Der Borgna-Konverter

Die meisten heute eingesetzten Schaltregler basieren auf Gleich­spannungs­wandlern, für die es drei Grund­funktionen gibt. Der Abwärts­wandler setzt eine Spannung auf einen tieferen Wert hinunter, der Aufwärtswandler erhöht die Spannung und der Inverswandler erzeugt aus einer positiven Eingangs­spannung eine negative Ausgangs­spannung. In ihren Grund­formen verfügen diese Gleichspannungswandler über keine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang. Es gibt zudem galvanisch getrennte Schaltregler, wie beispielsweise den Sperrwandler, der in Schalt­netzteilen weit verbreitet ist.

Alle Schaltregler basieren auf dem Grundprinzip, dass die Eingangs­spannung durch Transistoren wie MOSFET oder IGBT zerhackt wird. Diese zerhackte Spannung wird anschliessend durch eine Spule und Kondensatoren wieder geglättet. Das Zerhacken erfolgt durch Puls­breiten­modulation mit einer Schaltfrequenz von typischerweise einigen 10 kHz. Bei jedem Schaltvorgang entsteht in den Schalt­transistoren kurzzeitig eine hohe Verlustleistung. In einem ausgewogen dimensio­nierten Schaltregler machen diese Schaltverluste ungefähr die Hälfte der gesamten Verlustleistung aus. Die Schaltverluste können verringert werden, indem die Transistoren möglichst schnell schalten. Das schnelle Schalten hat jedoch einen Nachteil: Es werden Wechsel­ströme mit hohen Frequenzen generiert, welche sich in Form von elektromagnetischen Störungen äussern. Da diese gewisse normative Grenzwerte nicht überschreiten dürfen, muss bei vielen Schaltreglern ein erheblicher Aufwand zur Entstörung betrieben werden.

Grundprinzip des Borgna-Konverters

Beim Borgna-Konverter werden Schaltverluste vermieden, indem die Transistoren nur im strom- bzw. spannungs­losen Zustand geschaltet werden. Dieses sogenannt sanfte Schalten wird heute bereits bei Resonanz­wandlern angewendet. Diese sind aber sehr komplex und stellen hohe Ansprüche an die Regelung. Im Vergleich dazu ist der Borgna-Konverter in seinem Aufbau simpel und einfach zu regeln. Das Grundprinzip des Borgna-Konverters wird hier am Beispiel des Borgna-Aufwärtswandlers erläutert (Bild 1). Der Übersicht halber werden die Schalt­transistoren in den Bildern durch elektro­mechanische Schalter dargestellt.

Der Borgna-Aufwärtswandler be­steht aus zwei klassischen Aufwärts­wandlern im Parallelbetrieb. Die Innovation besteht im Koppel­kondensator C_C, mit dem die zerhackten Spannungen der beiden Teilwandler verbunden werden. S3 ist ein kleiner Kurzschluss­schalter, der zu Beginn eines Schaltzyklus eingeschaltet ist. Die beiden Teilwandler arbeiten im lückenden Betrieb. Das bedeutet, dass die Spulenströme während der Ausschaltphase der Schalt­transistoren bis auf null absinken. Die Schalt­transistoren der beiden Teilwandler werden gleichzeitig eingeschaltet. Da die Spulen im Einschaltmoment stromlos sind, ist dieser Einschaltvorgang strom- und somit verlustlos. Nach dem Einschalten steigt der Strom in den Spulen an (Bild 2a). Während des Aufladevorgangs wird der Kurz­schluss­schalter ausgeschaltet. Sobald der erste Spulenstrom seinen Sollwert erreicht, werden die beiden Schalt­transistoren leicht zeitversetzt ausgeschaltet. Nach dem Öffnen des ersten Schalt­transistors wird der Strom der ersten Spule in den Koppel­konden­sator umgeleitet, welcher dadurch aufgeladen wird (Bild 2b). Dieser Aufladevorgang dauert deutlich länger als das Ausschalten des Transistors. Deshalb ist der erste Schalt­transistor ausgeschaltet, bevor seine Spannung nennenswert angestiegen ist. Somit ist dieser Abschaltvorgang nahezu verlustlos. Sobald die Spannung über dem Koppel­konden­sator die Ausgangs­spannung erreicht, beginnt die erste Diode zu leiten (Bild 2c). Nun wird der Schalt­transistor des zweiten Teilwandlers ausgeschaltet. Damit wird der Strom der zweiten Spule in den Koppel­konden­sator umgeleitet, wodurch dieser wieder entladen wird (Bild 2d). Auch dieser Entladevorgang dauert viel länger als das Ausschalten des Transistors, weshalb der zweite Schalt­transistor ebenfalls nahezu verlustlos ausschaltet. Wenn der Koppel­konden­sator wieder entladen ist, wird die zweite Diode leitend. Beide Spulen entladen sich daraufhin in den Ausgang. Gleichzeitig wird der Kurz­schluss­schalter wieder eingeschaltet (Bild 2e). Da der erste Teilwandler früher abgeschaltet wurde, erreicht sein Spulenstrom zuerst den Wert null und seine Diode beginnt zu sperren. Da die zweite Diode aber noch leitend ist, beginnt nun ein geringer Ausgleichsstrom vom zweiten in den ersten Teilwandler zu fliessen (Bild 2f). Der Kurz­schluss­schalter verhindert jedoch, dass der Koppel­konden­sator durch diesen Ausgleichsstrom erneut aufgeladen wird. Wenn der Strom der zweiten Spule genügend weit abgesunken ist, beginnt auch die zweite Diode zu sperren. Bis auf den kleinen Ausgleichsstrom, der nun durch die beiden Spulen und den Kurz­schluss­schalter im Kreis fliesst, ist die Schaltung stromlos (Bild 2g). Nun werden die beiden Schalt­transistoren wieder simultan eingeschaltet und der nächste Zyklus beginnt. Da jedoch der zweite Teilwandler mit einem geringfügig positiven Spulenstrom in diesen Zyklus startet, wird diesmal der zweite Schalt­transistor zuerst ausgeschaltet. Die Reihenfolge beim Ausschalten der Teilwandler und die Polarität, mit der der Koppel­konden­sator aufgeladen wird, alterniert deshalb von Zyklus zu Zyklus.

