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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Topologie Wechselrichter 12 V


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Autor: abcd (Gast)
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Ich bin mir nicht sicher ob ich hier jemanden finde der Erfahrung auf 
dem Gebiet hat, vielleicht hat ja auch jemand hier schon mal etwas 
ähnliches gebaut. Ich plane derzeit den Bau eines Wechselrichters von 12 
V DC auf 400 V AC (Drehstrom), Leistung ca. 5 kW. Eine entsprechende 
Spannungsquelle habe ich, Zugriff auf entsprechende Messtechnik/Labor 
ebenfalls und einige Erfahrung im Bau von Konvertern mit > 5 kW Leistung 
auch.

Die Grundstruktur ist klar, ich benötige eine Stufe die die DC Spannung 
von 12 V auf ca. 650 V hochsetzt, diese wird anschliessend auf eine 3 
phasige Inverterbrücke gegeben. Inverterstufe und Ausgangsfilter sind 
kein Problem, schwieriger ist die Frage nach der optimalen Topologie für 
die DC/DC Stufe. Aufgrund des hohen Eingangsstromes ist es zweckmässig 
den DC/DC Wandler auf mehrere Konverter aufteilen - ich dachte da an 
Einzelstufen mit ca. 1 kW Leistung. Wesentlich mehr wird aufgrund der 
grossen Ströme (und der damit einhergehenden Proximityverluste) vor 
allem in den Transformatoren und PCBs wohl sehr ungemütlich.

Es stellt sich nun die Frage welche Konvertertopologie am besten für 
diese Aufgabe geeignet ist, wobei das Hauptproblem vor allem die Kosten 
sind. Erfahrung habe ich bis jetzt vor allem mit 
Serienresonanzkonvertern und der Dual-Active Bridge gemacht, in beiden 
Fällen waren die Leistungen zum Teil deutlich höher, die Ströme aber 
deutlich kleiner. Beide Konverter wären zwar prinzipiell geeignet, 
erscheinen mir aber für meine Aufgabe zu komplex und zu teuer. 
Wesentlich mehr als 1000 € möchte ich nicht ausgeben müssen.

In kommerziellen Produkten werden (soweit ich das gesehen habe) fast 
ausschliesslich mittelpunktsgespeiste Gegentaktwandler mit passiver 
Gleichrichtung auf der Ausgangsseite eingesetzt. Das erscheint mir bis 
jetzt die einfachste Lösung, daran stört mich zwar die schlechte 
Ausnützung der Transformators und dass ich zwingend einen Snubber auf 
der Primärseite benötige um die Energie der Streuinduktivität 
abzufangen.

Vielleicht kennt ja jemand hier einen Konvertertyp der gut für die 
Aufgabe geeignet wäre?

Autor: ichbin (Gast)
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Und wo willst Du die grob überschlagenen 450A Dauerstrom hernehmen?

ichbin

Autor: Al3ko -. (al3ko)
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Hi,
schönes Projekt!
Ich weiß nicht, wie die Topologien auf Deutsch heißen. Für einen 
ähnlichen Fall hat ein ehemaliger Doktorand einen "isolated Phase shift 
boost converter" gebaut und optimiert.

Im Prinzip dieselbe Topologie wie Dual Active Bridge, aber mit der 
Induktiv im DC Zweig anstelle im AC Zweig.

Ich finde DAB converter ziemlich nice aufgrund des ZVS und dass man die 
Streuinduktivität des Trafos ausnutzen kann.

Nachteil:
Unheimlich hohe AC Ströme.

Ich würde es auf 3 DAB aufteilen, und die Drossel so designen, dass du 
ZVS hast. Ferner würde ich einen "magnetic Shunt" einfügen, um die 
Streuinduktivität des Trafos zu erhöhen. Spart Platz, falls das ein 
Kriterium ist.

