Der Borgna-Konverter - bulletin.ch
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ENERGIEEFFIZIENZ | DOSSIER
Prototyp eines bidirektio-
nalen Borgna-Konverters
mit 2 kW Nennleistung.
Der Borgna-Konverter
Eine neue Topologie für hocheffiziente Schaltregler | Elektronische Schaltregler
sind aus der heutigen Zeit nicht mehr wegzudenken. Sei es in Ladegeräten für
Smartphones, in PV-Anlagen oder in Ladestationen für Elektroautos – überall
werden Spannungswandler benötigt. Obschon Schaltregler heute effizient sind,
entstehen in den Leistungshalbleitern Schaltverluste. Eine neue Topologie elimi-
niert die Schaltverluste fast vollständig.
LU C I A N O B O R G N A , DA N I E L G F E L L E R , U R S M U N T W Y L E R
ie meisten heute eingesetzten ihren Grundformen verfügen diese oder IGBT zerhackt wird. Diese zer-
D Schaltregler basieren auf
Gleichspannungswandlern, für
Gleichspannungswandler über keine
galvanische Trennung zwischen Ein-
hackte Spannung wird anschliessend
durch eine Spule und Kondensatoren
Bilder: Berner Fachhochschule
die es drei Grundfunktionen gibt. Der und Ausgang. Es gibt zudem galvanisch wieder geglättet. Das Zerhacken erfolgt
Abwärtswandler setzt eine Spannung getrennte Schaltregler, wie beispiels- durch Pulsbreitenmodulation mit einer
auf einen tieferen Wert hinunter, der weise den Sperrwandler, der in Schalt- Schaltfrequenz von typischerweise
Aufwärtswandler erhöht die Spannung netzteilen weit verbreitet ist. einigen 10 kHz. Bei jedem Schaltvor-
und der Inverswandler erzeugt aus Alle Schaltregler basieren auf dem gang entsteht in den Schalttransistoren
einer positiven Eingangsspannung Grundprinzip, dass die Eingangsspan- kurzzeitig eine hohe Verlustleistung. In
eine negative Ausgangsspannung. In nung durch Transistoren wie MOSFET einem ausgewogen dimensionierten
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DOSSIER | ENERGIEEFFIZIENZ
Schaltregler machen diese Schaltver-
luste ungefähr die Hälfte der gesamten L1 D1
IL1
Verlustleistung aus. Die Schaltverluste
können verringert werden, indem die
CC S3
Transistoren möglichst schnell schal- L2 D2
IL2
ten. Das schnelle Schalten hat jedoch
einen Nachteil: Es werden Wechsel-
UIN UOUT
ströme mit hohen Frequenzen gene-
riert, welche sich in Form von elektro- CIN COUT
S1 S2
magnetischen Störungen äussern. Da
diese gewisse normative Grenzwerte
nicht überschreiten dürfen, muss bei
vielen Schaltreglern ein erheblicher
Aufwand zur Entstörung betrieben Bild 1 Topologie des Borgna-Aufwärtswandlers.
werden.
Grundprinzip des Borgna- ersten Schalttransistors wird der Strom
Konverters der ersten Spule in den Koppelkonden- a
Beim Borgna-Konverter werden Schalt- sator umgeleitet, welcher dadurch auf-
verluste vermieden, indem die Transis- geladen wird (Bild 2b). Dieser Auflade-
toren nur im strom- bzw. spannungslo- vorgang dauert deutlich länger als das
sen Zustand geschaltet werden. Dieses Ausschalten des Transistors. Deshalb
sogenannt sanfte Schalten wird heute ist der erste Schalttransistor ausge-
bereits bei Resonanzwandlern ange- schaltet, bevor seine Spannung nen- b
wendet. Diese sind aber sehr komplex nenswert angestiegen ist. Somit ist die-
und stellen hohe Ansprüche an die ser Abschaltvorgang nahezu verlustlos.
Regelung. Im Vergleich dazu ist der Sobald die Spannung über dem Koppel-
Borgna-Konverter in seinem Aufbau kondensator die Ausgangsspannung
simpel und einfach zu regeln. Das erreicht, beginnt die erste Diode zu c
Grundprinzip des Borgna-Konverters leiten (Bild 2c). Nun wird der
wird hier am Beispiel des Borgna-Auf- Schalttransistor des zweiten Teilwand-
wärtswandlers erläutert (Bild 1). Der lers ausgeschaltet. Damit wird der
Übersicht halber werden die Schalttran- Strom der zweiten Spule in den Koppel-
sistoren in den Bildern durch elektro- kondensator umgeleitet, wodurch die-
d
mechanische Schalter dargestellt. ser wieder entladen wird (Bild 2d).
