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MA – Gemeinsamer Zwischenkreis von zwei im Interleaved-Betrieb arbeitenden Dual-Active-Bridge Wandlern

Untersuchungen zur optimalen Auslegung des gemeinsamen Zwischenkreises von zwei im Interleaved-Betrieb arbeitenden Dual-Active-Bridge Wandlern

Kurzzusammenfassung

Im Rahmen dieser Arbeit werden grundlegende Untersuchungen zur optimalen Auslegung des Zwischenkreises von zwei im Interleaved-Betrieb arbeitenden Dual-Active-Bridge Wandlern unter Berücksichtigung der EMV-Anforderungen und des Bauvolumens durchgeführt. Dabei werden lediglich leitungsgeführte Gegentakt-Störemissionen betrachtet, da alle anderen Emissionen stark von der Auslegung und des Aufbaus des Gesamtsystems abhängen. Für eine beispielhafte Auslegung wird dabei ein zweiphasiger DAB-Wandler im Interleaved-Betrieb mit einer Gesamtleistung von 100 kW bei einer Ein- und Ausgangsspannung von 800 V angenommen.
In LTspice wird zunächst der Interleaved-Betrieb der DAB aufgebaut und die verschiedenen Modulationsverfahren einer DAB simuliert, um für die Auslegung des Filters die maximale Wechselstrombelastung zu ermitteln. Neben der Zeitbereichssimulation in LTspice wird die Auslegung des Filters im Frequenzbereich mit Matlab betrachtet. Bei der Betrachtung verschiedener LC-Filtervarianten wird sowohl die Einhaltung der EMV-Störspannungsgrenzwerte als auch das minimale Filter-Bauvolumen berücksichtigt. Die ermittelten Filterbauelemente werden schließlich in LTspice implementiert. Zur abschließenden Überprüfung wird die an der Netzimpedanz abfallende Funkstörspannung mit den Grenzwerten der EMV-Norm verglichen. Nach einer Erweiterung um die wesentlichen parasitären Elemente der Zwischenkreiskomponenten wird deren Einfluss auf die leitungsgebundenen Störungen untersucht.
Mit den ermittelten Werten des Filters mit minimalem Bauvolumen werden anschließend verschiedene Aufbaumöglichkeiten des Kondensators untersucht und die Filterdrossel ausgelegt. Es wird der Einfluss der Zuleitungsinduktivitäten der beiden DABs zum Zwischenkreis als auch der Leitungsinduktivitäten zwischen den parallel geschalteten Kondensatoren der Kondensatorbank auf die Einhaltung der Störspannungsgrenzwerte betrachtet. Ein möglicher Aufbau des Zwischenkreises wird vorgestellt und eine Verlustberechnung des realisierten Zwischenkreises durchgeführt.
Zuletzt wird der Teillast-Betrieb einer DAB hinsichtlich der Einhaltung der Störspannungsgrenzwerte betrachtet.

Abstract

Within the scope of this thesis, fundamental investigations for the optimal design of the DC link of two Dual-Active-Bridge converters working in interleaved operation are carried out. The focus of the investigations were EMC requirements and minimum construction volume. Only conducted differential mode emissions are considered, since all other emissions depend strongly on the design and construction of the overall system. For an exemplary design, a two-phase DAB converter in interleaved operation with a total power of 100 kW and an input and output voltage of 800 V is assumed.
In LTspice, interleaved operation of the DAB is first built up and various modulation procedures of a DAB are simulated in order to determine the maximum alternating current load for the design of the filter. In addition to the time domain simulation in LTspice, the design of the filter in the frequency domain with Matlab is considered. When considering different LC filter variants, both compliance with the EMC limit values and minimum filter volume are considered. The filter components determined are then implemented in LTspice and for the final check the radio interference voltage at the line impedance is compared with the limit values of the EMC standard. After an extension by the essential parasitic elements of the intermediate circuit components, their influence on the conducted interferences is investigated.
Using the values determined for the filter with a minimum construction volume, various options for designing the capacitor are investigated and the filter choke is designed. The influence of the line inductances of the two DABs to the DC link and the line inductances between the capacitors of the capacitor bank connected in parallel on compliance with the EMC limit values is examined. A feasible design of the DC link is presented and a loss calculation of the realized DC link is carried out.
Finally, the partial load operation of a DAB is considered with regard to compliance with the EMC limit values.

Bearbeiterin: Stefanie Büttner

Betreuer: Dipl.-Ing. Thomas Eberle, Akademischer Rat

Für Studienfächer: EEI, Mechatronik, Energietechnik

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März