Gruß,

: Bearbeitet durch User
Autor: Al3ko -. (al3ko)
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Habe nochmal darüber nachgedacht. Ggf. wäre ein dreiphasiger DAB eine 
Alternative anstelle drei einzelner DAB.

Gruß,

Autor: milton crewman (Gast)
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Sorry, für so hohes Übersetzungsverhältnis kann ich kaum etwas sagen. 
Den/die von Al3ko genannten Wandlertypen kenne ich gar nicht... habe 
keinen Zugang zu IEEE o. ä. Trotzdem versuche ich mal, einige 
möglicherweise sinnvolle Fragen zu stellen:

Sind es denn eher ca. 10 VDC bis max. 14,X VDC, oder tatsächlich 
geregelte 12 VDC? Welche Last genau ist denn da im Spiel? Ist die 
vielleicht sogar weitestgehend konstant, oder welche Charakteristik hat 
sie?

1000€ sind das Budget... für die DC-DC Stufe alleine, den gesamten WR, 
oder davon soll auch noch die Last (ein Motor?) bezahlt werden?

Gibt es bedeutsame Platzeinschränkungen, oder käme man mit relativ 
niedriger Leistungsdichte auch zurecht? Wie wichtig ist Effizienz - und 
(siehe oben Lastcharakteristik) bei welcher Ausgangsleistung sollte 
diese vielleicht optimiert werden?

Könnte alles Einfluß auf die Wahl von Topologie und genauer Ausführung 
haben. Ich habe z.B. vor wenigen Jahren mit verblüffend wenig Budget 
(obwohl wir zu dritt waren) ebenfalls einen Multi-kW Transverter gebaut.

Nach einiger Rechnerei kam die (weitaus) billigste Lösung dadurch 
zustande, erst mal Ausschau nach diversen, günstig beschaffbaren indukt. 
BE zu halten.
Die genaue Schaltfrequenz (und was davon so alles abhängt) richtete sich 
auch danach... ja, ein ungewöhnlicher Ansatz, doch erfolgreich.

Auch Dir selbiges - viel Erfolg!

Autor: Dergute W. (derguteweka)
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Moin,

Vorneweg: Ich hab keine Ahnung von dicken DC/DC WAndlern.

abcd schrieb:
> In kommerziellen Produkten werden (soweit ich das gesehen habe) fast
> ausschliesslich mittelpunktsgespeiste Gegentaktwandler mit passiver
> Gleichrichtung auf der Ausgangsseite eingesetzt.

In allen dicken Autoendstufen, die ich bisher gesehen hab' war das die 
Wandlertopologie der Wahl. Die sind von der Leistung her wenigstens in 
der Naehe von den Dingern die du haben willst.

Kann mir nicht vorstellen, dass irgendwelche Vollbruecken da was 
reissen, denn dann gibts 2x Spannungsabfall an den Leistungshalbleitern, 
was bei 12V Eingangsspannung und den entsprechenden Stroemen ganz 
schnell arg auf den Wirkungsgrad geht.

Gruss
WK

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Dergute W. schrieb:
> In allen dicken Autoendstufen, die ich bisher gesehen hab' war das die
> Wandlertopologie der Wahl. Die sind von der Leistung her wenigstens in
> der Naehe von den Dingern die du haben willst.

Jepp, auch in meinem alten WR mit 1,5kW wirds so gemacht. Die Kiste 
läuft allerdings direkt mit 50Hz und der Trafo ist deswegen ein Monster 
- wird aber wenigstens auch zum Laden der 12V Batterien benutzt.
5kW ist allerdings nochmal eine andere Hausnummer und da wird schon die 
Verdrahtung zu einem Spass mit viel, sehr viel Kupfer.

Autor: Al3ko -. (al3ko)
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Hi,
mich würde die gezielte Topologie sehr interessieren. Mag jemand bitte 
ein Schaltbild vom Mittelpunkt gespeisten Gegentaktwandler posten?

