Gegenstand dieser Arbeit ist ein Verfahren zur aktiven Kompensation von Gleichtaktstörungen in leistungselektronischen Baugruppen im Anwendungsbereich der Kraftfahrzeuge. Dieses Verfahren eignet sich sowohl für stationär getaktete System, als auch für sinusmodulierte Wechselrichter. Der Fokus der Arbeit liegt dabei auf der analytischen Beschreibung des Kompensationsverfahren sowie der Übertragung auf zwei unterschiedliche leistungselektronische Systeme im CISPR 25 Komponententest.
Aktualisiert: 2023-02-16
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In dieser Arbeit wird eine Entwurfsmethodik für Fahrzeugladegeräte entwickelt, die eine ganzheitliche Analyse des gesamten Ladesystems ermöglicht. Als Ladesystem werden dabei die Bestandteile Netz, Ladegerät und die Fahrzeugbatterie aufgefasst.
Die Entwurfsmethodik orientiert sich am V-Modell eines Entwicklungsprozesses. Wesentliche Bestandteile der entwickelten Entwurfsmethodik sind eine einheitliche
Methode zur analytischen Modellbildung der Leistungselektronik sowie eine Rapid Prototyping Umgebung. Durch die Methode zur Modellbildung ist eine Analyse der Ladegeräteentwürfe sowie des Ladesystems mit sehr geringem Zeitaufwand möglich. Die Rapid Prototyping Umgebung erlaubt eine schnelle praktische Validierung der Bauelemente, Topologien und Betriebsstrategien des Ladegerätes unter realen
Bedingungen. Beide Bestandteile der Entwurfsmethodik werden in dieser Arbeit entwickelt und dienen der frühzeitigen Eigenschaftenabsicherung im Entwurfsprozess. Sie stünden in einem konventionellen Entwurfsprozess nicht zur Verfügung.
Für den Entwurf eines Fahrzeugladegerätes mit einer Nennleistung von 3,6 kW und Galliumnitrid Leistungshalbleitern wird die Entwurfsmethodik angewendet. Die Vielfalt der zur Verfügung stehenden Topologien wird auf eine aktive Vollbrücke für die
Leistungsfaktorkorrektur sowie einen CLLC-Wandler und eine Dual Active Bridge für den DC/DC-Wandler eingegrenzt. Im Anschluss werden diese Topologien im Rahmen der Entwurfsmethodik auf Komponenten- und Topologieebene modellbasiert und durch Einsatz der Rapid Prototyping Umgebung praktisch analysiert und optimiert. Für die Leistungsfaktorkorrektur wird ein Wirkungsgrad von 98% inkl. des Netzfilters gemessen. Unter den DC/DC-Wandlern erreicht die Dual Aktive Bridge mit 98,7% den höchsten Wirkungsgrad. Auf Systemebene werden insbesondere Betriebsstrategien
mit variabler Zwischenkreisspannung betrachtet. Alle Komponenten des Ladegerätes werden unter realen Bedingungen validiert. Auf den Ergebnissen dieser
Arbeit kann ein optimiertes und eigenständiges Funktionsmuster eines Fahrzeugladegerätes entwickelt werden.
Aktualisiert: 2023-01-01
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Das Buch zeigt Anwendern, wie sie ihr Endgerät EMV-konform mit einem geregelten Kleinantrieb als Komponente aufbauen und gibt Elektronikentwicklern praktische Maßnahmen an die Hand, wie EMV bereits in der Entwicklung von Motorreglern für Kleinantriebe berücksichtigt werden kann.
Aktualisiert: 2022-02-17
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Eine Möglichkeit der Effizienzsteigerung bei EV und HEV ist der Einsatz eines DC/DC-Wandlers, der zwischen der Traktionsbatterie und dem DC-Link eingesetzt wird und somit eine variable DC-Link Spannung gewährleistet, die der Motorenspannung angepasst wird.Dem Effizienzgewinn in den Antriebsumrichtern und den Motoren stehen jedoch die Verlustleistungen im DC/DC-Wandler entgegen, sodass das zusätzliche Stellglied hocheffizient arbeiten muss.Um eine hohe Effizienz zu erreichen, bietet sich der Einsatz von Halbleitern mit hohem Bandabstand, wie beispielsweise SiC an. Hiermit können höhere Effizienzen erreicht werden als mit konventionellen Si-Halbleitern. Neben dem Einsatz von SiC-Halbleitern spielt auch die Art der Regelung eine Rolle. So kann bei gleichem Hardwareaufbau durch den Einsatz des BCM im Vergleich zum CCM die Schaltfrequenz reduziert werden. Neben der geringeren Anzahl an Schaltvorgängen ist ein weiterer Vorteil das weiche Schalten der Transistoren, das ebenfalls zur Reduzierung der Schaltverluste beiträgt. Dem stehen jedoch erhöhte Leitverluste gegenüber, die durch den erhöhten Effektivstrom verursacht werden, welcher im BCM auftritt. Für den Einsatz von SiC-Halbleitern werden innerhalb dieser Arbeit die Regelmodi CCM und BCM miteinander verglichen.Mithilfe von Messungen sind die zuvor erstellten Berechnungen validiert worden, welche die beiden Modi über einen breiten Arbeitsbereich miteinander vergleichen.Die Ergebnisse zeigen, dass die optimale Betriebsstrategie vom Lastpunkt abhängig ist, sodass sich die höchsten Effizienzen durch einen Wechsel der Modi in Abhängigkeit des Lastpunktes einstellen.
Aktualisiert: 2022-09-30
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Der Leistungselektronikingenieur steht in aktuellen Problemstellungen vor der Herausforderung elektrische und mechanische Komponenten auf engstem Bauraum zu integrieren.
