BA – Flying-Cap Topologie als Boost-Converter für Brennstoffzellenapplikationen

Untersuchung der Flying-Cap Topologie als Boost-Converter für Brennstoffzellenapplikationen

Kurzzusammenfassung

Klassische Brennstoffzellen benötigen einen Hochsetzsteller, um die Ausgangspannung zu verstärken und zu stabilisieren. Eine Standardschaltung hierfür ist der klassische Hochsetzsteller. Eine weitere relativ neue Hochsetzstellerschaltung ist der Hochsetzsteller mit fliegendem Kondensator. In dieser Arbeit wird der Hochsetzsteller mit fliegendem Kondensator mit dem klassischen Hochsetzsteller verglichen. Dazu wird eine grundlegende Untersuchung und Beschreibung der Funktionsweise und der elektrischen Eigenschaften beider Konvertertypen durchgeführt. Es werden Formeln für die Spannungsverstärkung, die Effektivströme und den Spulenstromrippel beider Konvertertypen hergeleitet. Zudem werden Parameter wie Baugröße, Verluste, Kosten und Gewicht beider Konvertertypen untersucht und miteinander verglichen. Für diesen Vergleich wird ein Betriebsbereich mit 100 A Eingangsstrom, einer variablen Eingangsspannung von 10 V bis 790 V und einer konstanten Ausgangsspannung von 800 V festgelegt. Anschließend werden konkrete elektrische Bauelemente für beide Konvertertypen ausgewählt. Mit den Bauteilwerten werden die elektrischen Verluste, die Größe und das Gewicht des klassischen Hochsetzstellers und des Hochsetzstellers mit fliegendem Kondensator berechnet und miteinander verglichen.

Abstract

Classical fuel cells require a boost converter to amplify and stabilize the output voltage. A standard circuit for this is the classic boost converter. Another relatively new boost converter circuit is the flying capacitor boost converter. In this paper, the flying capacitor boost converter is compared with the classical boost converter. For this purpose, a basic study and description of the functionality and electrical characteristics of both types of converters is carried out. Formulas for the voltage gain, the rms currents and the inductor current ripple of both converter types are derived. In addition, parameters such as size, losses, costs and weights of both types of circuits are investigated. For this comparison, an operating range with 100 A input current, a variable input voltage of 10 V to 790 V, and a constant output voltage of 800 V is specified. For this range, specific electrical components are selected for both converter types. Using the respective component values, the electrical losses, the size and the weight of the classic boost converter and the flying capacitor boost converter are calculated and compared.

Bearbeiter: Maximilian Spitz

Betreuer: Stefan Matlok (Fraunhofer IISB) – Telefon: 09131-761176; Email: Stefan.Matlok@iisb.fraunhofer.de;

Für Studienfächer: EEI, Mechatronik, Energietechnik

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März