Bei Google komme ich lediglich auf diesen einen Beitrag bei uC wenn ich 
"mittelpunktsgespeiste Gegentaktwandler" suche.

Wenn ich Gegentaktwandler suche, bekomme ich diverse verschiedene 
Topologien (die sich alle. ähneln, aber im Detail doch unterschiedlich 
sind).


PS:
Sorry, falls ich hierbei ein wenig unselbstständig rüber kommen sollte. 
Mein Vokabular in Leistungselektronik ist wirklich sehr aufs Englische 
beschränkt.

Gruß,

Autor: Der Andere (Gast)
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Was ich hier nicht so ganz verstehe. Bei den Strömen kann man eigentlich 
davon ausgehen, daß da nicht mur ein Bleiakku benutzt wird, der wäre 
nämlich ziemlich schnell am Ende.
Wenn man aber mehrere hat, kann man die nicht in Reihe schalten? 24 oder 
48V wären deutlich freundlichen zu handhaben bei dieser Leistung.

Autor: Dergute W. (derguteweka)
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Moin,

Al3ko -. schrieb:
> Mag jemand bitte
> ein Schaltbild vom Mittelpunkt gespeisten Gegentaktwandler posten?

Also ich mein' so einen Apparat:

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/30/Gegentaktwandler_parallelspeisung.svg

Gruss
WK

Autor: der schreckliche Sven (Gast)
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Dergute W. schrieb:
> Kann mir nicht vorstellen, dass irgendwelche Vollbruecken da was
> reissen, denn dann gibts 2x Spannungsabfall an den Leistungshalbleitern,

Na, dann schau Dir mal den da an: IPT004N03

Vollbrücke bringt halbe Verlustleistung in der Primärwicklung.
Geringere Schaltverluste, weil die Spannungsspitze beim Schalten 
entfällt und daher die Spannung am Mosfet weniger als die Hälfte 
beträgt.

Autor: R. M. (Gast)
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Dergute W. schrieb:
> Kann mir nicht vorstellen, dass irgendwelche Vollbruecken da was
> reissen, denn dann gibts 2x Spannungsabfall an den Leistungshalbleitern,

Dafür hat die (jeweils halbe) Primärwicklung nur den halben Querschnitt 
und damit den doppelten Spannungsabfall. Bei den genannten 
Autoendstufen, wird wohl der Preis für die halbe Menge 
Leistungshalbleiter den Ausschlag gegeben haben, Wirkungsgrad ist dort 
wohl eher nebensächlich.
Ich würde mich über die, in den Snubbern verheizte Streufeldenergie, die 
in einer Vollbrücke problemlos zurückgespeist werden könnte, sehr 
ärgern.
mfG

Autor: DCDC (Gast)
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Al3ko -. schrieb:
> mich würde die gezielte Topologie sehr interessieren. Mag jemand bitte
> ein Schaltbild vom Mittelpunkt gespeisten Gegentaktwandler posten?

Der Wandler würde im Englischen als (voltage sourced bzw. voltage fed) 
Push-Pull Converter (bei Ericson - push-pull isolated buck converter) 
bezeichnet.

Gruß DC/DC

Autor: milton crewman (Gast)
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R. M. schrieb:
> Ich würde mich über die, in den Snubbern verheizte Streufeldenergie, die
> in einer Vollbrücke problemlos zurückgespeist werden könnte, sehr
> ärgern.

Zur effizienteren Entmagnetisierung kann man zwar schon auf die 
Primärseite - wie beim klassischen Eintakt-Flußwandler eine - hier 
dann zwei "Extra"-Wicklungen einsetzen. (Bzw. ergibt sich erneut eine 
Wicklung mit Mittenanzapfung, wie bei der Hauptwicklung auch.)

Nur wird das heutzutage nur noch extrem selten gemacht. Faktisch sechs 
Wicklungen für einen Wandler mit nur einer Ausgangsspannung - heftiger 
Aufwand. Zum Glück haben sich Highside-N-FET längst etabliert.

