Der AFI-Verpolschutz GTK05

Der AFI-Verpolschutz GTK05SYKO

Wenn auch für viele Patente ihre Blütezeit erst kommt, wenn nach 15 Jahren der Schutz abgelaufen ist, so zeichnen sie sich aus, verschärft definierte Forderungen an expandierenden Märkten zu befriedigen. Die in dem Prinzipschaltbild dargestellte Topologie wird als Vorschaltoption im Bereich der mobilen Anwendungen gefordert. Hier besitzt Syko ein über die Jahre gereiftes Know-how bei kundenspezifischen Anforderungen im Bereich der mobilen Anwendungen. Das Zusammenwirken eines aktiven Verpolschutzes (AVS), aktiven Transientenschutzes (TK), aktiver Aufschaltstrombegrenzung ICL, aktive Speicherzeit ASZ und einer Sleepmode-Funktion (SMF) sind Kundenanforderungen, die aus den Erfahrungen auf Fahrzeugen zu Land, Wasser und Luft entstanden sind.

Der AVS erfüllt die Funktion des verpolbaren Anschlusses zum Schutz der Leistungskomponente speziell bei mobilem Einsatz. Die Hauptaufgabe übernimmt er aber beim Starten eines Fahrzeuges und Zuschalten leistungsstarker kapazitiver Lasten, so dass die Bordnetzsteuerung im µs-Bereich einbricht. Dabei ist nun die Bordnetzspannung niedriger als die zuvor aufgeladenen Eingangskondensatoren im DC/DC-Wandler. Die hierdurch hervorgerufenen Entladeströme erreichen Werte >100 A und das an Kabelanschlusslängen von >5 m bei 10 nH/cm typischer nicht gesättigter Kabelinduktivität.  Daraus ergibt sich eine Längsinduktivität von >5 µH. Bei der einfachsten Betrachtung LI² = CU² ergibt sich bei einer Eingangskapazität von 30 µF ein Spannungseinbruch von ca. 24 V. Das führt zum unerwünschten Abschalten der Leistungskomponente. Dies erfordert einen kapazitätsfreien Eingang mit Transzorb-Dioden und ein extrem schnelles Aktivieren des AVS im µs-Bereich. Eine Längsdiode ist nicht gewünscht, da die hohe Flussspannung einen Hotspot im Layout ergibt. Durch hohe Aufschaltströme über lange Leitungen, Rückspeisung hoher Energien in das Bordnetz werden hohe transiente Langzeitspannungen von >100 V/50 ms erzeugt. Damit diese Transienten mit ihren Anstiegsgeschwindigkeiten an der Eingangskapazität des DC/DC-Wandlers keine Sekundärstörströme aus C x ΔU/Δt erzeugen, begrenzt der stromkaskadierbare TK und ICL den Eingangsstrom geregelt auf vorgegebene Werte bis  über 50 A und begrenzt die Ausgangsspannung auf systemverträgliche System-Spannungen am 24 (110) V-Bordnetz auf knapp über die maximale Langzeitspannung 36 (154) V. Das heißt, Aufschaltströme und Überspannungen führen zu Verlusten, die absorbiert werden und es werden keine Störungen reflektiert.

Prinzipschaltung der Vorschaltoption

Prinzipschaltung der VorschaltoptionSYKO

Spannungseinbrüche im µs-Bereich nach dem AVS werden durch Speicherkondensatoren, die nicht im Zugriff der Bordnetzstörungen liegen, überbrückt. Wird die zu speichernde Energie des Speicherelementes zu groß, muss der Eingangsspannungsbereich dynamisch, nicht thermisch erweitert werden. Dieser typische Spannungseinbruch auf weniger als 9 V und Transientenspannungen größer 100 V/50 ms, sowie Spannungseinbrüche auf 0 V/500 ms oder eventuell auf negative Spannungen sind heute Standardanforderungen, die Syko gemäß Pflichtenheftanforderung problemlos befriedigt.

Bei einem Wirkungsgrad für AVS, ICL, TK von mehr als 98,5 % im statischen Versorgungsbereich, verbessert sich der Wirkungsgrad der nachgesetzten Leistungskomponenten durch Einsatz von 50/60 V Halbleitern statt 150 V am 24 V-Bordnetz um mehr als 3 %, was einen thermischen Gewinn von >10 % bedeutet. Der Hauptgewinn liegt in der Chopper-Drossel solange keine Synchrondioden verwendet werden, sowie der erhöhten Taktfrequenz und gesicherter Funktionalität. Der Gewinn sind I²R- und CU²-Verluste in der Chopperei. Werden zum Beispiel die Bordnetzversorgung über Schleifringe geführt, so kann es zu zeitlichen Versorgungsunterbrechungen bis zu 50 ms kommen. Die hierfür benötigte aktive Speicherenergie sollte in Elementen liegen, die nicht direkt chopperstrombelastet sein sollen. Paralleleinspeisung von Elkos oder Highcaps  mit strombegrenzter Aufschaltung auf den Eingangskreis kann über den TK/ICL-Kreis erfolgen. Nun ist der Verpolschutz passiv als Diode beziehungsweise aktiv als FET erforderlich, damit es zu keinem Energieabfluss in das niederohmige Bordnetz kommt. Damit die Speicherzeit funktional im Einklang mit den weiteren Funktionsbedingungen wie dynamischem Spannungseinbruch auf UEmin funktioniert, wird die ASZ-Funktion ab UEmin kurz vor dem Ausschaltpunkt ausgelöst. Einige Normen verlangen den Speicherzeitgewinn ab Nennspannung, was nicht als funktionserfüllend betrachtet wird. Sichergestellt sein muss, dass die Leistungselektronik voll funktionsfähig bleibt, da sie oftmals sehr verzögert wieder einschaltet. So ist die Speicherzeit auf der Sekundärseite durch Spannungshub vor einem POL-Wandler kritisch zu betrachten.

Selten werden sehr weite Eingangsspannungsbereiche mit einstufigen Topologien verarbeitet, da sie den Wirkungsgrad mindern und meist mit der Streuinduktivität zu kämpfen ist. So bringen Topologien wie bei Netzteilen (Booster bedingt kurzschlussfest und resonanter Sperrwandler ohne Spannungsüberhöhung) automatisch eine aktive Speicherzeit durch den Zwischenkreiskondensator. Der Wirkungsgradgewinn liegt darin, schnellstmöglich von der niedrigen Spannung und den hohen Strömen wegzukommen und keine strom-/spannungsüberhöhende Topologie bei der PWM-Stufe zu haben. Die nachgeschaltete resonante Sperrwandlertopologie hat nur den für die Speicherzeit erforderlichen Spannungshub zu beherrschen. Die so erzielten Wirkungsgrade der Gesamtsystem-Stromversorgung liegt bei liegt im Bereich 90 % bis 95 %.

Diese Eingangsoptionen AVS, TK, ICL, ASZ sowie eine Sleepmode-Funktion (