Buck-Wandler - EAL Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik
Technische Universität München
Vorlesung
‚Leistungselektronik – Grundlagen und
Standardanwendungen‘
1100 DCDC-Wandler
Autor:
Prof.Dr.-Ing. Georg Herzog
Fachgebiet Energiewandlungstechnik
Technische Universität München
06.07.2010
Grundlagen DC/DC-Wandler
1
Gliederung
Technische Universität München
1. Übersicht über DC/DC-Wandler
2. 1-Quadranten-Wandler
• Buck-Wandler
• Boost-Wandler
• Buck/Boost-Wandler
• Cuk-Wandler
3. 2-Quadranten-Wandler
4. Mehrphasige DC/DC-Wandler
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Grundlagen DC/DC-Wandler
2
Übersichtsfolie
Technische Universität München
Einsatzgebiete
• Schaltnetzteile (≤ 300W)
– Versorgung von µC
– PC Stromversorgung
• Automotive (einige kW)
– Kopplung von Mehrspannungsbordnetzen
– Anbindung von Energiespeichern, thermo-elektrischem
Generator, Solardach, ...
• Geregelte Gleichstromantriebe (mehrere 10 kW)
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Grundlagen DC/DC-Wandler
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Einsatzgebiete im Kraftfahrzeug
Technische Universität München
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Grundlagen DC/DC-Wandler
4
1-Quadranten-Wandler
Technische Universität München
I
U
Einsatzgebiete:
• Unidirektionale Kopplung von zwei Netzen
• Anbindung von Komponenten mit niedrigem
Spannungsniveau an Netz mit höherer Spannung
• Tiefsetzsteller (Buck-Wandler)
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Grundlagen DC/DC-Wandler
5
Buck-Wandler – Schaltung
Technische Universität München
Quelle: [1]
Netz A
(z.B. HVBordnetz)
BuckWandler
Netz B
(z.B. NVBordnetz)
Leistung
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Buck-Wandler – Schaltzustände
Technische Universität München
Annahme:
VO = const.
TS = t on + t of f
Quelle: [1]
1
i L (t) = I Su +
¢(Vd ¡ V0) ¢t
L
Quelle: [1]
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Buck-Wandler – Schaltzustände
Technische Universität München
Annahme:
VO = const.
TS = t on + t of f
Quelle: [1]
1
i L (t) = I So +
¢(¡ V0) ¢t
L
Quelle: [1]
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Buck-Wandler – Schaltzustände
Technische Universität München
Annahme:
VO = const.
TS = t on + t of f
Quelle: [1]
Stationär: Fläche A = Fläche B
(Vd ¡ V0) ¢t on = V0 ¢(TS ¡ t on )
V0
t on
=
= D
Vd
TS
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9
Buck-Wandler – Ausgangsspannung
Technische Universität München
Quelle: [1]
¢ Q0
1 1 ¢ I L TS
¢ V0 =
=
¢ ¢
¢
C
C 2
2
2
¢ IL =
V0
¢(1 ¡ D ) ¢TS
L
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TS2 V0
¢ V0 =
¢ ¢(1 ¡ D )
8C L
10
Simulationsergebnisse Buck
Technische Universität München
Vd = 20 V
D = 0; 75
Quelle: [1]
fS = 2kHz
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fS = 3kHz
11
Boost-Wandler – Einsatz
Technische Universität München
I
U
Einsatzgebiete:
• Unidirektionale Kopplung von zwei Netzen
• Anbindung von Komponenten mit hohem
Spannungsniveau an Netz mit niedriger Spannung
• Hochsetzsteller (Boost-Wandler)
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Boost-Wandler – Schaltung
Technische Universität München
Quelle: [1]
Netz A
(z.B. HVBordnetz)
BoostWandler
Netz B
(z.B. NVBordnetz)
Leistung
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Boost-Wandler – Zustände
Technische Universität München
Quelle: [1]
1
i L (t) = I Su +
¢Vd ¢t
L
Quelle: [1]
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Boost-Wandler – Zustände
