Single‐Stage AC‐DC Converter
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines besonders effizienten und bauteilarmen netzgekoppelten galvanisch trennenden bidirektionalen AC-DC-Wandlers (Onboard-Charger / Wallbox). Neuartige Halbleiter-Bauelemente erlauben jetzt die Nutzung von einstufigen Konzepten, die das einzusetzende Material reduzieren, Energieeffizienz und Leistungsdichte steigern und damit Kosten senken.
Das Vorhaben konzentriert sich auf die Entwicklung eines einstufigen netzgekoppelten galvanisch trennenden bidirektionalen AC-DC-Wandler, welcher insbesondere in Ladestationen für Elektrofahrzeuge eingesetzt wird, also in Onboard-Chargern oder Wallboxen. Traditionell werden dafür zweistufige Systeme genutzt, um die großen Spannungsbereiche der Batterien bedienen zu können und gleichzeitig das Fahrzeug beim Laden und Entladen galvanischen vom Netz trennen. Neuartige, bidirektional sperrfähige Leistungshalbleiter (BDS) auf GaN-Basis eröffnen jetzt ein breites Spektrum neuer einstufiger Topologien, welche mit deutlich weniger Leistungshalbleitern auskommen und damit im Vergleich zu den herkömmlichen zweistufigen Lösungen höhere Wirkungsgrade und Leistungsdichten erreichen können. Dieses Projekt verfolgt solch ein neuartiges einstufiges Konzept, dessen Validierung Gegenstand der Untersuchung ist.
Auf einen Blick
| Kategorie | Beschreibung |
|---|---|
| Forschungsprojekt | Single‐Stage AC‐DC Converter - Einstufiger, bidirektionaler, isolierender AC‐DC Wandler auf Basis von monolithisch integrierten, bidirektional sperrfähigen Leistungshalbleitern |
| Leitung | Prof. Dr.-Ing. Christian Dick |
| Fakultät | Fakultät für Informations-, Medien- und Elektrotechnik |
| Institut | Cologne Institute for Renewable Energy (CIRE) / Institut für Automatisierungstechnik |
| Beteiligte | Christian Dick, David Bohne |
| Fördermittelgeber | EFRE/JTF-Programm NRW (Förderlinie NRW-Patentvalidierung) |
| Laufzeit | 10/2025 bis 03/2027 |
Jüngste Forschung an der ETH Zürich zeigte bereits einstufige Systeme basierend auf der Dual-Active-Bridge (DAB). Im Gegensatz dazu wird im Vorhaben eine einstufige Topologie vorgeschlagen, die nur einen einphasigen Transformator nutzt und die Anzahl der BDS-Elemente reduziert, was Komplexität und Kosten weiter senkt. Außerdem leiden DAB-Systeme unter hohen Abschaltströmen und niedriger Effizienz bei Teilbelastung. Mit der steigenden Nachfrage für Vehicle-to-Grid (V2G) und Vehicle-to-Home (V2H) rücken aber hohe Teillasteffizienzen immer mehr in den Vordergrund. Der Einsatz eines bidirektionalen Serienresonanzwandlers (SRC) in einer einstufigen AC-DC Topologie soll diese Herausforderungen adressieren, indem er durch seine resonante Betriebsweise kleine Abschaltströme und kontinuierliche Schaltentlastung ermöglicht.
Single‐Stage AC‐DC Converter
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Neue Topologie des dreiphasigen AC-DC-Wandlers auf Basis von bidirektional sperrfähigen Leistungshalbleitern (Bild: David Bohne, TH Köln)
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Einphasige Variante des AC-DC-Wandlers, welche durch das Schalten der Relais-Kontakte K1 oder K2 der dreiphasigen Topologie inkludiert ist (Bild: David Bohne, TH Köln)
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Erste Ergebniskurven der einphasigen Topologie mit einer Leistung von 3.6kW (Bild: David Bohne, TH Köln)
Ein wesentlicher Fortschritt ist die Anwendung der Integral-Cycle-Mode-Control zur Spannungsanpassung. Die TH Köln zeigte bereits, dass durch diese Art der Modulation Zero-Voltage- und Near-Zero-Current-Switching erreicht werden können (insbesondere auch im Teillastbereich). Neben der dafür notwendigen genauen Modellierung des neuen einstufigen Systems muss die Integral-Cycle-Mode-Control auf die neue Topologie angewandt werden, um gleichzeitig die Netzströme zu regeln und große Spannungsbereiche am Ausgang abzudecken. Für die Erzeugung dieser hochfrequenten Schaltmuster wird eine innovative Strategie genutzt, welche den zusätzlichen Aufwand an Sensoren minimiert.