Mode Analysis and Optimal Design of GaN-Based Three-Phase Bidirectional Dual Active Bridge DC/DC Converters for E-Vehicles Applications

Die übliche Netzstruktur eines batterieelektrischen Fahrzeugs besteht aus einem Hochvolt- und einem Niedervolt-Bordnetzsystem. Das HV-Bordnetz, mit Spannungsebenen bis zu 800 V, ist für die Versorgung des Antriebswechselrichters des Fahrzeugs zuständig. Das NV-Bordnetz wiederum, mit einer Nennspannung von 14 V, speist den Großteil der elektrischen Verbraucher. Die zunehmende Elektrifizierung des Fahrzeugs führt zu einer Erhöhung der Bordnetzleistung und motiviert somit die Einführung eines dritten 48 V-Bordnetzes, das die Versorgung von Verbrauchern mit hoher Leistung ermöglicht und dennoch unterhalb der automobilen 60 V-Grenze bleibt. Daher wird der HV/48 V-Bornetzwandler galvanisch getrennt ausgeführt, während der 48 V/12 V-Wandler durch eine nicht isolierte Schaltung mit wesentlich geringerer Leistung aufgebaut. Die in dieser Dissertation untersuchten Topologien sind für den Einsatz als HV/48 V-Bornetzwandler geeignet. Zu diesem Zweck werden zwei neuartige Ansätze auf Basis des bekannten dreiphasigen Dual-Active-Bridge-DC/DC-Wandler vorgelegt, um den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte in solchen Verwendungsbereichen zu verbessern, deren größte Herausforderungen die weiten Ein- und Ausgangsspannungsbereiche sowie die hohen Ausgangsströme sind. In beiden Varianten wird der ursprünglichen Schaltung eine zweite Niederspannungsbrücke hinzugefügt, so dass die Topologie nun mit sechs Transformatoren arbeitet, wobei jede Phase zwei Trafos hat. Aufgrund der höheren Strombelastbarkeit und der damit einhergehenden effektiveren Verteilung der Verluste zwischen Schalter und Trafos scheint dieser Ansatz die geeignetste Lösung zu sein. Trotz der höheren Anzahl von Komponenten kann ein Design mit höheren Wirkungsgrad und Kompaktheit sowie geringerem Filterbedarf erreicht werden. Darüber hinaus werden Kleinsignalmodelle voller Ordnung unter Verwendung der Phasor-Transformationstechnik abgeleitet, die die Verwendung einer zeitvarianten Ersatzschaltung ermöglicht, die durch explizite und einfache Gleichungen mit fruchtbaren physikalischen Einsichten beschrieben wird. Im Gegensatz zu bekannten Modellen reduzierter Ordnung ermöglicht diese Technik die Identifizierung der inhärenten Resonanzeigenschaften in der Nähe der Schaltfrequenz, was wiederum für den Entwurf eines stabilen Regelkreises entscheidend ist. Außerdem werden Bode- und Nyquist-Kriterien verwendet, um die Stabilität des berechneten Regelkreises zu bestimmen. Schließlich befasst sich diese Arbeit auch mit der optimalen elektrischen Umsetzung von Galliumnitrid-Halbleitern und der damit verbundenen Herausforderung, deren Verlustwärme abzuführen. Es wird ein kompaktes und thermisch stabiles Kühlverfahren vorgestellt, das die fragilen GaN-Bausteine vor übermäßigen Biegespannungen schützt. Weitere Themen sind das thermische Management der magnetischen Bauelemente in Kombination mit deren Anordnung. Es wird ein "3D"-Mechanikkonzept entwickelt, das das Volumen des Gesamtsystems minimiert sowie als elektromagnetische Abschirmung wirkt und eine gute Ankopplung aller wesentlichen Komponenten an das Wasserkühlsystem ermöglicht. In Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten dreijährigen Forschungsprojektes werden drei 4 kW-Prototypen aufgebaut und experimentell validiert.