Was ist eine Dual Active Bridge?

Eine Dual Active Bridge (DAB) ist ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler mit bidirektionalem Leistungsfluss und galvanischer Isolierung. Sie wird in Anwendungen für Batteriesysteme, erneuerbare Energien, Festkörpertransformatoren und Nieder- bis Mittelspannungsnetze eingesetzt. Sie ist flexibel aufgebaut, sodass sie zur Erfüllung spezifischer Spannungs- und Leistungsanforderungen mit der Möglichkeit des Soft Switching eingesetzt werden kann. Mit diesem flexiblen Aufbau kann ein Wirkungsgrad von mehr als 98% in einem gewünschten Betriebsbereich erreicht werden. Sie kann für höhere Spannungen gestapelt, für Wechselstromfunktionen modifiziert und für einen erhöhten Leistungsfluss und verbesserte Oberschwingungen parallelisiert werden.

Eine Dual Active Bridge besteht aus zwei Vollbrücken, die durch einen Hochfrequenztransformator und eine Drossel getrennt sind. Abhängig von der Regelstrategie kann auch ein Gleichstromsperrkondensator enthalten sein. Das folgende Schema enthält den Aufbau einer einphasigen DAB.

Die Anzahl der Bauelemente in einer Dual Active Bridge in Verbindung mit dem Regelungskonzept für die Phasenmodulation bietet sich für die digitale Regelung an. Die Entwicklung einer Dual Active Bridge erfordert eine Kombination aus digitalem Regelungsentwurf und präziser elektrischer Simulation. Mit Simulink^® und Simscape Electrical™ können Sie die Regelungsalgorithmen und die Elektronik einer Dual Active Bridge modellieren und simulieren. Aus den Modellen kann Code für die Echtzeitsimulation und die Implementierung von Produktionscode generiert werden. Dies ermöglicht Ihnen die Anwendung von Model-Based Design auf alle Aspekte Ihres Entwurfs einer Dual Active Bridge.

Modellierung und Simulation

Sie können mithilfe der in Simscape Electrical bereitgestellten Beispiele sofort mit der Simulation einer Dual Active Bridge beginnen. Simscape Electrical umfasst mehrere Genauigkeitsstufen für aktive und passive Bauelemente mit einer Vielzahl von Optionen für die thermische Modellierung und Schaltverluste.

Steuerungs- und Regelungsentwurf

In Simulink können Sie Regelungsalgorithmen sowohl für eine einphasige als auch für eine dreiphasige Dual Active Bridge entwickeln. Durch die Simulation der Regelungsalgorithmen mit dem DAB-Modell können Sie die Reglerparameter abstimmen, um eine optimale Leistung für die gegebenen Designanforderungen zu erzielen. Es gibt mehrere Regelungsstrategien, wie z. B. Trapez- und Dreiecksmodulation, aber die gebräuchlichste ist die Modulation einer Phasenverschiebung um eine Phase, die im Abschnitt über die Modulation am Ende dieser Seite erläutert wird.

Generierung von Embedded Code

Wenn Sie mit Ihren DAB-Regelungsalgorithmen zufrieden sind, können Sie C- oder HDL-Code aus Ihrem Simulink-Modell generieren. Dieser Code kann auf Mikrocontrollern, Systems on Chip (SoCs) und FPGAs eingesetzt werden und verfügt über Optionen zur Optimierung für bestimmte Hardwareanbieter.

Tutorial zur einphasigen Modulation

Der gängigste Ansatz zur Regelung und zum Betrieb einer Dual Active Bridge ist die einphasige Modulation. Die Regelung erfolgt durch die Erzeugung von zwei PWM-Signalen mit Halbschwingungszyklen, die gegeneinander phasenverschoben sind. Je größer die Phasendifferenz ist, umso größer ist der Leistungsfluss durch den Wandler. Wie in Abbildung 3 dargestellt, wird die linke Seite vom ersten PWM-Signal und seinem Komplement und die rechte Seite vom zweiten PWM-Signal und seinem Komplement geregelt. Damit sind vier Spannungskombinationen an der Spule möglich. Die positive und negative Quellenspannung befinden sich auf der einen Seite, die bezogene positive oder negative Lastspannung auf der anderen. Diese vier Modi werden mit einer einzigen Regelungsgröße, dem Phasenwinkel, erreicht, der ausreicht, um alle acht Gatterimpulse zu erzeugen. Bei fortschrittlicheren Regelungssystemen wird die Anzahl der Regelvariablen erhöht, um den Betrieb und die Effizienz zu verbessern (Maximierung des Soft Switching).

Die grundsätzliche Funktionsweise einer DAB wird im Folgenden anhand des Regelkonzepts für eine einphasige Modulation veranschaulicht. Dieser Vorgang wird später Stück für Stück aufgeschlüsselt, um sich auf die in dieser Grafik dargestellten spezifischen Funktionsweisen zu konzentrieren.

Die violette Linie über der Spule ist eine Darstellung des Spulenstroms. Die beiden Rechteckwellen unter der Spule sind die beiden PWM-Signale. In diesem Beispiel wird eine übertriebene positive Phasenverschiebung von 45 Grad verwendet, um die verschiedenen Modi besser sichtbar zu machen. Die größere grüne Rechteckwelle regelt die linke Vollbrücke, die kleinere blaue Rechteckwelle die rechte Vollbrücke. Die Lastspannung, die über den Transformator bezogen wird, ist 20% niedriger als die Quellenspannung. Der umgekehrte Leistungsfluss wird durch die Anwendung einer negativen Phasenverschiebung erreicht.

Betriebsmodi

Dieser Abschnitt beschreibt die vier Hauptbetriebsarten anhand von statischen Bildern.

In Abbildung 4 wird der Leistungsfluss in erster Linie in den Modi A und C erreicht, wobei B und D notwendig sind, um ein Wechselstromsignal zu erzeugen, das Leistung durch den Hochfrequenztransformator übertragen kann. Daraus resultiert ein Umlaufstrom, der bei der Entwicklung berücksichtigt und möglicherweise durch Konstruktions- und Regelungsstrategien minimiert werden muss.