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Simulationsumgebung für sanft schaltende Netzteile

Hochspannungsnetzteile und Gleichstromquellen mit großem Leistungsbereich sind heute allgegenwärtig, aber die effizientesten Konfigurationen sind immer noch schwierig zu optimieren. EU-finanzierte Wissenschaftler entwickelten deshalb eine Simulationsumgebung, um Entwicklungszeit und -kosten einzusparen und gleichzeitig die Produktleistung zu erhöhen.
Simulationsumgebung für sanft schaltende Netzteile
Schaltnetzteile wie auch andere Netzteile übertragen und regulieren die Spannung von der Quelle zur Last und wandeln die elektrischen Eigenschaften auf geeignete Weise um. Man setzt jedoch einen Schaltregler ein, um die elektrische Spannung auf effiziente Weise bei minimalen Verlustleistungen umzuwandeln. Schaltnetzteile sind leichter und kompakter als linear geregelte Geräte.

Resonanzbetriebene Netzteile schalten sanfter und ermöglichen auf diese Weise eine höhere Schaltfrequenz. Das reduziert das Filter- und Transformatorvolumen, die Kosten und die Ausregelzeit. Sie werden immer häufiger eingesetzt, sind allerdings schwieriger zu optimieren als hart schaltende Wandler. Wissenschaftler riefen das EU-finanzierte Projekt RPC-HVTS-DCS ins Leben, um eine Simulationsumgebung für Entwurf und Bau resonanzbetriebener Netzteile zu entwickeln, die in Hochspannungs-Testsystemen (high-voltage test system, HVTS), Gleichstromquellen für programmierbare Netzteile (direct current programmable power supplies sources, DCS) und bidirektionalen Hochspannungswandlern verwendet werden können.

Hochspannungs-Testsysteme werden häufig zur Erprobung von Stromkabeln, Generatorwicklungen usw. eingesetzt. Programmierbare Gleichstromquellen sind auf Labortischen und als automatisierte Testausrüstung für die Emulation von Batterien, Photovoltaikmodulen usw. allgegenwärtig. Bidirektionale Hochspannungswandler werden zunehmend im Bahnbereich, bei Hybridfahrzeugen, bei der Energiegewinnung und bei Raumfahrtanwendungen eingesetzt.

Die Wissenschaftler entwickelten die Spezifikationen für die verschiedenen innerhalb des Projekts ausgemachten Einsatzzwecke und verglichen die verfügbaren Resonanzwandlertechnologien, um für jede Anwendung das Richtige zu finden. Sie definierten die einzusetzende Modulationsstrategie und die Systemtopologien, die zur Entwicklung der modellbasierten CAD-Umgebung (computergestütztes Entwerfen, Gestalten und Konstruieren, Computer-Aided Design) hinführten. Sie verwendeten das System im Folgenden zum Bau von drei Demonstratoren, welche erprobt wurden, um die Modellierungsfortschritte durch Messungen zu bestätigen. Die Modellierungs- und Versuchsergebnisse bewiesen überzeugende Konsistenz und trugen zur Validierung der Entwurfsumgebung bei. Die Leistung der entworfenen Systeme wurde im Vergleich zu den existierenden Systemen hinsichtlich des Energieverbrauchs und der Dynamik verbessert.

So konnte RPC-HVTS-DCS eine neuartige CAD-Umgebung für Entwurf, Konstruktion, Ausführung und Optimierung von Resonanzwandlern für zuverlässige und leistungsstarke Gleichstromquellen bereitstellen, welche die Herausforderung des extrem breiten Leistungsbereichs meistern. Von der Entwicklung erwartet man Kostensenkungen, weniger erforderliche Expertise und kürzere Produkteinführungszeiten. Damit soll die Wettbewerbsfähigkeit der kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) dieses Sektors gestärkt werden.

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