In der vorliegenden Arbeit wird ein transparenter vierstufiger Prozess entwickelt, um die Systeme hinsichtlich der treibenden Parameter Effizienz, Leistungsdichte und Kosten zu optimieren. Für eine elektrische, thermische, mechanische und wirtschaftliche Bewertung werden geeignete Simulationsmodelle erarbeitet und verifiziert. Die Ermittlung der notwendigen System- und Bauelementeparameter wird ebenfalls beschrieben.
Zum Abschluss der vorliegenden Arbeit werden konkrete Optimierungsbeispiele für integrierte leistungselektronische Umrichter und DC-DC-Wandler betrachtet. Im Ergebnis stehen weiterhin auch allgemeine Aussagen und Designkriterien zur Nutzung neuer Bauelementetechnologien (SiC, GaN).
Aktualisiert: 2020-02-03
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In der vorliegenden Arbeit werden Möglichkeiten zur Maximierung der Effizienz von stromregelnden DC/DC-Wandlern für den Betrieb von Hochleistungs-LEDs in PKW-und Motorrad-Beleuchtungseinrichtungen untersucht, mit dem Ziel, das Gewicht und den Energieverbrauch der Steuergeräte zu reduzieren und so zu dem stetigen Bestreben der Minimierung der Gesamtfahrzeugemissionen beizutragen.
Dafür werden verschiedene, teils sequenziell aufbauende Maßnahmen in Topologie, Bauelementen, Dimensionierung und Betriebsart betrachtet. Eine grundlegende Herausforderung für die Auslegung der Schaltung stellt dabei deren universelle Verwendbarkeit als Gleichteil in einem großen Bereich an Ausgangsstrom und -spannung in den individuellen Scheinwerfersystemen der verschiedenen Fahrzeugderivate dar.
Die Grundlage für die Verringerung der Verlustleistung bildet die Vereinfachung der Schaltreglertopologie hinsichtlich des Bauteilaufwands. Dies wird durch die Versorgung der Schaltung aus dem 48 V-Energiebordnetz und die Verwendung der Topologie des Tiefsetzstellers erreicht.
Elementarer Anteil dieser Arbeit ist die Untersuchung der Wirksamkeit des Einsatzes neuartiger Galliumnitrid-Leistungsschalter (GaN-HEMTs) anstelle der konventionellen Silizium-MOSFETs, was zunächst an Hand von Berechnungen und schaltungstechnischen, parasitärbehafteten und zeitvarianten Simulationen durchgeführt wird. Bereits bei herkömmlichen Schaltfrequenzen und hartgeschaltetem Betrieb können signifikante Verbesserungen des Wirkungsgrades erreicht werden.
Weitergehend wird der Nutzen der durch die GaN-Transistoren ermöglichten höheren Schaltfrequenzen eruiert. Die um bis zu Faktor 20 erhöhte Schaltfrequenz macht den Einsatz einer resonanten Betriebsart (Zero-Voltage-Switching) und einer Luftspule als Hauptinduktivität notwendig.
Auf Steuergeräteebene kann somit die Verlustleistung auf unter ein Drittel reduziert werden, was zudem ein deutlich einfacheres und kompakteres Gehäuse ermöglicht, wodurch das Gesamtgewicht etwa halbiert werden kann.
Abschließend wird die Schaltung in einem Prototypen praktisch umgesetzt und die Funktionsfähigkeit im ZVS-Betrieb bei Schaltfrequenzen von bis zu 10 MHz verifiziert.
Aktualisiert: 2021-09-10
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Die Anzahl der elektrischen und elektronischen Systeme im Fahrzeug nimmt aufgrund der Implementierung innovativer Komfort- und Sicherheitsfunktionen ständig zu. Zusätzlich werden zur Einhaltung der strengen CO2-Grenzwerte mechanische Systeme elektrifiziert und neue elektrische Systeme integriert. Diese Maßnahmen haben bspw. das Ziel, den Verbrennungsmotor zu entlasten oder im Segelbetrieb abzuschalten. Beide Trends bringen das konventionelle Energiebordnetz an seine Stabilitäts- und Robustheitsgrenze. Die Einführung von Zweispannungsbordnetzen (12V/48V) in Fahrzeugen zeigt in ersten Untersuchungen ein hohes Potenzial, um zum einen eine stabile und robuste Versorgung des Bordnetzes zu gewährleisten und zum anderen den Anforderungen der zukünftigen Hochleistungsbordnetze gerecht zu werden. Dabei spielt der DC/DC-Wandler als Schlüsselkomponente des stabilen und robusten Bordnetzes bei verschiedenen 12V/48VArchitekturen eine große Rolle.
Die vorliegende Arbeit schlägt einen methodischen Ansatz vor, welcher elektrische, betriebsstrategische und regelungstechnische Auslegungen eines DC/DC-Wandlers in 12V/48V-Bordnetzen und seine systematische Bewertung hinsichtlich der Spannungsstabilität und Versorgungsrobustheit diskutiert. Hierbei werden potentielle Konfigurationen aus den möglichen Varianten der 12V/48V-Bordnetzarchitekturen ausgewählt. Weiterhin werden Spannungsstabilität und Robustheit sowie Kriterien zu deren Bewertung definiert und Testszenarien zu Robustheits- und Spannungsstabilitätsuntersuchungen festgelegt. Danach wird die Auslegung der Wandler für die ausgewählten Konfigurationen und mit Hilfe der definierten Kriterien ausgearbeitet. Zudem wird ein prototypisches Labormuster eines 12V/48V-Wandlers entwickelt und aufgebaut, um die regelungstechnischen und betriebsstrategischen Herausforderungen des Wandlers in einem Bordnetzprüfstand umsetzen, untersuchen und bewerten zu können.
Aktualisiert: 2020-06-05
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