Forschungsschwerpunkt

Die Umstellung der Automobile von herkömmlichen Verbrennungsmotoren auf Elektroantriebe stellt eine enorme Herausforderung für die Automobilindustrie dar. Neben hoher Effizienz und geringem Gewicht sind bei hohen Stückzahlen vor allem die Kosten von großer Bedeutung.

In einem On-Board-Ladegerät für die Elektromobilität befindet sich neben einem DC-DC-Wandler, der für die galvanische Isolation zum HV-Fahrzeugnetz sorgt, ein sogenannter Power-Factor-Correction-Konverter (PFC), der als Schnittstelle zum öffentlichen Versorgungsnetz dient. Er sorgt für rein sinusförmige Grundwellenströme (50/60Hz) auf der Eingangsseite.

Ein besonders sperriges und kostenintensives Bauteil ist dabei die PFC-Drossel, die die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung im Versorgungsnetz (230V/50Hz) und der Gleichspannung im Spannungszwischenkreis (800VDC) aufnehmen und gleichzeitig den vollen Laststrom (für 3-phasige 22kW-Geräte 32A) tragen muss.

Eine für diesen Zweck neuartige Drossel wird im Rahmen des europäischen Projekts "HiEFFICIENT" entwickelt. Durch den speziellen Aufbau mit vier magnetisch gekoppelten Wicklungen auf jeweils einem separaten Wickelschenkel und der hohen Schaltfrequenz von 140kHz ist es möglich, die Wicklungen in einem Standard-Leiterplatten-Prozess zu fertigen. Als Magnetkern kann ein kostengünstiger Ferritkern mit sehr geringen Ummagnetisierungsverlusten verwendet werden, der ebenfalls maschinell in großen Stückzahlen hergestellt werden kann.

Dadurch kann das Bauteil reproduzierbar und komplett automatisiert hergestellt werden. Es ist somit sehr preiswert und erfüllt dabei alle technischen Anforderungen, wie Isolationsfestigkeit und Dauerlastfähigkeit. Durch seine sehr flache Bauform ist der thermische Pfad für dessen Entwärmung sehr kurz. Es wird dadurch nicht an seiner thermischen Grenze betrieben, wodurch seine Zuverlässigkeit erhöht wird.

Eine besondere Herausforderung beim Entwurf ist neben der exakten Verlustmodellierung, die gleichmäßige Stromverteilung des Laststroms in allen Teilwicklungen zu gewährleisten. Zudem müssen die vier Teilwicklungen möglichst kurz, ohne zusätzliche Verluste zu verursachen, verdrahtet werden.

Das entworfene Bauteil hat eine Größe von ca. 100mm x 88mm x 14mm. Der Wirkungsgrad des Wandlers wird aufgrund dessen Verluste (ca. 35W) um ca. 0.5% reduziert.