Varianten und Einsatzgebiet

Das Grundprinzip des Borgna-Aufwärtswandlers – das Vermeiden von harten Schaltflanken durch den Einsatz von zwei Teilwandlern im lückenden Betrieb und den Koppel­konden­sator in Kombination mit dem zeitversetzten Abschalten der Schalt­transistoren – lässt sich direkt auf den Abwärtswandler (Bild 3a) und den Inverswandler (Bild 3b) übertragen. Wenn zudem die Dioden beim Auf- oder Abwärtswandler durch zwei weitere Schalter ersetzt werden, erhält man einen bidirektionalen Borgna-Konverter, der die Energie in beide Richtungen übertragen kann. Obschon die bisher genannten Topologien grundsätzlich Gleich­spannungs­wandler sind, können sie durch Modulation der Ausgangs­spannung auch als Wechselrichter eingesetzt werden. So lassen sich beispielsweise drei bidirektionale Borgna-Konverter zu einem dreiphasigen Wechselrichter (Bild 3c) kombinieren. Durch diese zahlreichen Varianten eröffnet sich dem Borgna- Konverter eine Vielzahl von Anwendungsgebieten.

Ein Einsatzbereich, für den der Borgna-Konverter prädestiniert ist, sind Wechselrichter in Solaranlagen. Die Autoren schätzen, dass sich damit die Verluste eines Solar­wechsel­richters gegenüber dem heutigen Marktstandard ungefähr halbieren lassen. In einem kostensensitiven Bereich wie Solarwechselrichtern stellt sich natürlich die Frage nach der Wirtschaftlichkeit. Die Kosten für die Elektronikkomponenten des Borgna-­Konverters sind höher als bei konventionellen Wandlern. Durch die stark reduzierten Verluste sinkt jedoch der Aufwand für die Kühlung. Ausserdem führt das sanfte Schalten zu einem sehr vorteilhaften EMV-Verhalten, weshalb auch bei der Entstörung Kosten eingespart werden können. Wenn zudem noch die Ersparnisse beim Energieverbrauch mit­eingerechnet werden, so bieten Borgna-Konverter in vielen Applika­tionen nicht nur technische, sondern auch wirtschaftliche Vorteile. Damit bilden sie in vielen Bereichen der Leistungs­elektronik eine interessante Alternative zu konventionellen Schaltreglern.

Erfahrungen aus der Praxis

Die Autoren haben, gefördert durch die schweizerische Agentur für Inno­vations­förderung, Innosuisse, und die Swiss Competence Centres in Energy Research on the Future Swiss Electrical Infrastructure (SCCER-FURIES), im Rahmen eines Forschungsprojekts einen Prototyp von einem bidirektio­nalen Borgna-Konverter mit 2 kW Nennleistung (Einstiegsbild) dimensioniert, gebaut und getestet. Das Gerät erreicht einen beachtlichen Spitzen­wirkungs­grad von 99,4 %. Das Störverhalten des Prototyps ist ebenfalls sehr erfreulich. Obschon auf jegliche Entstör­mass­nahmen verzichtet wurde, liegen die leitungs­gebundenen Störspannungen bei einer Quasipeak-Messung im normativen Frequenzbereich von 0,15 – 30 MHz durchgehend unter 80 dB mV. Solche Werte können bei vielen konventio­nellen Schaltreglern nur mit aufwendigen Filter­schaltungen erreicht werden.

Ausblick

Obschon der Prototyp bereits jetzt ein sehr gutes Verhalten zeigt, laufen Unter­suchungen, um die Eigenschaften durch Optimierungen in der Regelung weiter zu verbessern. Der Wirkungsgrad des Prototyps ist derzeit stark von der Last abhängig. Mit einer optimierten Regelung soll jedoch ein stabiler Wirkungsgrad von über 99% in einem weiten Lastbereich erreicht werden. Parallel dazu sind die Erfinder auf der Suche nach interessierten Indus­triepartnern, die diese neue Technologie in ihren Produkten einsetzen wollen. Das Schaltungs­prinzip des Borgna-Konverters wurde zum Patent angemeldet. Lizenzen am Patent sind zu günstigen Konditionen erhältlich.

Link

www.pvtest.ch