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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik bidirektionaler dc/dc wandler


Autor: jedi82 (Gast)
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Guten Abend,

unter welchem Stichwort findet man denn ICs, die mir einen birektionalen 
dc/dc wandler regeln? Ich würde gerne folgendes umsetzen:
Strom speißen auf einem 24V Netz in ein 12V Netz. Vom 12V Netz Strom 
zurück speißen in die 24V Batterie.

Ich würde das gerne weitgehend analog aufbauen und soweit es geht auf 
bestehende Ansteuer-ICs setzen.

Vielen Dank für Tipps!
Jedi

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Beidseitig reglen ? Mit einem Controller, der PWM kann. Ein Mega8 oder 
sowas. Mit einer Halbbruecke als Endstufe sollte das gehen. Der 
Controller muss natuerlich wissen wieviel Leistung er in welcher 
Richtung schaufeln muss.

Autor: ben (Gast)
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yep, sowas geht mit einem buck/boost converter, von der schaltung her 
ein step-down-wandler mit synchrongleichrichtung. diese schaltungen 
können je nach taktverhältnis als step-down oder step-up arbeiten.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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jedi82 schrieb:
> Strom speißen auf einem 24V Netz in ein 12V Netz.
> Vom 12V Netz Strom zurück speißen in die 24V Batterie.
Hört sich irgendwie nach einem Perpetuum Mobile an...
Wie wird die Richtung der Spannungsversorgung umgeschaltet?
Kannst du das mal aufzeichen?


BTW: Die Speise, speisen, Speisung...

Autor: Johannes W. (Gast)
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>Wie wird die Richtung der Spannungsversorgung umgeschaltet?

Man braucht da eigentlich gar nichts umschalten.
Angenommen, man hat ne H-Brücke und taktet die mit 50%. Am Ausgang ne 
Drossel. Das war's dann fast schon.

Wenn man 24V Eingang hat kommen am Ausgang 11.5V raus. Speissst man am 
Ausgang 12V ein, kommen 23.5V am Eingang raus.

Eine Regelung drumrum würde jetzt das PWM noch so nachregeln, dass die 
Leistung in die richtige Richtung "fließt". Ok. Dort könnte man dann die 
Richtung vorgeben.

Autor: Johannes (Gast)
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> unter welchem Stichwort findet man denn ICs, die mir einen birektionalen
> dc/dc wandler regeln?

Wenn Du unsr noch sagst, ob es ein DC/DC-Wandler mit Potentialtrennung 
sein sol oder einfach ein Spannungswandler, bei dem die Masse von 
Eingang und Ausgang die gleiche ist, dann kann man dir vielleicht auch 
einen passenden IC vorschlagen.

Interessant wäre natürlich auch noch, wie groß die Leistung sein soll.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Johannes W. schrieb:
> Wenn man 24V Eingang hat kommen am Ausgang 11.5V raus.
> Speissst man am Ausgang 12V ein, kommen 23.5V am Eingang raus.
Eine Zeichnung, bitte....  :-o


BTW:
> Speissst
Lothar Miller schrieb:
>> BTW: Die Speise, speisen, Speisung...

Autor: Johannes W. (Gast)
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>Eine Zeichnung, bitte....  :-o
Links Eingang (24V), rechts Ausgang (12V).
beide Mosfets werden invertiert angesteuert.

Autor: Johannes W. (Gast)
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Nachtrag: Ist keine H-, sondern eine Halbbrücke.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Das würde bei entsprechender Ansteuerung der Transistoren sogar klappen, 
allerdings kann dann von links nach rechts jede beliebige 
Ausgangsspannung zwischen 0 und <24V und von rechts nach zwischen 12
und >>24V erzeugt werden. Denn vlnr ist es ein Step-Down, vrnl ist es 
ein Step-Up Wandler.

Allerdings wird die lastabhängige Regelung eine anspruchsvolle 
Aufgabe...

