Gelijkstroom omvormers

Een gelijkstroom omvormer of ook wel DC-DC convertor genaamd, verzorgt de omzetting van een bepaald gelijkspanningsniveau naar een ander.
Dit proces blijkt nodig te zijn in tal van toepassingen, waaronder elektrische voertuigen en netgekoppelde energiebronnen.
In een elektrisch voertuig dient bijvoorbeeld een elektrische motor te worden gevoed met een driefasige wisselspanning met 230 V fasespanning door een batterij op 100 à 200 V. Hiertoe dient de batterijspanning eerst te worden verhoogd tot 600 à 700 V door een gelijkstroom omvormer, waarna deze spanning door een wisselrichter kan worden omgevormd tot de gewenste wisselspanning voor de motor.
Een wisselrichter is een elektronische schakeling die gelijkstroom omzet in wisselstroom.
Deze tekst beschrijft enkele algemene configuraties voor dergelijke convertoren en licht ook de eisen gesteld aan deze convertoren door enkele belangrijke toepassingen toe.

Een van de meest voorkomende toepassingen van een gelijkstroom omvomer is het opkrikken van de spanning van een batterij of supercondensator naar een niveau geschikt voor de DC tussenkring van een wisselrichter, die gekoppeld is met het elektriciteitsnet of met een motor.
Vaak is een bidirectionele werking vereist, waarbij niet enkel energie van de batterij of supercondensator naar het net of de motor moet kunnen vloeien, maar ook de omgekeerde stroom (opladen van batterij of supercondensator) mogelijk dient te zijn.
Vermits een batterij of supercondensator vaak een lage uitgangsspanning hebben, kan een relatief hoge spanning enkel bereikt worden door de serieschakeling van meerdere componenten, wat tevens de kostprijs en het volume laten toenemen.
De gelijkstroom omvomer moet dus een voldoende hoge transformatieverhouding hebben om deze factoren binnen de perken te houden. Wanneer een supercondensator zijn opgeslagen energie aflevert, daalt de spanning. Wanneer bijvoorbeeld de helft van de energie is afgestaan, is de spanning gezakt met 29 procent. Bij een batterij is deze daling een stuk kleiner. De gelijkstroom omvomer moet dus kunnen omgaan met een variabele ingangsspanning. Een andere factor is de grootte van de rimpelstroom, veroorzaakt door het schakelen van de componenten. Deze dient te worden geminimaliseerd voor het beperken van de verliezen in de passieve componenten en de batterij of supercondensator.
Ook verouderen supercondensatoren zeer sterk naarmate ze meer worden blootgesteld aan hoge spanningen. Dit stelt dan weer de nodige eisen aan de regeling van de gelijkstroom omvomer, die het optreden van dergelijke overspanningen over de supercondensator tot een minimum dient te beperken of zelfs volledig uit te sluiten.

Types gelijkstroom omvormers

Er bestaan verschillende types van DCDC convertoren. Hieronder worden de voornaamste klassen besproken, met hun eigenschappen en vooren nadelen.

Niet-geïsoleerde convertorenboostconvertor

Deze convertoren bevatten geen transformator. Een voorbeeld hiervan is de buckboostconvertor uit deze figuur. Deze laat een bidirectionele vermogenstroom tussen laagspanningsen hoogspanningszijde (LS en HS) toe. De transformatieverhouding van dit type convertoren is echter relatief klein, typisch beperkt tot een factor 4. Een ander nadeel is dat in deze convertoren zowel hoge spanningen als hoge stromen optreden, waardoor men vaak een nietoptimaal type schakelaar (IGBT, vermogenMOSFET,…) moet gebruiken.

 

Geïsoleerde convertoren

Geïsoleerde convertorDeze convertoren bevatten wel een transformatie, die voor een galvanische scheiding tussen LSen HSzijde zorgt.
Een voorbeeld schema van de algemene topologie van een geïsoleerde convertor zie je hier links afgebeeld.

Deze transformator brengt een extra kost en bijkomende verliezen met zich mee. Door de isolatie tussen LSen HSzijde kan men hier wel voor een optimaal type schakelaar kiezen: aan LSkant heeft men lage spanningen en hoge stromen, waardoor men hier bijvoorbeeld eerder MOSFET’s gebruikt.

Aan HSkant heeft men hoge spanningen en lage stromen, zodat men hier eerder opteert voor IGBT’s. Dit type convertoren is ook geschikt voor toepassingen waarbij LSen HSzijde geen gemeenschappelijke grond mogen hebben. full bridge convertor

De figuur rechts toont een full bridge convertor.
Deze topologie bevat vier schakelende componenten, waarvan er steeds twee in geleiding zijn (S1S3 of S2S4). Hiermee kan de volledige ingangsspanning Vin (al dan niet geïnverteerd) worden aangelegd aan de LSzijde van de transformator.

Half bridge convertor

De volgende figuur hier links toont een half bridge convertor, die slechts twee schakelende componenten bevat.
Om eenzelfde vermogen over te brengen als bij de full bridge schakeling, dient de stroom hier dubbel zo groot te zijn, vermits de aangelegde spanning slechts de helft van Vin bedraagt.

De figuur hieronder toont een derde alternatief, eveneens met slechts twee schakelende componenten: de pushpull convertor.

Bij deze convertor is de stroom bij eenzelfde overgebracht vermogen gelijk aan deze van de full bridge convertor, maar is de blokkeerspanning die de schakelende componenten moeten kunnen houden in nietgeleidende toestand dubbel zo groot als bij de full bridge en half bridge topologiëen. Dit type convertor wordt meestal voor lage vermogens gebruikt. Er moet dus een tradeoff gemaakt worden tussen de voordelen van een kleiner aantal schakelende componenten (minder schakelverliezen, minder complexe sturing, lagere kostprijs) en de extra performantieeisen gesteld aan de schakelende componenten in de half bridge en pushpull topologiëen (duurdere componenten nodig).

De full bridge convertor haalt het hoogste omzettingsrendement van de hier beschreven topologiëen. De hier getoonde schakelingen hebben een spanningsbrongedrag. Men kan, door de condensator(en) weg te nemen en spoelen te plaatsen tussen de LSbron en de schakelaars, ook stroombronconvertoren bekomen. Hier wordt in dit document niet verder op ingegaan.

Meerfasige DC-DC convertoren

Bij een meerfasige gelijkstroom omvormers worden meerdere takken met schakelende componenten in parallel met elkaar verbonden. Figuur 6 toont bijvoorbeeld een driefasige boostconvertor. Op deze manier dient elke tak, en dus ook elke schakelaar, minder stroom te geleiden en kan de convertor blijven werken wanneer een van de takken of schakelaars defect raken (op voorwaarde dat de overblijvende schakelaars de hogere stroom aankunnen). Door de sturing van de schakelaars aan te passen zodat er een faseverschuiving is tussen de stromen in de verschillende parallel takken, kan men verder ook de rimpelstroom sterk reduceren. Hierdoor daalt de piekstroom die de condensator moet leveren, kan men de passieve componenten in de schakeling kleiner dimensioneren (wat hen goedkoper en compacter maakt) en verhoogt de levensduur van de batterij aan LSzijde, doordat de te leveren piekstroom kleiner wordt. Zowel geïsoleerde als niet-geïsoleerde schakelingen.

 

Bron: Vlaams Elektro Innovatiecentrum