Technische Universität München
Quelle: [1]
1
i L (t) = I So +
¢(Vd ¡ V0) ¢t
L
Quelle: [1]
06.07.2010
Grundlagen DC/DC-Wandler
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Boost-Wandler – Zustände
Technische Universität München
Quelle: [1]
Stationär:
Vd ¢t on + (Vd ¡ V0) ¢t of f = 0
V0
TS
1
=
=
Vd
t of f
1¡ D
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Boost-Wandler – Ausgangsspannung
Technische Universität München
Quelle: [1]
¢Q
I 0 ¢D ¢TS
¢ V0 =
=
C
C
V0 D ¢TS
¢ V0 =
¢
R
C
Quelle: [1]
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Simulationsergebnisse Boost
Technische Universität München
Vd = 20 V
D = 0; 7
Quelle: [1]
fS = 2kHz
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fS = 3kHz
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Inverswandler – Einsatzgebiete
Technische Universität München
I
U
Einsatzgebiete:
• Invertierung der Spannung
• Anbindung von Komponenten an ein Netz mit
niedriger/höherer Spannung
• Inverswandler (Buck/Boost-, Cuk-Wandler)
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Buck/Boost – Schaltung
Technische Universität München
Quelle: [1]
Netz A
(z.B. HVBordnetz)
Buck/BoostWandler
Komponente B
(negative
Spannung)
Leistung
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20
Buck/Boost – Zustände
Technische Universität München
Quelle: [1]
1
i L (t) = I Su +
¢Vd ¢t
L
Quelle: [1]
06.07.2010
Grundlagen DC/DC-Wandler
21
Buck/Boost – Zustände
Technische Universität München
Quelle: [1]
1
i L (t) = I So +
¢(¡ V0) ¢t
L
Quelle: [1]
06.07.2010
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22
Buck/Boost – Zustände
Technische Universität München
Quelle: [1]
Stationär:
Vd ¢D ¢TS + (¡ V0)(1¡ D) ¢TS = 0
V0
D
=
Vd
1¡ D
06.07.2010
Grundlagen DC/DC-Wandler
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Buck/Boost – Ausgangsspannung
Technische Universität München
Quelle: [1]
¢Q
I 0 ¢D ¢TS
¢ V0 =
=
C
C
V0 D ¢TS
¢ V0 =
¢
R
C
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Quelle: [1]
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Simulationsergebnisse Buck/Boost
Technische Universität München
Vd = 20 V
f s = 3 kHz
D = 0,35
06.07.2010
Quelle: [1]
Grundlagen DC/DC-Wandler
D = 0,65
25
Cuk – Schaltung
Technische Universität München
Quelle: [1]
Netz A
(z.B. HVBordnetz)
CukWandler
Komponente B
(negative
Spannung)
Leistung
06.07.2010
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Cuk – Zustände
Technische Universität München
Annahme:
vC1 = const
→ C1 groß genug
VC1 = Vd + VO
Quelle: [1]
Quelle: [1]
06.07.2010
Grundlagen DC/DC-Wandler
Diode D leitet
• iL1 und iL2 fließen durch D
• iL1 lädt C1
• iL2 liefert Ausgangsstrom
→ iL1 und iL2 sinken
27
Cuk – Zustände
Technische Universität München
Annahme:
vC1 = const
→ C1 groß genug
VC1 = Vd + VO
Quelle: [1]
Schalter T leitet
• iL1 und iL2 fließen durch T
• C1 überträgt Energie zum Ausgang
und L2
• Energie in L1 wird aufgebaut
→ iL1 und iL2 steigen
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Grundlagen DC/DC-Wandler
Quelle: [1]
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Cuk – Ausgangsspannung
Technische Universität München
Annahme:
vC1 = const
→ C1 groß genug
VC1 = Vd + VO
Vd ¢D ¢TS + (Vd ¡ VC 1)(1 ¡ D ) ¢TS = 0
1
VC 1 =
¢Vd
1¡ D
(VC 1 ¡ V0) ¢D ¢TS + (¡ V0)(1 ¡ D ) ¢TS = 0
1
VC 1 =
¢V0
D
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Grundlagen DC/DC-Wandler
Quelle: [1]
V0
D
=
Vd
1¡ D
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2-Quadranten-Wandler – Übersicht