Autor: jedi82 (Gast)
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Hallo,

danke für die vielen Antworten!

Eine Potentialtrennung ist nicht erforderlich.
Die angestrebte Peakleistung ist 3kW.

Gruß,
Jedi

P.S.: Danke für die Nachhilfe. War wohl schon etwas spät ;)

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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jedi82 schrieb:
> Die angestrebte Peakleistung ist 3kW.
Bei 12V --> um die 250A?  :-o
Sportlich...

Das bekommst du auf diese "billige" (Step-Up und Step-Down) Art nicht 
mehr hin, dazu brauchst du irgend ein leistungsfähiges Konzept 
(mehrphasiger Wandler, Gegentaktwandler...).

Autor: Michael O. (mischu)
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Eine Spannungsregelung von Eingang und Ausgang ist garnicht möglich 
und in der Praxis auch nicht sinnvoll!

Beispiel:
Du regelst einen Verbraucher auf 12V aus. Dann stellt sich die 
Eingangsspannung aufgrund der Leerlaufspannung der Quelle plus 
Innenwiderstand ein. Sie bricht meinetwegen auf 23V zusammen. Was machst 
Du nun? Durch Reduktion der Stromaufnahme wäre eine Ausregelung auf 24V 
möglich, das geht aber nur auf Kosten einer reduzierten 
Ausgangsspannung.

Eigentlich reicht es einen Buck/Boost Wandler auf 12V Ausgangsspannung 
aufzubauen. Der regelt nämlich auf eine konstante Sekundärspannung, der 
Stromfluss ergibt sich durch die angeschlossene Last.
Ist die Last ein Verbraucher, muss der Strom von Eingang zum Ausgang 
fließen um die Ausgangsspannung aufrecht zu erhalten. Ist ein Generator 
angeschlossen, muss dieser durch den BuckBoost belastet werden, damit 
die Spannung nicht über 12V steigt.

Hab das mal für 120kW aufgebaut und funktioniert prima.

Autor: jedi82 (Gast)
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Michael O. schrieb:
> Ist die Last ein Verbraucher, muss der Strom von Eingang zum Ausgang
> fließen um die Ausgangsspannung aufrecht zu erhalten. Ist ein Generator
> angeschlossen, muss dieser durch den BuckBoost belastet werden, damit
> die Spannung nicht über 12V steigt.

Und dieses Verhalten ergibt sich bei einem Buck/Boost Converter 
automatisch?
Welchen IC hast Du zur Ansteuerung der IGBTs verwendet? 120kW klingt 
interessant ;) Wie groß ist der Aufbau geworden, wie hast Du die 
Stromschienen realisiert? Hast Du das Abstrahlverhalten analysiert?

Gruß
Jedi

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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>> damit die Spannung nicht über 12V steigt.
>> Hab das mal für 120kW aufgebaut und funktioniert prima.
10 kilo Ampere?
> 120kW klingt interessant ;)
Ja, meine ich auch...

Autor: Michael O. (mischu)
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Mit sowas meine ich "bidirektionalen DC/DC-Wandler".

Eingang: ca. 850Vdc
Ausgang: 20 .. 650V  max 600A  max 120kW
Dreiphasige IGBT - Module

Ist wohl schon ein kompletter Schrank geworden.
Ansteuerung mit eigenem DSP-System.
Stromschienen im Zwischenkreis 10 x 50 mm  Kupfer
Ausgangsseitig 120 mm² bzw. 2x120 mm²

Abstrahlen tut da eine Menge :)  Ist ein Unikat geworden.

Autor: Johannes (Gast)
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> Eine Potentialtrennung ist nicht erforderlich.
> Die angestrebte Peakleistung ist 3kW.

Du solltest vielleicht doch noch etwas über die Anwendung erzählen:

Sind die beiden Netze mit einer Batterie gepuffert, liegt also sowohl 
12V als auch 24V dauerhaft an? Oder gibt es ein Netz mit einer Batterie 
und das andere Netz wird daraus erzeugt?

