50 Jahre Syko: Entwicklung zum Power-Systemkomponenten-Haus

Die Solar-, Batterie-, Offshore- und Railway-Branche haben sich auf die Verarbeitung von Spannungen zwischen 750 V und 5000 V eingestellt. Etablierte Konzepte wie die Mehrfach-Level-, sowie kaskadierte Wandler-Topologien ermöglichen es, sehr hohe Eingangsspannungen für große Leistungen, wie sie viele Märkte erfordern, effizient zu verarbeiten.

Die Bahn-Norm UIC 550 und EN50163 legen die standardisierten Betriebsspannungen fest: 750 V, 1000 V, 1500 V_AC und 1500/3000 V_DC. So wurde uns z.B. der Universal-Eingangsspannungsbereich 700 V / 16 2/3 Hz bis 4300 V_DC bei ca. 6 KW / 110 V abverlangt. Aktuelle Siliziumkarbid-Halbleiter mit Nennspannungen von 1200 V, 1700 V, 2200 V (und bis zu 6000 V) bieten neue Möglichkeiten für den Einsatz in Hochspannungsanwendungen. Durch Eingangs-Reihen-Kaskadierung und transformatorseitiger Ausgangs-Parallel-Kaskadierung werden hohe Eingangsspannungen symmetrisch auf mehrere Stufen aufgeteilt.

Intelligentes Laden von Bordnetzen

Elektronik-Entwicklung

DC/DC-Wandler an der Brennstoffzelle

Zum intelligenten, temperaturregulierten Laden von Akkus in Bahn-, Schiffs- und Fahrzeuganwendungen kann ein DC/DC-Wandler ein geeignetes Ladesystem sein, der mit der Energie einer Brennstoffzelle das Bordnetz versorgen und Batteriesysteme laden kann.Hier lesen Sie, wie ein DC/DC-Wandler ein geeignetes Ladesystem sein kann, der mit der Energie einer Brennstoffzelle das Bordnetz versorgen und Batteriesysteme laden kann.

Syko hat diese Technologien weiterentwickelt und deckt damit Spannungsbereiche von bis zu 5000 V sowie Leistungsbereiche von bis zu 30 kW ab. Die verwendeten Isolationsmaterialien und Schaltungstechniken erfüllen die Isolationskoordination der Norm EN 50124, die spezifische Anforderungen an Luft- und Kriechstrecken stellt (z. B. 80 mm für Werte bis 5000 V). Dabei werden Transienten-Spannungen von bis zu 14 kV bei leiterplattenmontierten Leistungsstufen mit OV2 bis OV3 bei max. PD2 berücksichtigt.

Flexible Anpassung an verschiedene Einsatzgebiete

Je nach Anwendung in der Anlage unterscheidet sich die Anzahl der notwendigen Kaskadenstufen durch die Überspannungsausprägung erheblich. Nahe an der Batterie sind die Eingangsspannungen weitgehend statisch. Fahrdrahtgespeiste Systeme oder Transformatorstufen müssen hingegen große dynamische Spannungsschwankungen ausgleichen.

Besonders im Bahnbereich spielen Transienten eine große Rolle. SYKO berücksichtigt deshalb folgende Werte für 750 V- bzw. 1500 V-Fahrdraht Versorgungen:

• Fahrdraht: 750 V_DC (2 Kaskaden), 1500 V_DC (4 Kaskaden)
• Dauerbetrieb: 420 - 1000 V_DC
• Aktivbereich: bis 1270 V / 1 s.
• Inaktivbereich: bis 1700 V für 100 ms, 3000 V / 1 ms

Neu auf dem Markt ist die Serie der 3 / 4 KW Batterielader BLG.UICxxxx.28.110 (xxxx steht für 1000 V_AC / 1200 V_DC / 1500 V_AC 1500 V_DC)

Effizienzsteigerung durch optimierte Halbleiter

SIC-Halbleiter haben uns geholfen, die Kaskadenzahl zu verringern. Ein niedrigerer Widerstand (RDS(ON)) der Leistungshalbleiter reduziert die statischen Verluste (I²R), erhöht jedoch deren Halbleiterkapazität (CU²f), was wiederum eine niedrigere Schaltfrequenz erforderlich machen kann. Das beeinflusst die Dimensionierung der Induktivitäten und Kondensatoren in der Schaltung. Taktfrequenzen von 50 bis 100 KHz sind Standard.

Ein Hochvolt-Wandler am Eisenbahn-Netz

Elektronik-Entwicklung

Digitalisierung in der UIC-Bahntechnik

Systemstromversorgungen, die für Standard-UIC-Spannungen ausgelegt sind, gibt es seit geraumer Zeit. Allerdings wird der Refurbishment-Markt eher zögerlich bedient, wodurch ein Nischenmarkt bleibt. Die Wandler-Serie BLG.UIC ist ein Beispiel für Geräte, die gemäß den Anforderungen der UIC arbeiten.Hier erfahren Sie alles über die Wandler-Serie BLG.UIC, ein Beispiel für Geräte, die gemäß den Anforderungen der UIC arbeiten.

Syko optimiert seine Leiterplatten-basierten Systeme für bis zu 10 kW Leistung. Bei höheren Leistungen von bis zu 30 kW setzt das Unternehmen auf geregelte Parallelkaskadierung. Ziel ist es, Verluste zu minimieren und die Topologien noch effizienter zu gestalten.

Bahntechnik: Normgerechte Entwicklung nach EN 50155

Systemkomponenten an 750-V-Fahrdrahtspannung arbeiten mit zweifacher Topologie-Kaskadierung. Die differenziellen Aufschaltströme (dU/dt) auf die Eingangskapazität im Normenbereich werden mit über 15 Ω komplexem Widerstand begrenzt. Bei 1000 V Aufschaltspannung beträgt der Aufschaltstrom 60 A. Hierfür hat Syko eine aktiv geregelte Vorschaltdrossel entwickelt, die sich selbst versorgt und keine Sättigungseffekte aufweist, um an dynamischen Versorgungsnetzen die differentiellen Ströme niedrig zu halten.