Der Borgna-Aufwärtswandler be- Auch dieser Entladevorgang dauert viel
steht aus zwei klassischen Aufwärts- länger als das Ausschalten des Transis-
wandlern im Parallelbetrieb. Die Inno- tors, weshalb der zweite Schalttransis-
vation besteht im Koppelkondensator tor ebenfalls nahezu verlustlos aus-
CC, mit dem die zerhackten Spannun- schaltet. Wenn der Koppelkondensator e
gen der beiden Teilwandler verbunden wieder entladen ist, wird die zweite
werden. S3 ist ein kleiner Kurzschluss- Diode leitend. Beide Spulen entladen
schalter, der zu Beginn eines Schaltzy- sich daraufhin in den Ausgang. Gleich-
klus eingeschaltet ist. Die beiden Teil- zeitig wird der Kurzschlussschalter
wandler arbeiten im lückenden Betrieb. wieder eingeschaltet (Bild 2e). Da der f
Das bedeutet, dass die Spulenströme erste Teilwandler früher abgeschaltet
während der Ausschaltphase der wurde, erreicht sein Spulenstrom
Schalttransistoren bis auf null absin- zuerst den Wert null und seine Diode
ken. Die Schalttransistoren der beiden beginnt zu sperren. Da die zweite
Teilwandler werden gleichzeitig einge- Diode aber noch leitend ist, beginnt
g
schaltet. Da die Spulen im Einschalt- nun ein geringer Ausgleichsstrom vom
moment stromlos sind, ist dieser Ein- zweiten in den ersten Teilwandler zu
schaltvorgang strom- und somit fliessen (Bild 2f). Der Kurzschluss-
verlustlos. Nach dem Einschalten steigt schalter verhindert jedoch, dass der
der Strom in den Spulen an (Bild 2a). Koppelkondensator durch diesen Aus-
Während des Aufladevorgangs wird gleichsstrom erneut aufgeladen wird. Bild 2 Arbeitsschritte des Borgna-Auf-
der Kurzschlussschalter ausgeschaltet. Wenn der Strom der zweiten Spule wärtswandlers.
Sobald der erste Spulenstrom seinen genügend weit abgesunken ist, beginnt
Sollwert erreicht, werden die beiden auch die zweite Diode zu sperren. Bis
Schalttransistoren leicht zeitversetzt auf den kleinen Ausgleichsstrom, der
ausgeschaltet. Nach dem Öffnen des nun durch die beiden Spulen und den
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dreiphasigen Wechselrichter (Bild 3c)
a
kombinieren. Durch diese zahlreichen
b
Varianten eröffnet sich dem Borgna-
Konverter eine Vielzahl von Anwen-
dungsgebieten.
Ein Einsatzbereich, für den der
Borgna-Konverter prädestiniert ist,
sind Wechselrichter in Solaranlagen.
Die Autoren schätzen, dass sich damit
c die Verluste eines Solarwechselrich-
ters gegenüber dem heutigen Markt-
standard ungefähr halbieren lassen. In
einem kostensensitiven Bereich wie
Solarwechselrichtern stellt sich natür-
lich die Frage nach der Wirtschaftlich-
keit. Die Kosten für die Elektronik-
komponenten des Borgna-Konverters
sind höher als bei konventionellen
Wandlern. Durch die stark reduzierten
Verluste sinkt jedoch der Aufwand für
Bild 3 Mögliche Topologien von Borgna-Konvertern (Auswahl). a) Abwärtswandler, die Kühlung. Ausserdem führt das
b) Inverswandler, c) dreiphasiger Wechselrichter. sanfte Schalten zu einem sehr vorteil-
haften EMV-Verhalten, weshalb auch
Kurzschlussschalter im Kreis fliesst, ist von zwei Teilwandlern im lückenden bei der Entstörung Kosten eingespart
die Schaltung stromlos (Bild 2g). Nun Betrieb und den Koppelkondensator in werden können. Wenn zudem noch die
werden die beiden Schalttransistoren Kombination mit dem zeitversetzten Ersparnisse beim Energieverbrauch
wieder simultan eingeschaltet und der Abschalten der Schalttransistoren – miteingerechnet werden, so bieten
nächste Zyklus beginnt. Da jedoch der lässt sich direkt auf den Abwärtswand- Borgna-Konverter in vielen Applika-
zweite Teilwandler mit einem gering- ler (Bild 3a) und den Inverswandler tionen nicht nur technische, sondern
fügig positiven Spulenstrom in diesen (Bild 3b) übertragen. Wenn zudem die auch wirtschaftliche Vorteile. Damit
Zyklus startet, wird diesmal der zweite Dioden beim Auf- oder Abwärtswand- bilden sie in vielen Bereichen der Leis-
Schalttransistor zuerst ausgeschaltet. ler durch zwei weitere Schalter ersetzt tungselektronik eine interessante
Die Reihenfolge beim Ausschalten der werden, erhält man einen bidirektiona- Alternative zu konventionellen Schalt-
Teilwandler und die Polarität, mit der len Borgna-Konverter, der die Energie reglern.
der Koppelkondensator aufgeladen in beide Richtungen übertragen kann.
