Zweistufiger, phasenversetzter DC/DC-Wandler für die Anbindung einer 5 kW el. SOFC an einen 750 V DC-Zwischenkreis

Abb. 1: Experimentell bestimmte Stromverläufe in den phasenversetzt betriebenen Hochsetzstellern

Das hier beschriebene Projekt wurde am IAL gemeinsam mit einem Industriepartner und dem IEE der TU Clausthal im Rahmen der Landesinitiative Brennstoffzelle durchgeführt.

Aufgrund ihrer hohen Betriebstemperaturen von 650°C bis 1000°C ist die oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC) besonders für den Einsatz in Kraft-Wärme-gekoppelten Systemen geeignet. Gegenstand dieses Projektes ist eine SOFC mit 6 kW thermischer und 5 kW elektrischer Leistung, welche als Klein-KWK-Anlage in Mehrfamilienhäusern oder Kleinbetrieben eingesetzt werden soll. Die elektrische Leistung wird dabei dreiphasig ins öffentliche Netz eingespeist. Am IAL wurde der Gleichspannungswandler entwickelt, welcher die Verbindung zwischen der Brennstoffzelle  mit einer Ausgangsspannung zwischen 50 V und 70 V und dem geregeltem 750 V Zwischenkreis herstellt. Hierfür wurde ein zweistufiges Konzept verfolgt. Die erste Stufe besteht aus zwei phasenversetzt betriebenen Hochsetzstellern (IBC), welche die lastabhängige Brennstoffzellenspannung auf einen konstanten Wert von 140 V wandeln. Aufgrund des phasenversetzten Betriebs kann im Vergleich zu herkömmlichen Hochsetzstellern der Wechselanteil im Eingangsstrom des Wandlers und somit der Filteraufwand für die Brennstoffzelle deutlich reduziert werden. Abb. 1 zeigt die Stromverläufe i_L,in,1 und i_L,in,2 sowohl in den beiden Einzel-Hochsetzstellern als auch den Gesamtstrom i_L,in am Eingang des Wandlers, welcher sich durch Addition ergibt. Die Regelung der Ausgangsspannung ist durch eine Kaskadenregelung realisiert, die symmetrische Stromaufteilung wird durch getrennte Stromregler für beide Wandler erreicht.

Abb. 2: Experimentell bestimmter und berechneter Wirkungsgrad von Serienresonanzwandler (SRC), phasenversetztem Hochsetzsteller (IBC) sowie des Gesamtsystems (Overall)

Aufgrund der relativ hohen Eingangsströme wurde ein besonderes Augenmerk auf eine geeignete Aufbau- und Verbindungstechnik gelegt. Weiterhin wurden je zwei MOSFETs und Dioden in den Hochsetzstellern parallel geschaltet. Durch einen streng symmetrischen Aufbau der Zuleitungen und der Gate-Ansteuerung konnte auch innerhalb der Hochsetzsteller eine symmetrische Aufteilung der Ströme auf die parallel geschalteten Bauelemente sowohl im transienten als auch im stationären Betrieb erreicht werden.

Abb. 3: Laboraufbau des DC/DC-Wandlers

Die zweite Stufe des Gleichspannungwandlers bildet ein Serienresonanzwandler (SRC). Durch einen in Reihe zur Streuinduktivität des Transformators angeordneten Kondensator wird ein Schwingkreis erzeugt. Wird die Schaltfrequenz bei einem fest vorgegebenen Aussteuergrad in die Nähe der Resonanzfrequenz gelegt, so kann der Serienresonanzwandler nahezu ohne Schaltverluste betrieben werden. Dieses Verfahren wird möglich, da sämtliche Regelungsaufgaben schon von der ersten Stufe übernommen werden und der Serienresonanzwandler dadurch stets im optimalen Punkt betrieben werden kann. Hierdurch wurde ein sehr hoher Wirkungsgrad sowohl des Serienresonanzwandlers als auch des Gesamtsystems erreicht, wie Abb. 2 zeigt.

Die gemessenen Wirkungsgrade sind dabei durch Kreuze markiert, die durchgezogenen Linien stellen die Ergebnisse einer analytischen Vorausberechnung des Wirkungsgrades dar. Abb. 3 zeigt ein Foto vom Laboraufbau des Prototypen.

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