Technische Universität München
I
U
Einsatzgebiete:
• Bidirektionale Kopplung von zwei Netzen
• Anbindung von Komponenten mit niedrigem
Spannungsniveau an Netz mit höherer Spannung
• Umkehrung des Stromflusses
• Hoch-/Tiefsetzsteller
06.07.2010
Grundlagen DC/DC-Wandler
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Hoch-/Tiefsetzsteller – Schaltung
Technische Universität München
Quelle: [2]
Netz A
(z.B. HVBordnetz)
Hoch-/
Tiefsetzsteller
Netz B
(z.B. NVBordnetz)
Leistung
06.07.2010
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Hoch-/Tiefsetzsteller – Schaltung
Technische Universität München
Quelle: [2]
Netz A
(z.B. HVBordnetz)
Hoch-/
Tiefsetzsteller
Netz B
(z.B. NVBordnetz)
Leistung
06.07.2010
Grundlagen DC/DC-Wandler
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Simulation Hoch-/Tiefsetzsteller
Technische Universität München
UQ = 100 V
E A = 50 V
f s = 2 kHz
Quelle: [2]
06.07.2010
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Simulation Hoch-/Tiefsetzsteller
Technische Universität München
UQ = 100 V
E A = 50 V
f s = 2 kHz
Quelle: [2]
06.07.2010
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Hoch-/Tiefsetzsteller – Anforderungen
Technische Universität München
Grenze bei großen Leistungen, durch
• Langsames Schalten von großen Halbleiterbauelementen
• Große Glättungsinduktivitäten (durch hohen Strom)
• Hohe Ripplestrom-Beanspruchung des Glättungskondensators
Passive Bauelemente sehr kostenintensiv
→ „Silicon instead of Passives“
→ Mehrphasige DC/DC-Steller
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Halbbrücke – mehrphasiger Ansatz
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Uin
Uout
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Mehrphasiger Ansatz
Technische Universität München
Überlagerung des Ripplestroms der einzelnen Phasen
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Mehrphasiger Ansatz – Vor-/Nachteile
Technische Universität München
Vorteile:
Nachteile:
– Geringerer Strom pro Phase
– Gefahr von Ringströmen
– Höhere Taktfrequenz
– Unsymmetrische Aufteilung der
Ströme in den Phasen
– Erhöhung der effektiven
Taktfrequenz durch
Phasenversatz in der PWMAnsteuerung
→ Möglichkeiten der
Symmetrierung:
→ kompakter & günstiger Aufbau
– Serienwiderstände
– Modularer Aufbau möglich
– Zentrale Regelung
– Master-Slave Lösungen
– Magnetisch gekoppelte Spulen
– Fuzzy-Logic
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DC/DC-Wandler – Verluste
Technische Universität München
Ohm‘sche Verluste:
2
PÐ = R ¢I out
Schaltverluste:
PS =
1
¢Uout ¢I out ¢(t 1 + t 2) ¢f S
2
Uin
Durchlassverluste Transistor:
Pr dson = R ds ¢I i2n
Uout
Gate-Ansteuerung:
Pgate = Qgate ¢Ugs ¢f S
Durchlassverluste Diode:
2
Pd = Ud ¢I out + R d ¢I out
Reverse Recovery Diode:
Beispiel: 2Q-Steller
Pr r = (I out ¢t r r + Qr r ) ¢Uin ¢f S
Gesamt: PV = PÐ + PS + Pr dson + Pgate + Pd + Pr r
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Grundlagen DC/DC-Wandler
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Literatur
Technische Universität München
[1] N. Mohan, T. Undeland, W. Robbins,
„Power Electronics – Converters, Applications, and Design“,
3rd Edition, Wiley, 2003
[2] D. Schröder,
„Leistungselektronische Schaltungen – Funktion, Auslegung und
Anwendung“,
2. Auflage, Springer, 2008
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Grundlagen DC/DC-Wandler
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