Modeling, Design and Operation of a High Power Dual Active Bridge with Focus on Parasitic Effects

Die zunehmende Durchdringung des elektrischen Energiesystems mit erneuerbaren Erzeugern wie Photovoltaik und Windkraft sowie die wachsende Verbreitung stationärer Speichersysteme und von Ladeinfrastruktur für die Elektromobilität führen zu einer Verschiebung hin zu dezentralen Energiequellen und -senken mit intrinsischen DC-Schnittstellen. Dadurch geraten DC-Netze als Alternative oder Ergänzung zu klassischen AC-Verteilnetzen zunehmend in den Fokus. Im Vergleich zu AC-Netzen ermöglichen sie geringere Wandlungsverluste und eine höhere Effizienz beim Verbinden mehrerer DC-gekoppelter Quellen und Speichersysteme, da sich die Anzahl notwendiger Wandlerstufen reduziert. ... mehrUm diese Vorteile technisch nutzbar zu machen, ist jedoch die Entwicklung leistungsfähiger und effizienter DC/DC-Wandler unverzichtbar, insbesondere im Leistungsbereich mehrerer hundert kW, wie er in modernen DC-Infrastrukturen typisch ist.

Diese Dissertation befasst sich mit der Modellierung, dem Design und dem Betrieb einer galvanisch getrennten Dual Active Bridge (DAB) mit einer Nennleistung von 500 kW unter Berücksichtigung parasitärer Effekte für zukünftige Hochleistungsanwendungen im Niederspannungsnetz. Dazu werden zunächst die theoretischen Grundlagen vorgestellt. Darauf aufbauend wird ein Regelkonzept für jeweils eine Leistungs- und Spannungsregelung hergeleitet. Der Hauptteil der Arbeit untersucht die verschiedenen parasitären Effekte und ihren Einfluss auf das Betriebsverhalten der DAB. Im besonderen der resonante Kommutierungsvorgang bei entlastetem Schalten wird modelliert und detailliert beschrieben. Aufbauend auf diesem Modellierungansatz werden Verfahren vorgestellt, mit denen sich diese Effekte zur Effizienzsteigerung nutzen und das dynamische Verhalten verbessern lassen. Abschließend wird die entwickelte Theorie anhand eines Prototyps voller Leistung experimentell validiert.

The increasing penetration of the electrical energy system with renewable generators such as photovoltaic and wind power, together with the growing deployment of stationary storage systems and charging infrastructure for electromobility, is driving a shift toward decentralized energy sources and sinks featuring intrinsic DC interfaces. As a result, DC grids are gaining attention as an alternative or complement to traditional AC distribution grids. Compared with AC systems, they offer lower conversion losses and higher efficiency when interconnecting multiple DC-coupled sources and storage systems, primarily due to the reduced number of required conversion stages. ... mehrTo fully exploit these advantages, however, the development of high-performance and efficient DC/DC converters is essential, particularly in the power range of several hundred kilowatts, as commonly found in modern DC infrastructures.

This dissertation addresses the modeling, design, and operation of a galvanically isolated 500 kW Dual Active Bridge (DAB), with specific consideration of parasitic effects relevant to future high-power applications in the low voltage grid. The work starts by introducing the theoretical foundations. Building on this, a control concept for both current and voltage controller is derived. The main part of the dissertation examines various parasitic effects and their impact on the operating behavior of the DAB. In particular, the resonant commutation process for soft switching is modeled and described in detail. Building on that model, methods are presented that exploit these effects to improve efficiency and enhance the dynamic performance of the converter. Finally, the proposed theory is validated experimentally using a full scale hardware prototype.