Al3ko -. schrieb:
> Bei Google komme ich lediglich auf diesen einen Beitrag bei uC wenn ich
> "mittelpunktsgespeiste Gegentaktwandler" suche.
>
> Wenn ich Gegentaktwandler suche, bekomme ich diverse verschiedene
> Topologien (die sich alle. ähneln, aber im Detail doch unterschiedlich
> sind).

Die klassische Bezeichnung ist "Gegentaktwandler mit Parallelspeisung". 
Bei Eingabe dessen sollte man sicherlich Infos finden können.

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Hier noch einer aus einem 300W/115V WR.

Autor: Dergute W. (derguteweka)
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Moin,

Ja, mag schon sein, dass es derweilen Bauteile mit herausragenden 
Eigenschaften gibt. Und man bei jedem Wandlerkonzept irgendwelche 
Kroeten zu schlucken hat, seien es Spannungsabfall am Schalter, 
Streuinduktivitaeten, Kupferquerschnitte, etc.

Hab' aber trotzdem noch kein Schaltbild fuer einen Wandler mit den 
gewuenschten Spannungen in dieser Leistungsklasse (oder eine 10erpotenz 
drunter gesehen), mit einer anderen Topologie als dem ollen 
mittelangezapften Gegentaktapparillo.
Aber vielleicht liegts auch an meiner mangelnden Praxis mit solchen 
Wandlern, ich lass' mich gerne ueberzeugen.

Gruss
WK

Autor: Tor Fstock (Gast)
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Vergiss die 12V. Voellig unrealistisch. Allenfalls mit 48V, besser 96V. 
Und dann 3 Phasig.

< 1000E .. ein Witz. Du wirst kuebelweise FETs auf die Deponie bringen.

Autor: Tor Fstock (Gast)
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> .. ollen mittelangezapften Gegentaktapparillo

genau der isses. Hat den hoechsten Wirkungsgrad.

Autor: Al3ko -. (al3ko)
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Tor Fstock schrieb:
>> .. ollen mittelangezapften Gegentaktapparillo
>
> genau der isses. Hat den hoechsten Wirkungsgrad.

Da würde mich mal interessieren:
Aus dem Bauchgefühl heraus, wie hoch würdet ihr den Wirkungsgrad unter 
den Spezifikationen schätzen?

Ca 96% sollten doch realistisch sein, mit ca. 1%-2% Steigerung, wenn man 
auf neueste Technologien (SiC etc.) setzt, mehrere Schalter parallel 
schaltet etc.

Gruß,

Autor: Tor Fstock (Gast)
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Nun. es ist nicht nur der Trafo. Den kann man knapp oder grosszuegig 
auslegen. Allenfalls kann man auch mehrere solcher Gegentakt Trafos in 
Polyphase laufen lassen. Bei 48V waeren dann insgesammt um die 100A zu 
schalten. Resp bei 5 Trafos waeren's dann noch je um die 20A. Bei 
Polyphase kann man kleinere Kondensatoren verwenden, zudem werden die 
Rippel kleiner, da quasi mit der 5 fachen Frequenz.

Autor: abcd (Gast)
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Es freut mich dass das Echo doch etwas grösser ist als erwartet. Im 
wesentlichen bestärkt es mich in meinen Annahmen, wonach der 
mittelpunktgespeiste Gegentaktwandler wohl die einfachste/billigste 
Option ist.

Al3ko -. schrieb:
> Ich würde es auf 3 DAB aufteilen, und die Drossel so designen, dass du
> ZVS hast.