In Hochspannungs-Fahrdrahtsystemen (z. B. 1500 V_DC oder 3000 V_DC) treten bei Lastwechseln starke Transienten und Oberwellen auf. Im Bereich der kleineren Leistungen setzt Syko sein Patentverfahren der Regenerator-Topologie ein, das zusätzlich eine stabile Spannungsversorgung auf allen Potentialebenen bis 5000 V ermöglicht.

Im Leistungsbereich potentialgetrennter ≥ 10 KW-Leistungsstufen ändert sich die Topologie - und Komponentenwahl. Aufarbeitung der Hilfsenergien und der Zugriff auf preisgünstige Induktivitäten und Leistungshalbleiter sind eine neue Herausforderung.

50 Jahre Entwicklung zum Niedervolt- und Hochvolt-Spezialisten

Über 50 Jahre hat das Unternehmen ständig die Leistung seiner Produkte erhöht, von freischwingenden Niedervolt-Wandlern über Durchflusswandler mit geregeltem Zwischenkreis als LLC- Wandler mit fester oder variabler Frequenz. Seitens der Anwender ist sehr stark der Trend auf bis 20 kW und Nennspannungen bis >3000 V gemäß der UIC550 zu erkennen.

Die steigenden Materialkosten stellen dabei eine Herausforderung dar. Durch den Einsatz von kaskadierten Wandler-Topologien kann jedoch die Bauteilgröße erheblich reduziert und Kosten eingespart werden. Auch besteht die Zielsetzung, durch die Verkleinerung der Komponenten in dem leiterplattenbestückten Aufbau zu bleiben, wobei abzuwägen ist, ob der Wirkungsgradverlust von < 1 Prozent bei der Erhöhung der Taktfrequenz von 66 auf 100 KHz zu verkraften ist.

Hochvolt-Systeme: Optimierung und Isolationskoordination

Nennspannungen über 1000 V erfordern eine spezielle Transformator-Wickeltechnik, um die Glimmaussetzspannung zu beherrschen und erhöhte Streuinduktivitäten für die Resonanz einzusetzen. Die Isolationsanforderungen sind in der Norm DIN EN 50124 festgelegt.

Syko nutzt einen speziellen LLC-Transformator-Wandler, der mit fester Frequenz arbeitet, stromresonant ist und sanfte Spannungskommutierung ermöglicht, sowie eine aktive kaskadierte Synchrongleichrichtung für höhere Effizienz erlaubt.

Betrachtet man den Wirkungsgrad, ist ein wichtiger Aspekt die Aufbereitung der Hilfsspannungen. Aktuell ist es üblich, nicht mehr eine separate Hilfsspannung (24 V) dem System zur Verfügung zu stellen.

Bevor ein Wandler in Betrieb geht, müssen alle Hilfsspannungen auf allen Potentialebenen innerhalb ihrer spezifizierten Toleranzen stabil anliegen bei Start aus der Hochvoltversorgung. Der Eingangsspannungsbereich und die Taktfrequenz sind entscheidend für die Höhe des Wirkungsgrades. Bei hohen Leistungen ist es außerdem wesentlich, wie die Verlustleistung auf die Fläche (Kühlkörper) oder das Volumen (Luft) verteilt wird. Dies bedeutet eine hohe Anforderung an den Hardware-Entwickler. Will der Anwender keine wartungsaufwendige Luftkühlung, so muss er prinzipiell eine erhöhte Erwärmung der Komponenten in Kauf nehmen und damit einen verschlechterten LCC-Wert.

Syko ist bis heute in der Lage, Niedervolt-Ein- oder Ausgänge sowie Hochvolt-Ein- oder Ausgänge gemäß VG 96903-76 oder EN62305-4 auszulegen.

Diese Filter können schadlos einem Blitzschlag-Test mit 20 kA (8/20 μs) aus 40 kV bei 2 Ω Generatorwiderstand widerstehen. Dabei werden alle Varianten Leiter+ gegen Leiter- und umgedreht, sowie Leiter+/- gegen PE getestet

Unternehmensentwicklung & Zukunftsaussichten

Syko ist über 50 Jahre ein Firmenverbund. Der Gründer und Inhaber Reinhard Kalfhaus hat über die letzten Jahre Organisation, Produktion SMT und THT, Qualitätssicherung an Birgit Tunk (Geschäftsführung) übergeben. Die Eigenprodukt-Entwicklungen und Kunden-Modifikationen wurden an Ralph Klein weitergegeben.

Nach der Corona-Pandemie wurde begonnen, ein 2500 m² großes Firmengebäude zu errichten, das mittlerweile in Betrieb genommen wird. Der Auftragsbestand ist 2024 um über 100 Prozent gewachsen und reicht bereits bis Mitte 2026 bei einer Umsatzsteigerung von über 20%. Dies zeigt, dass SYKO längst kein Nischenanbieter mehr ist.

Über 60 Prozent der Produkte durchlaufen daher Burn-In- oder Zyklus-Tests, damit die hohen Anforderungen im mobilen Markt für Hochsicherheitskreise erfüllt werden (z. B. bei 70 °C oder -46 bis +85 °C). Die letzten zehn Kunden-Modifikationen wurden problemlos abgeschlossen und haben alle die finalen Zertifizierungen bestanden. Da auch für die Neuprodukte die Serienproduktion bevorsteht, muss Syko in Personal und Infrastruktur in sehr hohem Maße investieren. (bs)