Wenn beide Netze eine Batterie haben, dann ist die Spannung auf beiden 
Seiten vorgegeben, es muss also nur ein Strom geregelt werden. Das ist 
dann eine relativ einfache Lösung. Der Strom-Sollwert muss so vorgegeben 
werden, dass nicht eine Batterie zu voll oder zu leer wird.

Wenn nur auf einer Seite eine Batterie (oder eine andere 
Spannungsquelle) ist, dann muss für die andere Seite auch noch die 
Spannung geregelt werden. Dazu sind dann zwei Regelkreise notwendig.

Du solltest Dir außerdem noch überlegen, von welcher Seite die Schaltung 
versorgt werden soll. Wenn man zwei Batterien hat, kann es vielleicht 
mal passieren, dass eine der beiden leer ist. Wenn die Schaltung auch 
dann noch funktionieren muss, dann sollte die Spannungsversorgung von 
der anderen Batterie genommen werden.

Die Schaltung von Johannes W. ist dafür geeigent, für die hohe Leistung 
würde ich das aber mehrphasig (z.B. 3 Phasen mit jeweils 120° 
Phasenverschiebung) aufbauen. Ein großes Problem dabei ist, dass bei 
einem Kurzschluss auf der 24V-Seite der Strom über die Body-Dioden nicht 
begrenzt werden kann. Deshalb müssen auf jeden Fall Sicherungen 
vorgesehen werden und evtl. noch Leistungs-Relais, um die Batterie 
abzutrennen.

Autor: jedi82 (Gast)
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Die Schaltung von Johannes gefällt mir auch wegen der Einfachheit, 
allerdings wäre es nicht schlecht, wenn es einen IC gäbe, der sich um 
die Ansteuerung der beiden Leistungsschalter kümmern würde (Eventuell 
mit Vorgabe von Sollspannung / Maxstrom per SPI Interface.

Nach welchen Randbedingungen muss ich meine Spule wählen? Bzgl. gibt es 
konkrete Bauteilempfehlungen bspw. von Farnell?

Gruß,
Jedi

Autor: Michael O. (mischu)
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Bzgl All-In-On Steuerung: Es handelt sich hier um kein digitaltechnik 
Projekt bei dem man mehr oder weniger schlecht eine SPI-Leitung an einen 
uC fummeln kann. Das Projekt ist schon advanced und erfordert gute 
Grundlagenkenntnisse. Die größten Probleme wirst du sicher nicht mit der 
Schaltungstechnik sondern mit parasitären Effekten bekommen.

Zum Architektur: Ich würde dir stark zu einem mehrphasigen Aufbau raten. 
Dann werden die Spulen auch klein und bezahlbar.

Zur Spule: Das wird einphasig ein ziemlicher Trümmer. Ich nehme mal an 
Du hast 100kHz Schaltfrequenz, 250A mittlerer Strom, 12V 
Ausgangsspannung. Da wird was im Bereich 3 .. 8 uH fällig, mit 250A dc 
Strom. Dazu sollte noch genug Reserve eingebaut sein, dass bei einem 
kurzen Überstrom nicht gleich die Sättigung erreicht wird.
Diese hier kann nur 90A:
http://de.farnell.com/epcos/b82506w0000a009/choke-...

Autor: Dogbert (Gast)
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Hallo galaktischer Ritter,

Die Schaltung von Johannes hab auch ich praktisch, für Kleinleistung, im 
Einsatz.

Was du bekommst ist ein "Transformator für Gleichspannung".

Durch die Schalttransistoren und Induktivität etc. hat dieser auch einen 
Innenwiderstand und "DC-Streuinduktivität", also eine nicht ideale 
Kopplung zwischen den beiden Seiten.

Erzeuge also eine fixe Pulsbreite die das Übersetzungsverhältnis der 
Spannungen 1/x vorgibt, also 50% für 2:1.