Eine DAB macht in meinen Augen wenig Sinn da ich dann auch auf der 
Sekundärseite eine aktive Brücke mit entsprechendem Zusatzaufwand 
(Gatetreiber) brauche. Bei den auftretenden Strömen und Spannungen ist 
man mit ZCS vermutlich wesentlich besser dran als mit ZVS. Wesentlich 
besser wäre in der Hinsicht der Serienresonanzkonverter im DCM, der 
kommt mit passiver Gleichrichtung auf der Sekundärseite aus und muss den 
Strom nicht aktiv abschalten. Zudem ist der Transformatorstrom fast 
sinusförmig und hat dadurch einen geringen Anteil an Oberwellen.

milton crewman schrieb:
> Sind es denn eher ca. 10 VDC bis max. 14,X VDC, oder tatsächlich
> geregelte 12 VDC? Welche Last genau ist denn da im Spiel? Ist die
> vielleicht sogar weitestgehend konstant, oder welche Charakteristik hat
> sie?

Die Spannungsquelle ist eine sehr grosse Batterie, schwankt also 
zwischen 10.8 V und 14 V. Das ganze soll schlussendlich ein Inselnetz 
speisen können.

> 1000€ sind das Budget... für die DC-DC Stufe alleine, den gesamten WR,
> oder davon soll auch noch die Last (ein Motor?) bezahlt werden?

Nur für den DC/DC Wandler. Wobei ich je nach Bauteilen an einige Dinge 
vielleicht günstig drankomme.

> Gibt es bedeutsame Platzeinschränkungen, oder käme man mit relativ
> niedriger Leistungsdichte auch zurecht? Wie wichtig ist Effizienz - und
> (siehe oben Lastcharakteristik) bei welcher Ausgangsleistung sollte
> diese vielleicht optimiert werden?

Die Effizienz ist nicht so wichtig, die Leistungsdichte ist absolut 
unbedeutend.

R. M. schrieb:
> Ich würde mich über die, in den Snubbern verheizte Streufeldenergie, die
> in einer Vollbrücke problemlos zurückgespeist werden könnte, sehr
> ärgern.

Ja das stört mich an der Topologie eigentlich am meisten. Es ist einfach 
"unschön".

milton crewman schrieb:
> Zur effizienteren Entmagnetisierung kann man zwar schon auf die
> Primärseite - wie beim klassischen Eintakt-Flußwandler eine - hier
> dann zwei "Extra"-Wicklungen einsetzen. (Bzw. ergibt sich erneut eine
> Wicklung mit Mittenanzapfung, wie bei der Hauptwicklung auch.)

Es geht nicht um die Magnetisierungsenergie sondern um die Energie in 
der Streuinduktivität. Die wirst du auch mit einer weiteren Wicklung 
nicht wirklich loswerden.

Al3ko -. schrieb:
> Ich weiß nicht, wie die Topologien auf Deutsch heißen. Für einen
> ähnlichen Fall hat ein ehemaliger Doktorand einen "isolated Phase shift
> boost converter" gebaut und optimiert.
>
> Im Prinzip dieselbe Topologie wie Dual Active Bridge, aber mit der
> Induktiv im DC Zweig anstelle im AC Zweig.

Die Topologie kenne ich, aber auch das erscheint mir eher ungünstig, da 
ich dann zwei zusätzliche Induktivitäten benötige.

Dergute W. schrieb:
> Also ich mein' so einen Apparat:
>
> 
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/30/Gegentaktwandler_parallelspeisung.svg
>
> Gruss
> WK

Das ist fast die Topologie die ich meine, wobei (siehe auch das Bild von 
"mschoeldgen") die Ausgangsinduktivität meisten auch noch eingespart 
wird.

Autor: der schreckliche Sven (Gast)
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abcd schrieb:
>> Ich würde mich über die, in den Snubbern verheizte Streufeldenergie, die
>> in einer Vollbrücke problemlos zurückgespeist werden könnte, sehr
>> ärgern.
>
> Ja das stört mich an der Topologie eigentlich am meisten. Es ist einfach
> "unschön".

Könnte man mittels kleinem Spannungswandler in den Akku zurückspeisen.

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