98% Wirkungsgrad versprochen – aber was bleibt in der Praxis? 📊

Als Entwickler von Hybrid-Invertern sehe ich immer wieder das gleiche Muster:

Die Leistungselektronik für PV und Grid? Funktioniert hervorragend. Das Batterieinterface? Hier beginnen die Probleme.

Der bidirektionale DC/DC-Wandler wird zum Flaschenhals – nicht nur bei der Effizienz, sondern auch bei Zuverlässigkeit und EMV.

Das unterschätzte Bauteil 🔋

Während alle über MPPT-Algorithmen und Netzintegration sprechen, fristet der DC/DC-Wandler ein Schattendasein.

Dabei entscheidet er über:

✅ Systemwirkungsgrad: Jeder Durchgang Laden/Entladen kostet 5-10% Energie

✅ Batterielebensdauer: Stromrippel und Übergangsverhalten beeinflussen die Alterung massiv

✅ Systemkosten: Thermisches Management für Verlustleistung treibt die BOM in die Höhe

Was ist ein CLLC Resonant Converter? 🤔

Bevor wir in die Probleme eintauchen, kurz zur Topologie selbst:

Die Grundidee

Ein CLLC ist ein resonanter DC/DC-Wandler mit zwei Resonanzinduktivitäten (L) und zwei Resonanzkondensatoren (C) – daher der Name: C-L-L-C.

Im Gegensatz zum klassischen LLC (der nur in eine Richtung effizient arbeitet) ist der CLLC perfekt symmetrisch aufgebaut.

Das Funktionsprinzip ⚡

Statt mit fester Frequenz hart zu schalten (wie bei Buck/Boost), arbeitet der CLLC mit variabler Frequenz nahe der Resonanzfrequenz des LC-Kreises.

Die Energie schwingt quasi sinusförmig zwischen Primär- und Sekundärseite hin und her.

Der Clou: Zero-Voltage-Switching (ZVS) 💡

Durch die Resonanz schaltet man die MOSFETs genau dann, wenn die Spannung über ihnen null ist.

Das bedeutet:

• Nahezu keine Schaltverluste
• Minimale EMV-Emission
• Höhere Schaltfrequenzen möglich (= kleinere Bauelemente)

Bidirektionalität von Natur aus ↔️

Anders als bei LLC funktioniert die Energieübertragung in beide Richtungen gleich gut – perfekt für Batterieapplikationen, wo man ständig zwischen Laden und Entladen wechselt.

Leistungsregelung über Frequenz 📈

Die übertragene Leistung wird durch die Abweichung von der Resonanzfrequenz gesteuert:

• Näher an Resonanz = mehr Leistung
• Weiter weg = weniger Leistung
• In beide Richtungen symmetrisch

Warum CLLC? Die Theorie klingt verlockend ✨

Diese Eigenschaften versprechen:

🎯 Zero-Voltage-Switching (ZVS) über den gesamten Last- und Spannungsbereich

🎯 Hohe Leistungsdichte durch Hochfrequenzbetrieb (>100 kHz)

🎯 Bidirektionalität ohne zusätzliche Schaltungen oder Asymmetrien

🎯 Soft-Switching = minimale EMV-Probleme

🎯 Theoretisch >98% Wirkungsgrad möglich

Der Reality-Check: 98% vs. Praxis ⚠️

In wissenschaftlichen Veröffentlichungen werden tatsächlich Spitzenwirkungsgrade von 98% und höher dokumentiert – allerdings unter Idealbedingungen:

• Exakt bei Resonanzfrequenz
• Nennlast (nicht Teillast!)
• Optimaler Batteriezustand (50% SoC, 25°C)
• Nach präziser Kalibrierung jedes einzelnen Systems

In der Serienfertigung und im Feldeinsatz sieht es anders aus:

• Durchschnittlicher Wirkungsgrad über alle Lastpunkte: 95-96%
• Bei Teillast (<20%): 90-93%
• Bei ungünstigen Temperaturen: 92-94%
• Nach 2-3 Jahren Betrieb und Bauteilalterung: -1 bis -2%

Die brutale Realität der Implementierung 😰

Doch zwischen Simulation und Serienproduktion liegen Welten:

1️⃣ Toleranzen töten die Resonanz

Die Güte Q des Resonanzkreises ist extrem empfindlich. Fertigungstoleranzen der Induktivitäten (±10-15%) führen zu:

❌ Verschiebung des optimalen Arbeitspunkts ❌ Verlust des ZVS bei Teillast ❌ Notwendigkeit aufwändiger Kalibrierung in der Produktion

Problem konkret: Ihre sorgfältig berechnete Resonanzfrequenz von 100 kHz wird zu 95 kHz oder 105 kHz. Der Converter arbeitet dann permanent außerhalb des optimalen Bereichs.

2️⃣ Der Transformator wird zum Kostentreiber 💰

Anders als beim klassischen LLC brauchen wir hier:

• Zwei präzise abgestimmte Resonanzinduktivitäten (Primär und Sekundär)
• Sehr enge Toleranzen (±5% statt Standard ±15%)
• Präzise magnetische Kopplung (k >0.99)
• Geringe Streuinduktivität für hohen Wirkungsgrad

Resultat: Custom-Trafo statt Standardbauteil = 3-5x höhere Kosten

3️⃣ Steuerung ist nicht trivial 🎛️

Die Frequenzsteuerung eines CLLC erfordert:

• Schnelle DSPs oder FPGAs für präzise Timing-Kontrolle (<10 ns Auflösung)
• Adaptive Algorithmen für unterschiedliche Betriebspunkte (Batteriezustand, Temperatur)
• Burst-Mode für Standby (sonst frisst die Steuerung mehr als gespart wird)
• Deadtime-Optimierung in Echtzeit

Die Herausforderung: Ein simpler PI-Regler reicht nicht. Sie brauchen ein nichtlineares Modell des Resonanzverhaltens.

4️⃣ Das EMV-Desaster bei asymmetrischen Lasten 📡

Sobald die Batterie nicht mehr perfekt symmetrisch reagiert (kalter Start, hoher SoC, Alterung):

⚠️ Resonanzkreis wird verstimmt ⚠️ Hard-Switching-Events treten auf ⚠️ Stromspitzen bei jedem Schaltvorgang ⚠️ EMV-Filter müssen massiv überdimensioniert werden

Real-World-Beispiel: Bei -10°C Batterietemperatur steigt der Innenwiderstand um Faktor 2-3. Ihre perfekt abgestimmte Resonanz ist dahin.

Alternative: Der pragmatische Weg? 🛠️

Viele setzen deshalb auf:

🔹 Dual Active Bridge (DAB) mit Phase-Shift-Modulation → Robuster, aber 2-3% weniger Wirkungsgrad

🔹 Interleaved Buck/Boost mit SiC → Einfacher, bewährt, aber höhere Schaltverluste

🔹 Hybrid-Ansätze → CLLC für Nennlast, Bypass für Teillast

Mein Fazit 🎯

CLLC Resonant Converter sind nicht die universelle Lösung für Hybrid-Inverter.

Sie glänzen in Hochleistungssystemen (>10 kW), wo sich der Engineering-Aufwand lohnt.

Für den Massenmarkt bleiben sie eine Herausforderung.

Die Frage ist nicht “CLLC oder nicht?”, sondern “Für welchen Anwendungsfall rechtfertigt der Effizienzgewinn die Komplexität?”