Diese Pulsbreite nur nichtlinear mit dem Strom geregelt ändern.

Überschreitet der Strom in die Ausgangsseite einen Grenzwert, muß die 
Pulsbreite reduziert werden.
Übeerschreitet der Strom in die Eingangsseite einen Grenzwert, muß die 
Pulsbreite erhöht werden.

Die "normale" Pulsbreite ist wie gesagt das Übersetzungsverhältnis.

Hier sind die Grenzfälle Ausgangsspannung negativ und höher als 
Eingangsspannung zu beachten.

Ob es dafür einen fertigen Baustein gibt? Vielleicht, aber bis du den 
gefunden und dann eindesignt hast kannst du es vielleicht mit ein paar 
Opamps und einem Komparator so wie ich es tat schneller und billiger 
lösen.

Also einen TLC372 doppel Komp. als Oszillator und PWM, einen LM324 für 
die Zwei Strom-Regelverstärker und die FET Treiber.

Parallelschalten solcher "DC-Trafos" ist nicht zu empfehlen, denn 
leichte Streuungen im Übersetzungsverhältnis führen schnell zum 
maximalen Strom zwischen den dann jeweils gegeneinander Arbeitenden 
Wandlern und damit zu maximaler Verlustleistung auch ohne 
Energieübertragung zwischen Ein- und Ausgang also schlechtem 
Wirkunsgrad.

Hier ist eine weitere Regelung zu empfehlen die "Zirkelströme" zwischen 
den "DC-Trafos" ausregelt.

Also eine Regelung die den Stromfluss der parallelgeschalteten Wandler 
einem "Master" angleicht also das Übersetzungsverhältnis der "Slaves" 
dem "Master" angleicht.

Dann könnte es noch sein dass du die "Streuinduktivität und den 
Innenwiderstand" des "DC-Trafos" also die "Härte" der Kopplung bis zur 
Strombegrenzung noch regeln willst, und so ein LM324 hat ja 4 Opamps!

Autor: .. (Gast)
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Ich würde eine serienresonante Topologie bei Resonanzfrequenz verwenden- 
mit Synchrongleichrichter kannst du in beide Richtungen Energie 
übertragen.

such mal nach "sine amplitude converter"

Autor: Dieter Werner (dds5)
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Dummerweise ist diese Drossel wegen des Eisenkerns nicht für die 
geplante Anwendung geeignet.

Autor: Michael O. (mischu)
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.. schrieb:
> Ich würde eine serienresonante Topologie bei Resonanzfrequenz verwenden-
> mit Synchrongleichrichter kannst du in beide Richtungen Energie
> übertragen.

Serienresonante Topologien sind was die synchrone Gleichrichteung angeht 
deutlich aufwändiger. Wenn man zum falschen Zeitpunkt die Schalter 
betätigt, gibt es gleich mehr Verluste.
Zusätzlich muss ein fetter Kondensator in den Zweig eingebaut werden, 
der die 250A bei niedriger Spannung transportiert => groß und teuer.
Außerdem hat man nahe der Resonanz noch fette Spannungsüberhöhungen und 
muss die Bauteile (Kondensator) für eine hohe Spannungsfestigkeit 
auswählen....

Gerade hier macht meiner Meinung nach eine resonante Topologie nicht 
viel Sinn :(

Autor: Michael O. (mischu)
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Dieter Werner schrieb:
> Dummerweise ist diese Drossel wegen des Eisenkerns nicht für die
> geplante Anwendung geeignet.

Sie ist allein schon von der Strombelastung nicht geeignet.
Es sollte ihm eine Vorstellung des Bauvolumens geben.

Für die Anwendung wird er um eine Eigenkonstruktion nicht herumkommen.

Autor: jedi82 (Gast)
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Wow. Ich bin begeistert von der Beteiligung an dem Thema. Vielen lieben 
Dank erstmal an alle.

