Modulær opbygning af effektelektroniske konverterer i effektområdet 1-10 kW

Projektet har omfattet to ph.d.-forløb på hhv. AAU og DTU, hvor der er opbygget to typer konvertere, der kan øge spændingen fra decentral elproduktion (brændselsceller og solceller) fra 20-60 V til 400 Vdc.

I to Ph.D projekter opbygges to demonstrator konvertere, hhv. med og uden galvanisk adskillelse. Konverterne skal øge energivirkningsgraden ved konvertering af elproduktion fra bl.a. brændselsceller og solceller fra ca. 90 % til 96 %, bl.a. gennem en modulær opbygning.

Litteraturstudierne afdækkede nogle grundlæggende fejl i den hidtidige internationale forskning, og på grundlag af den erkendelse blev der udviklet nye kompakte konverterdesigns med anvendelse af et nyt halvledermateriale SiC og magnetiske komponenter.

Det lykkedes i begge delprojekter at udvikle en demonstrations-konverter med magnetiske designs, som omtrent var uden de parasitiske egenskaber, der forårsager tab i virkningsgrad, og der blev også fundet hensigtsmæssige effektelektroniske kredsløb.

I designet er den magnetiske komponent brugt til at skabe lav spænding ved høj strøm og høj spænding ved lav strøm. Med dette nyskabende design blev det ikke nødvendigt at benytte soft switching til at begrænse de parasitiske egenskaber, og det blev derfor muligt at overskride en ellers magisk grænse for konverter-virkningsgrader på 96 %.

I den ikke-galvanisk isolerede konverter fra AAU ser alle komponenter både den høje strøm fra indgangssiden og den høje spænding fra udgangssiden. Det betyder, at der opstår et uforholdsmæssigt højt stress på alle komponenter. Denne type konverter er derfor mest velegnet til lave effekter, dvs. mindre end 1 kW.

Den galvanisk isolerede konverter fra DTU har et design, der betyder, at komponenterne på indgangssiden ser den lave spænding og den høje strøm og kan optimeres hertil. Komponenterne på udgangssiden ser den høje spænding og den lave strøm.

Det betyder, at det bliver lettere at optimere anvendelsen af komponenterne, så de kan benyttes, hvor de er bedst egnede. Topologien for den galvanisk isolerede konverter er efterfølgende blevet patenteret. Den er skalerbar og kan derfor tilpasses en vilkårlig udgangseffekt.

I projektet er der demonstreret konvertere med hhv. 1,5 kW, 3 kW og 10 kW effekt.

Ved afslutningen af de to delprojekter blev der for den galvanisk isolerede konverter målt virkningsgrader på op til 98,2 %, hvilket er ny verdensrekord, og selv i det kritiske arbejdsområde ved lav indgangsspænding og højeste udgangseffekt var virkningsgraden over 96,5 %. Den ikke-galvanisk isolerede konverter opnåede en virkningsgrad på mere end 97,5 %.

Det er ikke muligt at øge effektniveauet uden at reducere virkningsgraden. Derfor er det modulære design hensigtsmæssigt, fordi man kan øge effektområdet og bibeholde en høj virkningsgrad.

Projektet var nomineret til ELFORSK Prisen 2012.