wird, alterniert deshalb von Zyklus zu Obschon die bisher genannten Topolo- Erfahrungen aus der Praxis
Zyklus. gien grundsätzlich Gleichspannungs- Die Autoren haben, gefördert durch
wandler sind, können sie durch Modu- die schweizerische Agentur für Inno-
Varianten und Einsatzgebiet lation der Ausgangsspannung auch als vationsförderung, Innosuisse, und die
Das Grundprinzip des Borgna-Auf- Wechselrichter eingesetzt werden. So Swiss Competence Centres in Energy
wärtswandlers – das Vermeiden von lassen sich beispielsweise drei bidirek- Research on the Future Swiss Electri-
harten Schaltflanken durch den Einsatz tionale Borgna-Konverter zu einem cal Infrastructure (SCCER-FURIES),
RÉSUMÉ
Le convertisseur Borgna
Une nouvelle topologie pour un régulateur à découpage à haute efficacité
De nos jours, les régulateurs électroniques à découpage toire pour les systèmes photovoltaïques de la Haute
sont devenus indispensables. Que cela soit dans les char- école spécialisée bernoise. Celle-ci élimine pratique-
geurs de smartphone, dans les installations photovol- ment les pertes de commutation en commutant les
taïques ou dans les stations de recharge pour voitures transistors uniquement en l’absence de courant ou de
électriques, les convertisseurs sont utilisés partout afin tension. Ce convertisseur Borgna séduit par une struc-
de convertir une tension en une autre. Bien que les régu- ture très simple ainsi que des frais de refroidissement
lateurs à découpage modernes soient très efficaces, des et d’antiparasitage (CEM) plus bas qu’avec les conver-
pertes de commutation considérables se produisent par- tisseurs conventionnels. Avec une régulation optimi-
fois dans les semi- conducteurs de puissance utilisés. sée, le régulateur devrait atteindre à l’avenir un rende-
Une nouvelle topologie pour les régulateurs de ment stable supérieur à 99 % sur une grande plage de
commutation a récemment été inventée au Labora- charge. NO
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im Rahmen eines Forschungsprojekts Ausblick Patent angemeldet. Lizenzen am
einen Prototyp von einem bidirektio- Obschon der Prototyp bereits jetzt ein Patent sind zu günstigen Konditionen
nalen Borgna-Konverter mit 2 kW Nenn- sehr gutes Verhalten zeigt, laufen erhältlich.
leistung (Einstiegsbild) dimensioniert, Untersuchungen, um die Eigenschaf-
gebaut und getestet. Das Gerät erreicht ten durch Optimierungen in der Rege- Link
einen beachtlichen Spitzenwirkungs- lung weiter zu verbessern. Der Wir- J www.pvtest.ch
grad von 99,4 %. Das Störverhalten des kungsgrad des Prototyps ist derzeit Autoren
Prototyps ist ebenfalls sehr erfreulich. stark von der Last abhängig. Mit einer Luciano Borgna ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am La-
bor für PV-Systeme sowie Erfinder des Borgna-Konverters.
Obschon auf jegliche Entstörmassnah- optimierten Regelung soll jedoch ein J Berner Fachhochschule, 3400 Burgdorf
men verzichtet wurde, liegen die lei- stabiler Wirkungsgrad von über 99 % J luciano.borgna@bfh.ch
tungsgebundenen Störspannungen bei in einem weiten Lastbereich erreicht
Daniel Gfeller ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Labor
einer Quasipeak-Messung im normati- werden. Parallel dazu sind die Erfinder für PV-Systeme.
ven Frequenzbereich von 0,15 – 30 MHz auf der Suche nach interessierten J daniel.gfeller@bfh.ch
durchgehend unter 80 dB +V. Solche Industriepartnern, die diese neue
Prof. Urs Muntwyler leitet das Labor für PV-Systeme der
Werte können bei vielen konventionel- Technologie in ihren Produkten ein- Berner Fachhochschule.
len Schaltreglern nur mit aufwendigen setzen wollen. Das Schaltungsprinzip J urs.muntwyler@bfh.ch
Filterschaltungen erreicht werden. des Borgna-Konverters wurde zum
SMART BEGINNT IM KOPF
DAS INTELLIGENTE GESAMTPAKET FÜR EIN ZUKUNFTS-
GERICHTETES SMART METERING UND ENERGIEMANAGEMENT.
Nach dem Prinzip «vom EVU fürs EVU» hat Repower eine innovative und wirtschaftliche Lösung
entwickelt, die sie selbst nutzt und anderen EVU anbietet. Es gibt starke Gründe, warum sich die
SMARTPOWER-Lösung für ein Energieversorgungsunternehmen lohnt:
SMARTPOWER erfüllt alle geforderten Funktionen der StromVV, KANN ABER VIEL MEHR:
• Ausfallsichere Computing-Architektur
• Datenspeicherung in der Schweiz
• Reduziert die Anzahl der Systeme auf einer Plattform
• Unterstützt innovative Tarifmodelle
• Bindet den Endkunden via Smartphone- und Web-Applikation
Daraus resultieren echte Mehrwerte:
KUNDENBINDUNG, KOSTENEFFIZIENZ, UMSATZSTEIGERUNG UND NETZOPTIMIERUNGEN
Das ist SMARTPOWER.
Weitere Informationen finden Sie unter
repower.com/smartpower
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