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LT8708 80V Schaltregler, bidirektional
Okt. 2020
Bild von Analog Devices - LT8708, hier das Datenblatt.
Dieser Schaltregler ist eine hervorragende Alternative zu den Schaltreglern, die in Stepup-Tests vorgestellt wurden. Er ist sozusagen der große Bruder des LTC3780 1).
Das Schaltbild wirkt etwas kompliziert auf den ersten Blick. Im wesentlichen ist es jedoch eine H-Brücke mit einer Speicherdrossel und 3 Shunt-Widerständen zur allseitigen Strommessung.
Weiters hat er noch auf GND-bezogene Pins, die die Ströme durch die Shunts repräsentieren. D.h. diese Ströme sind leicht mit einem ADC zu erfassen, wodurch sich ein digitaler Energietransfer-Allrounder realisieren lässt.
Bei erhöhtem Leistungbedarf gibt es den zugehörigen LT8708-1, mit dem ein mehrphasiges System realisiert werden kann. D.h. mehrere Schaltregler (z.B. 2 bis 6 Stück) teilen sich die Lastströme gleichmäßig auf, und arbeiten Phasenversetzt, sodass die Rippelströme in den Kondensatoren minimiert werden können. Bei mehr als 2 Schaltregler braucht es noch einen Taktgenerator, der die entsprechend versetzten Taktsignale erzeugt.
Regelungsmodi
Der Chip hat intern 6 Fehlerverstärker EA1 bis EA6:
- EA1: negativer Eingangsstrom (im Rückwärtsbetrieb), IMON_INN
- EA2: negativer Ausgangsstrom (im Rückwätsbetrieb), IMON_ON
- EA3: Eingangsspannung, FBIN
- EA4: Ausgangsspannung, FBOUT
- EA5: positiver Eingangsstrom, IMON_INP
- EA6: positiver Ausgangsstrom, IMON_OP
Zusätzlich werden Ein- und Ausgagnsspannung noch gegen Über-/Unterspannung überprüft:
- A6: Ausgangsunterspannung, VOUTLOMON
- A7: Eingangsüberspannung, VINHIMON
Schlagen diese Kriterien an, wird der Rückwärtsbetrieb unterbunden (durch internen Open-Drain-Transistor auf Pin ~RVSOFF).
Uni- und Bidirektionale Wandlung
Bei der Bidirektionalen Wandlung (Continiuous Conduction Mode CCM) werden die 4 Spannungen und die 4 Ströme eingehalten:
- Primärer und Sekundärer Strom in beide Richtungen limitiert
- Primäre und sekundäre Spannung zwischen Grenzen gehalten.
Beispiel: Zwei Batterien sind zusammengeschlossen: Primär 12V und Sekundär 24V. Nun kann die 12V-Batterie max. 10A hergeben, aber max. 3A aufnehemn. Die 24V-Batterie kann 5A Aufnehmen und 5A hergeben. Die max. Lasdeschlussspannung ist 14V bzw. 28V. Die Unterspannungsschwelle der Baterien 11V bzw. 22V. All diese Werte werden vom Schaltregler automatisch eingehalten.
Sekundäre Unterspannung und primäre Überspannung werden durch Schaltbedingungen mit Hysterese Eingehalten. Die 6 restlichen Bedingungen werden kontinuierlich geregelt.
Mit dem Pin Mode kann über eine analoge Spannung folgendes eingestellt werden:
- CCM (Continiuous Conduction Mode)
- Burst (Burst mode operation) nur im Vorwärtsbetrieb.
Potenzielle Anwendung im Projekt Nachtsonne
Primär hängen das PV-Modul und der Wechselrichter am Schaltregler.
Sekundär hängt eine Speicherbatterie am Schaltregler, die die Energie für den Nachtbetrieb speichern kann.
Die nominelle Spannung eines PV-Moduls liegt bei ca. 32V und der Strom bei ca. 9A. Die Speicherbatterie hat 8 LFP-Zellen, also min. 24V 4) max. 28V 5).
Tagsüber wird die Batterie geladen (im Vorwärtsbetrieb), wobei dem PV-Modul (primär) max. 4A 6) abgezweigt werden und eine Modulspannung von 26V 7) nicht unterschritten wird, gleichzeitig wird die max. Batteriespannung von 28V eingehalten.
Nachts wird der Wechselrichter durch die Batterie im Rückwärtsbetrieb gespeist. Dabei wird eine primäre Sollspannung (am Modul) von 26V 8) bzw. eine Maximalspannung von 50V 9) eingehalten und ein max. Primärstrom von 6A 10) bereitgestellt. Batterieseitig werden Stromgrenzen von beidseitig 5A 11) eingestellt.
Das Umschalten zwischen Tag- und Nachtbetrieb sollte automatisch passieren, indem die Primärspannung unter die eingestellten 26V fällt.
MPPT
Obiger Vorschlag kommt ganz ohne Rechenleistung aus, d.h. ohne Mikrocontroller. So eine Lösung ist für fixe Grenzen am schönsten. Nachteilig könnte sein, dass der MPPT des Wechselrichters tagsüber durcheinander kommt, bzw. das Modul eben nicht im optimalen Punkt betrieben wird, weil der Schaltregler versucht, die 26V einzuhalten (er drückt die Eingangsspannung so weit runter). Deswegen wurde der Primärstrom auch auf 4A beschränkt. Somit sollte der Wechelrichter auch noch etwa 5A abbekommen, bei einer höheren Spannung als 26V.
Im Nachtbetrieb hingegen könnte es sein, dass die beiden Regler (Wechselrichter und Schaltregler) zu keinem stabilen Betrieb kommen - das muss im Experiment erprobt werden.
Fügt man dem System einen Mikrocontroller hinzu, ließe sich primär ein MPPT realisieren. Strom und Spannung und somit die Leistung lassen sich durch den integrierten Stromverstärker leicht messen. Der Strom des Wechselrichters bzw. des PV-Moduls sollte zusätzlich auch noch gemessen werden. Dann hätte der Schaltregler die volle Kontrolle darüber, wie viel Leistung der Wechselrichter zur Verfügung gestellt bekommt. Durch eine Kommunikationsschnittstelle mit einem zentralen Leistungsmessgerät im Zählerkasten der Haussinstallation könnte die Einspeiseleistung so optimiert werden, dass dem Netzbetreiber nur dann Strom geschenkt wird, wenn die Batterie voll ist und noch immer PV-Stomüberschuss vorhanden ist.
Die aktuelle 12) Regulierung durch die eControl erlaubt Kleinsterzeugungsanlagen eine Einspeiseleistung von max. 800W. Durch solch ein „Nachtsonnesystem“ könnte die eingespeiste Energie über ein Jahr somit wesentlich erhöht werden. Unternehmen haben sich auf ähnliche Fälle bereits spezialisiert 13).