Bzgl. Verwendung mehrerer Phasen: Bedeutet das nicht eigentlich, dass 
ich mehrere solcher DC Trafos parallel schalte? Kann mir schon gut 
vorstellen wie die beiden Regler mit Schwebungen gegeneinander arbeiten.

Mein aktuelles Gefühl sagt mir, dass ich das Gerät mit relativ teueren 
Komponenten (Spule, Kondensatoren) aufbauen muss. Dabei werde ich die 
Komponenten weitgehend überdimensionieren. Eine wirklich harte 
Kostenoptimierung ist nicht nötig, da es voraussichtlich ein Einzelstück 
bleibt, und sowohl in Bezug auf Gewicht und Kosten kein Killerkriterium 
besteht.

Bzgl. Topologie würde ich mich aus jetziger Sicht für den oben stehenden 
Aufbau von Johannes entscheiden.

Bleibt noch die offene Frage ob IGBTs oder MOSFETs. Ich tendiere ja 
aktuell eher zu einer Parallelschaltung von ca. 5-6 MOSFETs (55V, 120A 
Typen, jeweils pro LS/HS).

Bzgl. Schaltfrequenz. Gibt es Literatur bzw. Publikationen die 
Untersuchungen zur optimalen Schaltfrequenz beschreiben?

Gruß,
Jedi

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  jedi82 (Gast)

>Bzgl. Verwendung mehrerer Phasen: Bedeutet das nicht eigentlich, dass
>ich mehrere solcher DC Trafos parallel schalte?

Quasi.

> Kann mir schon gut
>vorstellen wie die beiden Regler mit Schwebungen gegeneinander arbeiten.

Nix Schwebung, die laufen phasenversetzt und synchron.

>Mein aktuelles Gefühl sagt mir, dass ich das Gerät mit relativ teueren
>Komponenten (Spule, Kondensatoren) aufbauen muss.

Willst du denn 3KW Wandler für 9,99 bei Aldi?

Mein Gefühl sagt mir, dass dieses Projekt ne Nummer zu groß für dich 
ist. ;-)

>Kostenoptimierung ist nicht nötig, da es voraussichtlich ein Einzelstück
>bleibt, und sowohl in Bezug auf Gewicht und Kosten kein Killerkriterium
>besteht.

Dann kauf es fertig von einem Profi. Das ist 10mal billiger und 
schneller, als du es je hinkriegen wirst.

>Bleibt noch die offene Frage ob IGBTs oder MOSFETs.

MOSFET.

http://www.mikrocontroller.net/articles/Transistor...

MfG
Falk

Autor: jedi82 (Gast)
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Falk Brunner schrieb:
>>Mein aktuelles Gefühl sagt mir, dass ich das Gerät mit relativ teueren
>>Komponenten (Spule, Kondensatoren) aufbauen muss.
>
> Willst du denn 3KW Wandler für 9,99 bei Aldi?

okay das kann man auch so auffassen. war aber nicht so gemeint. Geld 
spielt keine große Rolle: Zitat:

>Eine wirklich harte
>Kostenoptimierung ist nicht nötig, da es voraussichtlich ein Einzelstück
>bleibt, und sowohl in Bezug auf Gewicht und Kosten kein Killerkriterium
>besteht.

Bzgl. Spule spricht etwas dagegen die Spule selbst zu wickeln?
Bsp.: 6cm Durchmesser, 8mm² Kupferdraht auf Plastikkern, 12 Windungen, 
ca. 6cm länge. -> ca. 3,8µH.

Grüße!

Autor: oszi40 (Gast)
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>8mm² Kupferdraht auf Plastikkern
Bei wieviel Grad in der Speisekammer?

Selbst wenn Deine Schaltung später schööön aussieht, kann der Aufbau 
noch ein Fiasko werden.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  jedi82 (Gast)

>Bzgl. Spule spricht etwas dagegen die Spule selbst zu wickeln?

