Das Power-Systemkomponenten-Haus Syko wird 50. (Bild: Syko)
Die Solar-, Batterie-, Offshore- und Railway-Branche haben sich auf 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 bereitzustellen.
Die Bahn-Norm UIC 550 legt die standardisierten Betriebsspannungen fest: 1000 V, 1500 V und 3000 V (DC/AC). 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 können hohe Eingangsspannungen symmetrisch auf mehrere Stufen aufgeteilt werden.
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 Norm EN 50124, die spezifische Anforderungen an Luft- und Kriechstrecken stellt (z. B. 80 mm für Werte bis 5000 V bei Hochspannungsanwendungen). Dabei werden Transienten-Spannungen von bis zu 14 kV berücksichtigt.
Flexible Anpassung an verschiedene Einsatzgebiete
Je nach Anwendung unterscheidet sich die Anzahl der notwendigen Kaskadenstufen erheblich. Nahe an der Batterie sind die Eingangsspannungen weitgehend konstant. Fahrdraht-gespeiste Systeme oder Transformatorstufen müssen hingegen große Spannungsschwankungen ausgleichen.
Besonders im Bahnbereich spielen Transienten eine große Rolle. SYKO berücksichtigt deshalb folgende Werte für 750 V-Fahrdraht-Spannungen:
- Dauerbetrieb: 390 - 1000 V
- Kurzfristige Erhöhung: 1270 V für 1 Sekunde
- Extreme Überspannungen: 1700 V für 100 ms / 3000 V für 1 ms
bei einem Quelleninnenwiderstand von Null Ohm.
Effizienzsteigerung durch optimierte Halbleiter
Ein niedrigerer Widerstand (RDS(ON)) in Leistungshalbleitern reduziert die statischen Verluste, erhöht jedoch deren Eingangskapazität, was wiederum eine niedrigere Schaltfrequenz erforderlich machen kann. Das beeinflusst die Dimensionierung der Induktivitäten und Kondensatoren in der Schaltung.
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 Kaskadenschaltungen. 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 Kaskadierung. Die Aufschaltströme (dU/dt) 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 Aufschaltströme niedrig zu halten.
In Hochspannungs-Fahrdrahtsystemen (z. B. 1500 VDC oder 3000 VDC) treten bei Lastwechseln starke Transienten und Oberwellen auf. Im Bereich der kleinen Leistungen setzt SYKO sein Patentverfahren der Regenerator-Topologie ein, die zusätzlich eine stabile Spannungsversorgung auf allen Potentialebenen bis 5000 V ermöglicht.
Im Leistungsbereich ab 10 kW ändert sich die Topologie - und Komponentenwahl. Aufarbeitung der Hilfsenergien und der Zugriff auf preisgünstige Induktivitäten und Leistungshalbleiter sind eine neue Herausforderung.
50 Jahre Entwicklung vom Niedervolt- zum 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 Materialpreise stellen dabei eine Herausforderung dar. Durch den Einsatz von kaskadierten Wandler-Topologien kann jedoch die Bauteilgröße 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 der Isolationskoordination
Nennspannungen über 1000 V erfordern eine spezielle Transformator-Wickeltechnik, um die Glimmaussetzspannung zu kontrollieren und erhöhte Streuinduktivitäten 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 als eine separate Hilfsspannung (24 V) zur Verfügung zu haben.
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.
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.
Während der Corona-Pandemie wurde begonnen, ein 2500 m² großes Firmengebäude zu errichten, das mittlerweile in Betrieb genommen wurde. Der Auftragsbestand ist 2024 um über 100 Prozent gewachsen und reicht bereits bis März 2026. Dies zeigt, dass SYKO längst kein Nischenanbieter mehr ist – mit Stückzahlen über 10.000 Einheiten und Einzelauftragsvolumen von 1 bis 5 Mio. Euro ist das Unternehmen heute ein bedeutender Marktteilnehmer.
Die Anforderungen an Systemfähigkeit und Produktqualität sind enorm gestiegen. Über 60 Prozent der Produkte durchlaufen Burn-In-Tests, damit die hohen Anforderungen im mobilen Markt für Hochsicherheitskreise erfüllt werden (z. B. bei 80 °C oder -40 bis +85 °C). Die neuesten 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 im sehr hohem Maße investieren.