USV für Steuerelektronikschaltungen

Insbesondere bei der Energiegewinnung aus Wind- oder Sonnenenergie sind keine durchgehenden Energieumwandlungen möglich. Bei Windstille gibt es keinen Generatorbetrieb und wenn die Sonne nicht scheint keine Photovoltaik-Energieumwandlung. Um die Sicherheits- und Überwachungsfunktionen der Energieanlage in solchen Fällen weiterhin aufrecht zu erhalten, muss die Steuerelektronik so konzipiert sein, dass sich die relevanten Prozessaufgaben, Speicherwerte und Anlagenparameter durchgängig verarbeiten lassen.

Solange die Anlage Energie erzeugt, lädt sie einen Pufferspeicher auf. Wenn die Primärenergie ausfällt, kann der Puffer die Steuerschaltungen weiter versorgen. In technischen Anlagen, wo hohe Spannungen wie 200 bis 1500 V_DC Verarbeitung finden, muss man diese Spannung wiederum in eine niedrigere Elektronikspannung für die Versorgung der Regel- und Steuerelektronik wie auf Spannungen U = 15 bis 24 V umsetzen. Je höher die DC-Primärspannung ist, desto länger reicht die Speicherzeit.

• W = ½ C ∙ U²

Damit steigen die Anforderungen sowohl an DC/DC-Wandlern zur Umsetzung auf Elektronikspannungen als auch zur sicheren elektrischen Trennung lebensgefährlicher Hochspannung und berührungsunkritischer Kleinspannungen. Damit die Versorgung lückenlos funktioniert, sind gewisse Mindestanforderungen zur Qualität und Funktionalität bei den Spannungswandlern einzuhalten. Die Anlagen befinden sich häufig in Outdoor-Anwendungen, wo ein Zugang zeit- beziehungsweise kostenaufwändig ist. Deshalb müssen die Wandlerkonzepte zuverlässig arbeiten. Ein guter Wirkungsgrad, geringer thermischer Bauteilestress, niedrige Bauteilebelastung durch schnelle Strom- und Spannungsbeanspruchungen muss der Entwickler bei der Planung beachten. Zusätzliche Überwachungsfunktionen im Regelkreis, Über- und Unterspannungserkennung und Absicherung des Hochspannungskreises fördern den reibungslosen Einsatz.

Ein typischer Anwendungsfall

Aus diesem Szenario lassen sich leicht komplexe Anwendungen ableiten. Eine Herausforderung ist dabei, hohe Spannungen mit möglichst hoher Wandlerschaltfrequenz (Reduzierung von Volumen und Gewicht) auf niedrige Elektronikspannungen umzusetzen. Denn nur so lässt sich mit einem kleinen Wandlervolumen auskommen. Platz und Kosten sind immer mitbestimmende Kenngrößen bei solchen Aufgaben. Das Blockschaltbild (Bild 1) zeigt zwei Aufgabenstellungen, aus denen sich leicht erkennen lässt, dass es sich hierbei nicht um triviale Probleme handelt.

Bild 1: Das Blockschaltbild des 50-SOI-500-M24-Wandlers.Grau Elektronik

Der Steuer- und Regelkreis des DC/DC-Wandlers arbeitet mit einer kleinen Elektronikspannung von typischen 10 bis 15 V. Diese Spannung leitet sich aus der Eingangsspannung ab. Sobald der DC/DC-Wandler arbeitet, lässt sich die interne Hilfsspannung aus eigener Kraft mit deutlich weniger Verlusten erzeugen. Je nach Schaltungstopologie ist der Vorgang mehr oder weniger aufwändig. So lässt sich sicherstellen, dass die Spannung auch im Leerlauf, also ohne angeschlossenen Verbraucher, wie auch im Überlastbereich oder Kurzschlussfall aufrechterhalten bleibt. Andernfalls versorgt sich die Wandlerschaltung über die Anlaufschaltung.

Verluste berechnen

Bei 20 mA Strom für den PWM-Kreis des Wandlers ergeben sich somit folgende Verlustleistungen:

• Typische Verlustleistung: P_V = (1000 – 15 V) ∙20 mA = 19,7 W
• Maximale Verlustleistung: P_V = (1500 – 10 V) ∙ 20 mA = 29,8 W

Bei einem Wandler mit einer Ausgangsleistung zwischen 50 und 250 W ist diese Verlustleistung nicht akzeptabel. Auch Schaltungen mit Hiccup-Betrieb kommen nicht in Frage, da hier der Anlauf mit kapazitiver Last nicht zuverlässig funktioniert. Bei der Eigenversorgung gewinnt der Betreiber die Elektronikspannung aus einer Zusatzwicklung des Haupttransformators. Damit ergeben sich deutlich weniger Verluste:

• P_V = (24 – 10 V) ∙ 20 mA = 0,28 W

Im Leerlauf- und Kurzschlussfall sinkt die Wandlerleistung auf wenige Watt ab, gleichzeitig reduziert eine integrierte Sparschaltung den Strombedarf des Hauptwandlers, so dass für diese Ausnahmefälle die Stromaufnahme des PWM-Kreises sich auf maximale P_V = (1500 – 10 V) ∙ 5 mA = 7,5 W reduziert. Damit erfolgt keine thermische Überlastung der Bauteile. Die Wandler-Kurzschlussleistung beträgt zirka 1 V (Restspannung an den Klemmen) ∙ Kurzschlussstrom 5 bis 10 A (je nach Wandlervariante) = 5 bis 10 W.

Schaltgeschwindigkeit

Ebenfalls nicht trivial ist das schnelle Ein- und Ausschalten der Leistungshalbleiter beispielsweise von einem IGBT oder MOSFET. Muss der Halbleiter durch Montage am Kühlkörper sitzen, weist er in der Regel eine kapazitive Verbindung zu diesem auf. Bei einem TO-220-Gehäuse sind es etwa 100 pF. Schaltet der Betreiber nun die Eingangsspannung von 1000 V in 1 µs ein und aus, ergeben sich folgende kapazitiven Schaltungsverluste:

• I_c = C ∙ dU / dt
• I_c = 100^-12 A_s / V ∙ 1000 V / 10^-6 s = 0,1 A

P_s =  1000 V ∙ 0,1 A = 100 W Spitzenleistung und bei einer Schaltfrequenz von 40 kHz eine mittlere Verlustleistung von:

• P_av = 1/T ∙ 2 ∙ ∫ p(t) dt = 1 / 25 µs ∙ 2 ∙ 100 W ∙ 1 µs = 8 W

Auf zwei Stufen zum Erfolg

Um diese Anforderungen zu erfüllen, eignet sich eine zweistufige stromglatte Wandlertopologie zusammen mit einer stabilen Ausgangsspannungsregelung und einer in allen Arbeitspunkten festen Strombegrenzung.

Bild 2: Die SOI-Wandler versorgen Steuerungs- und Rechnersysteme bei der Energiegewinnung.Grau Elektronik

Deren UI-Kennlinie eignet sich besonders zum Betrieb hochkapazitiver Verbraucher, etwa einem Akku. Mit der Schaltungstopologie ist ein sicherer Betrieb bei den unterschiedlichen Betriebsbedingungen (Leerlauf bis Kurzschluss) an den Ausgangsklemmen gesichert. Im Arbeitstemperaturbereich von -25 °C (-40 °C) bis +70 °C ermöglichen die SOI-DC/DC-Wandler (Silicon-On-Insulator) laut Grau Elektronik eine langzeitzuverlässige Versorgung von Steuerungs- und Rechnersystemen innerhalb regenerativen Energiegewinnungsanlagen.

(rao)