Bidirektionale Leistungswandler können elektrische Energie in beide Richtungen übertragen. Sie kommen beispielsweise in Batteriespeichern, Lade- und Rückspeisesystemen, DC-Netzen oder industriellen Energiesystemen zum Einsatz.
Welche Topologie dafür am besten geeignet ist, lässt sich jedoch nicht pauschal beantworten. Eine der wichtigsten Fragen bei der Auswahl lautet: Ist eine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang erforderlich oder nicht?
Je nach Anforderung kommen unterschiedliche Wandlertopologien infrage. Einen Überblick über die verschiedenen Möglichkeiten und den technischen Entscheidungsprozess bietet unsere knestronX Übersicht zu Leistungselektronik-Topologien.
Bidirektionaler Hoch-/Tiefsetzsteller
Ist keine galvanische Trennung erforderlich, kann ein bidirektionaler Hoch-/Tiefsetzsteller eine vergleichsweise einfache und effiziente Lösung darstellen.
Die Topologie ermöglicht den Energiefluss in beide Richtungen und kann – abhängig von der Auslegung – Spannungen sowohl hoch- als auch heruntersetzen. Dadurch eignet sie sich beispielsweise für die Kopplung eines Batteriespeichers mit einem DC-Zwischenkreis.
Ein wesentlicher Vorteil liegt im vergleichsweise einfachen Aufbau: Da kein Transformator für die galvanische Trennung erforderlich ist, können Bauteilaufwand, Baugröße und Kosten reduziert werden. Gleichzeitig lassen sich hohe Wirkungsgrade erreichen.
Typische Vorteile:
- bidirektionaler Energiefluss
- Hoch- und Tiefsetzen der Spannung möglich
- hoher Wirkungsgrad
- vergleichsweise geringer Schaltungsaufwand
- kompakter Aufbau möglich
Die Topologie bietet sich insbesondere dann an, wenn die beiden verbundenen Systeme auf demselben elektrischen Bezugspotenzial arbeiten können und keine zusätzliche Isolation gefordert ist.
Welche weiteren Topologien und Kombinationen sich auf Basis der modularen Leistungselektronik realisieren lassen, zeigen wir auf der knestronX Konfigurationsseite.
Dual Active Bridge (DAB)
Ist eine galvanische Trennung zwischen den beiden Seiten erforderlich, ist die Dual Active Bridge eine häufig eingesetzte Topologie für bidirektionale DC/DC-Wandler.
Eine DAB besteht vereinfacht aus zwei aktiven Brückenschaltungen, die über einen Hochfrequenztransformator miteinander gekoppelt sind. Durch die aktive Ansteuerung beider Seiten kann die Leistung gezielt in beide Richtungen übertragen werden.
Der Transformator sorgt dabei nicht nur für die galvanische Trennung. Über sein Übersetzungsverhältnis können auch unterschiedliche Spannungsniveaus aneinander angepasst werden.
Die Dual Active Bridge eignet sich insbesondere für Anwendungen mit höheren Leistungen und hohen Anforderungen an Effizienz, Leistungsdichte und Regelbarkeit.
Typische Vorteile:
- bidirektionaler Energiefluss
- galvanische Trennung
- Anpassung unterschiedlicher Spannungsniveaus
- geeignet für hohe Leistungen
- hohe Leistungsdichte möglich
- gute Regelbarkeit des Leistungsflusses
Demgegenüber stehen ein höherer Schaltungs- und Regelungsaufwand sowie zusätzliche Komponenten gegenüber einer nicht isolierten Lösung.
Welche Topologie ist die richtige?
Eine erste Entscheidung lässt sich häufig bereits anhand der erforderlichen galvanischen Trennung treffen:
Keine galvanische Trennung erforderlich → bidirektionaler Hoch-/Tiefsetzsteller
Galvanische Trennung erforderlich → Dual Active Bridge
Für die tatsächliche Auslegung müssen jedoch weitere Anforderungen des Gesamtsystems berücksichtigt werden. Dazu gehören insbesondere:
- Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich
- erforderliche Leistung
- Verhältnis der Spannungsniveaus
- Wirkungsgrad
- Bauraum und Leistungsdichte
- Kühlkonzept
- Dynamik und Regelungsanforderungen
- Kosten
- Sicherheits- und Isolationsanforderungen
Bei knestronX wird die Topologie deshalb nicht isoliert betrachtet. Die modulare Plattform ermöglicht die Auswahl und Kombination verschiedener Topologien und Systemoptionen entsprechend der jeweiligen Anwendung. Mehr dazu finden Sie unter knestronX – Topologien.
Fazit
Bei bidirektionalen Leistungswandlern gibt es nicht die eine optimale Topologie für jede Anwendung. Entscheidend ist vielmehr, welche elektrischen und systemischen Anforderungen erfüllt werden müssen.
Benötigt die Anwendung keine galvanische Trennung, bietet ein bidirektionaler Hoch-/Tiefsetzsteller häufig eine effiziente und wirtschaftliche Lösung. Muss dagegen eine galvanische Trennung realisiert werden, bietet die Dual Active Bridge insbesondere bei höheren Leistungen eine leistungsfähige Alternative.
Mit knestronX verfolgt KNESTEL einen modularen Ansatz: Standardisierte Leistungsmodule bilden die Basis für unterschiedliche Topologien, Leistungsbereiche und Systemkonfigurationen. Dadurch kann die Leistungselektronik gezielt an Spannungsbereich, Leistung, Isolation, Bauraum und weitere Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst werden.
