Zu berücksichtigen ist, dass der Wandler unter einer kapazitiven Last arbeiten muss.

Ich hoffe, mir kann jemand einige Anregungen liefern wie man einen solchen Wandler realisieren könnte.


Viele Grüße

Leitz
elexberd
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Anmeldungsdatum: 08.10.2010
Beiträge: 787
Wohnort: Berlin

BeitragVerfasst am: 05 Apr 2011 - 23:04:01    Titel:

Mein Vorschlag:
Zeichne dir eine Vollbrücke mit 4 Schaltern (links S1 und S2, rechts S3 und S4) und antiparallelen Dioden D1 bis D4.
Zeichne eine Induktivität L in den Querzweig.
Trenne die obere Verbindung zwischen den Schaltern auf.
Verbinde den linken Brückenzweig mit einem Kondensator C1 und parallel dazu einer Spannungsquelle U1.
Verbinde den rechten Brückenzweig mit einem Kondensator C2 und dazu parallel einer Spannungsquelle U2.

So müsste das laufen. Wenn du S1 und S4 einschaltest, wird der Strom in L ansteigen. Wenn du nun S1 und S4 wieder ausschaltest, wird der Strom durch die Freilaufdioden D2 und D3 fließen und die in L gespeicherte Energie lädt C2. So wird Energie von U1 nach U2 transferiert.

Umgekehrt kannst du S2 und S3 einschalten. Der Strom in L wird negativ anwachsen (positiv ist von links nach rechts gezählt), Energie wird aus C2 nach L transferiert. Wenn du nun S2 und S3 wieder ausschaltest, wird der Strom in L über die Freilaufdioden D1 und D4 fließen und Energie nach C1 leiten.

Die Spannungsgrößen in C1 (U1) und in C2 (U2) sind frei wählbar.
Leitz83
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Anmeldungsdatum: 05.09.2010
Beiträge: 10

BeitragVerfasst am: 06 Apr 2011 - 06:52:56    Titel:

Hallo, elexberd!

Danke für deinen Tip! Werde mir das gleich mal aufzeichnen und nachvollziehen.
isi1
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Anmeldungsdatum: 10.08.2006
Beiträge: 7342
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BeitragVerfasst am: 06 Apr 2011 - 08:37:31    Titel:

Ergänzend zu elexberds Ausführungen ist die folgende Studienarbeit zu empfehlen. Es werden nicht nur die Funktion sondern auch die Vor- und Nachteile diskutiert. Auf Seite 25 z.B. findest Du den Bidirektionalen Wandler auch mit galvanischer Trennung.
http://www.tseronis.net/oeffentlich/Entwurf_eines_Spannungswandlers_100.pdf
Leitz83
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Anmeldungsdatum: 05.09.2010
Beiträge: 10

BeitragVerfasst am: 06 Apr 2011 - 09:28:39    Titel:

Hi isi1,

danke für den Tipp. Genau diese Wandler-Topologie habe ich mir auch herausgesucht.
Leider sehe ich ein Problem in der begrenzten Drain-Source-Spannung der Leistungsschalter, da ich Ausgangsspannungen im kV-Bereich erzeugen möchte. Oder habe ich da einen Denkfehler?
Habe mir auch schon überlegt meherere Wandler primär parallel und sekundär in Reihe zu schalten, aber hierbei sind die Schalter auf der Sekundärseite auch nur in Reihe geschaltet. Da die sekundären Leistungsschalter nie genau zum gleichen Zeitpunkt ein- und auschalten, müssen die geschlossenen Schalter zeitweise die gesamte Ausgangsspannung aufnehmen und brechen wahrscheinlich durch.
Bin daher gerade dabei zu schauen, ob man die auftretende Sperrspannung mit irgendeiner Beschaltung von den Schaltern wegnehmen kann.

Gruß Leitz
isi1
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Anmeldungsdatum: 10.08.2006
Beiträge: 7342
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BeitragVerfasst am: 06 Apr 2011 - 09:47:41    Titel:

Kann man nicht - wie die Höchstspannungsleute - einfach mehrere Transistoren in Reihe schalten, Leitz? Natürlich mit der dafür notwendigen Schutzbeschaltung.
Leitz83
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Anmeldungsdatum: 05.09.2010
Beiträge: 10

BeitragVerfasst am: 06 Apr 2011 - 09:59:43    Titel:

Dann werde ich mich mal nach so einer Schutzbeschaltung umschauen.

Gibt es dafür eine spezielle Bezeichnung?

Habe auch schon mit dem Gendanken gespielt eventuell IGBTs anstatt MOSFETs einzusetzen. Die haben eine höhere maximale Sperr-Spannung, sind aber auch wesentlich größer.
isi1
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Anmeldungsdatum: 10.08.2006
Beiträge: 7342
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BeitragVerfasst am: 06 Apr 2011 - 12:45:34    Titel:

Klar, ein 6kV-Transistor braucht alleine schon größere Abstände der Anschlüsse. Welche Spannung willst Du verwenden, und welche Leistung?
Leitz83
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Anmeldungsdatum: 05.09.2010
Beiträge: 10

BeitragVerfasst am: 06 Apr 2011 - 14:05:39    Titel:

Die Ausgangsspannung soll am besten maximal 10kV (min. 2kV) betragen und in einem weiten Bereich einstellbar sein (idealerweise 0...10kV). Der Ausgangsstrom soll auf 100mA begrenzt sein. Mit den Werten komme ich auf einen maximale Leistung von 1kW.

Die MOSFETs, die ich einsetzen möchte, haben eine maximale Drain-Source-Spannung von 1000V.

Das besondere an der Applikation ist der Betrieb einer fast auschließlich kapazitiven Last.
elexberd
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Anmeldungsdatum: 08.10.2010
Beiträge: 787
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BeitragVerfasst am: 06 Apr 2011 - 19:59:38    Titel:

@Leitz83
Brauchst du unbedingt galvanische Trennung?
Wenn das der Fall ist, musst du einen erheblichen Aufwand in die Transistor-Beschaltung stecken, um die Streuinduktivität des Sperrwandlers in den Griff zu bekommen. Weiterhin müssen die Schalter mindestens die doppelte Betriebsspannung sperren können. Und das, wo die Sperrspannung ohnehin nicht ausreicht, um mit nur einem Transistor pro Schalter arbeiten zu können.

Bei einer Brückenschaltung hast du kein Problem mit Überspannungen beim Schalten und die notwendige Sperrspannung ist gleich der Betriebsspannung plus einem Sicherheitswert. Weil du wegen der hohen angestrebten Betriebsspannung ohnehin Reihenschaltung anwenden musst, ist die Anzahl der erforderlichen Transistoren bei beiden Topologien gleich, die Brückenschaltung ist darüberhinaus betriebssicherer und hat einen besseren Wirkungsgrad, weil auf eine aufwändige Beschaltung verzichtet werden kann.
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