Ja, mangelnde Kenntnisse und Erfahrung ;-)

>Bsp.: 6cm Durchmesser, 8mm² Kupferdraht auf Plastikkern, 12 Windungen,
>ca. 6cm länge. -> ca. 3,8µH.

Ich behaupte mal, dass man 8mm^2 Kupferdraht für sowas nicht haben will, 
weil a) viel zu dick und damit schlecht wickelbar, Skineffekt, Kühlung 
etc. Für so ein Großkaliber an Spule nimmt der Profi wahrscheinlich 
Litze, oder mehrere dünne Drähte parallel oder gar dicke Kupferfolie. 
Bin kein Schaltnetzteilprofi. Für ein paar Grundlagen empfehle ich die 
Artikel Transformatoren und Spulen sowie Spule.

MFG
Falk

P S Nicht falsch verstehen. Wenn es dir um den Lerneffekt geht und du 
"nur" eine Herausforderung zum Basteln sucht, mach mal. Im 
(semi)professionellen Umfeld aber der falsche Ansatz. Wenn man etwas 
schell und preiswert (nicht billig!) haben will, muss man es einen Profi 
machen lassen.

Autor: jedi82 (Gast)
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Ich versteht schon die Bedenken. Und Erfahrung hab ich auch keine im 
Spulenbau, aber wenn Du den Skineffekt ansprichst verstehe ich was Du 
damit meinst. Damit der Spulenstrom nicht nur an der Oberfläche der 
Leitungen fließt nehme ich also mehrere isolierte Drähte als Strang. 
Prima.

Also entweder ich suche mir einen Hersteller, der Spulen in meiner 
Leistungsklasse baut, oder ich wickle selbst. Für beide Varianten kann 
ich Tips gebrauchen.

Gruß,
Jedi

Autor: jedi82 (Gast)
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Hab hier ne schöne Spule gefunden:

http://www.coilws.com/index.php?main_page=index&cP....

Autor: oszi40 (Gast)
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Glaube nicht, daß bei Deinem Kenntnisstand der erste Versuch gleich ein 
toller Erfolg sein wird. Also auch Lieferzeiten für Nachschub erkunden! 
Besser wären flinke Lieferanten um die Ecke.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  jedi82 (Gast)

>Also entweder ich suche mir einen Hersteller, der Spulen in meiner
>Leistungsklasse baut, oder ich wickle selbst. Für beide Varianten kann
>ich Tips gebrauchen.

Das WICKELN ist das zweite Problem. Das erste ist das Berechnen, 
Dimensionieren und Ausmessen ;-)

MFG
Falk

P S Was hast du auf dem Gebiet Schaltnetzteil bisher gebaut? Bevor du 
nicht wenigstens einen 100W Wandler solide SELBER berechnet und 
aufgebaut hast, brauchst du dir über dein Superprojekt KEINE Gedanken zu 
machen.

Autor: jedi82 (Gast)
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Ich habe zwei Jahre lang einen 1,5kW Pulswechselrichter zur 
sinusförmigen Ansteuerung von büstenlosen motoren entwickelt (Hard- & 
Software).

Grüße!

Autor: Falk Brunner (falk)
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@jedi82 (Gast)

>Ich habe zwei Jahre lang einen 1,5kW Pulswechselrichter zur
>sinusförmigen Ansteuerung von büstenlosen motoren entwickelt (Hard- &
>Software).

Fällt mir ein wenig schwer dass mit einigen deiner Aussagen in Einklang 
zu bringen.

Autor: jedi82 (Gast)
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Ich hab mein Lehrgeld def. bezahlt bis der Wechselrichter sauber 
funktioniert hat.

Und ich hab hier im Forum gelernt, dass "man besser geholfen wird", wenn 
man nicht gleich mit maximaler Arroganz bzw. Selbstdarstellung vom Leder 
zieht.

Also mal sehen was raus kommt bei dem Projekt. Danke für Erste für die 
hilfreichen Beiträge.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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jedi82 schrieb:
> büstenlosen motoren
Brutal... ;-)

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