Frontend-DC/DC-Wandler ist bis 110 Volt Eingangsspannung nutzbar

An die Ausgangsgleichspannung werden 1-Phasen-Wechselrichter beziehungsweise 3-Phasen-Drehrichter mit f/U-Regelung oder Hochvoltbatterien angeschlossen. Bei einem Übersetzungsverhältnis von 1:20 bis 1:40 wird die nicht kurzschlussfeste Boost-Topologie gegenüber der Transformatorlösung an Wirkungsgrad erheblich verlieren. Es lassen sich Hochstrom-Eingangsstufen mit einem maximalen Summen-Eingangsstrom von 175 A/dynamisch bis zu 250 A beherrschen. Um die Produktionskosten gering zu halten, wurden alle aktiven Bauelemente in SMT und mit dem entsprechend von Syko (Eigenschreibweise: SYKO) entwickelten Wärmemanagement aufgebaut.

Um die Ströme zu beherrschen, hat das Unternehmen die Leistungsblocks II und III in jeweils sechs Strings aufgeteilt. Um diese Leistung, Ströme und Spannungen zu beherrschen, muss jeder String zweistufig mit einer PWM-Leistungsstufe I und einer taktsynchronisierten 180° + 180° Gegentaktstufe II in Strom- und Spannungs-Resonanz aufgebaut werden. Also eine Topologie ohne Spannungs- und Stromüberhöhung, mit einer primären Drosselbewertung und den Trafos mit einer 1+1-Wicklung. Die Streuinduktivität wurde für die Resonanz der Gegentaktstufe hergenommen. Die Ausgangsgleichrichtung arbeitet direkt auf den Ausgangskondensator CV bei Niedervoltausgängen mit Synchrongleichrichtung statt der Dioden zur Wirkungsgradverbesserung (Bild 2).

Bild 2: Blockschaltung der einzelnen Leistungsblöcke I bis IV. Syko

Die Einzelstrings werden parallel stromgeregelt auf Referenz-Genauigkeit, und es werden 3 × 2 Stufen 120° phasenversetzt (Interleaving) zur Verringerung der Eingangsstromwelligkeit betrieben.

Die Strings

Bei den heutigen Halbleitern (niederohmige/schnell schaltend) ist es egal, ob die Strings des Block II in Buck- oder Boost-Topologie aufgebaut werden. In die Strings des Blocks III muss eine kurzschlussfeste LLC-Topologie genommen werden, wenn in II eine Boost-Topologie genommen würde. Syko macht zur Bedingung, dass die Blöcke II und III mit frequenzkonstanter taktsynchroner Ansteuerung arbeiten und der Block III sind einfach hocheffiziente stromresonante und weich kommutierende Gegentaktstufen. Die Buck-Topologie arbeitet mit 100 kHz und die Gegentaktstufe mit 50 kHz.

Da die Strings des Block II alle mit dem gleichen Strom in die Gegentaktstufen arbeiten, können die Ausgänge problemlos durch diese geregelte Stromaufteilung parallelgeschaltet werden. Um die Strings des Block II nicht stromlückend zu betreiben, werden die Dioden durch Synchronschalter wirkungsoptimiert ersetzt.

Wegen der Stromresonanz des Block III sind die 400/750-V-Dioden problemlos, da sie bei Strom-Nulldurchgang kommutieren. Block II und III wurde mit SMT-Halbleitern bestückt und Syko beherrscht das Wärmemanagement mit -40 bis +70 °C Umgebungstemperatur ohne Derating (optional +85 °C). Wirkliche Probleme entstanden im Passiv-Bereich. Die Niedervolt-Zwischenkreise A, B und eventuell C sind in den Einzelstrings durch hohe Effektivströme bis etwa 30 A_eff belegt. Folienkondensatoren sind viel zu groß, um die erforderliche geringe Spannungswelligkeit zu halten. Tantalkondensatoren beherrschen die Spannung, den Effektivstrom und schnelles Spannungsaufschalten nicht und sind eine Brandgefahr. Die heutige Lösung sind Polymer-Kondensatoren. Diese beherrschen mehr als 3,5 A_eff pro Gehäuse, 10 mm Durchmesser/12,5 mm Höhe und durch Parallelschalten die Effektivströme von 30 A_eff mit 80 V (A)/40 V (B) die Topologie. Generell setzt Syko die Polymer-Kondensatoren erfolgreich – und wenn richtig dimensioniert – problemlos ein. Im Niedervoltbereich sind sie eine sehr gute Alternative zu Tantal-Lösungen, da sie sehr niederohmig im ESR (25 mΩ) und daher konstant über die Temperatur resistent gegen hohe Effektivstrombelastung und hochkapazitiv für hart schaltende und resonante Effektivströmen sind.

Falschbehandlung führt zu explosiver Zerstörung

Formel 1 Syko

Eine Falschbehandlung führt erfahrungsgemäß zu einer explosiven Zerstörung, und es ist ein „Blitz“ zu sehen, aber keine anhaltende Flamme. Als Niedervolt-Zwischenkreis-Abblockung an Buck/Boost, Gegentaktstufe und Hochstromausgängen ohne Drosseln setzte Syko entsprechend dem Effektivstrom der Leistungsstufe die erforderliche Anzahl parallel geschalteter Kondensatoren ein. Dabei wird durch Mehrlagen-Leiterplatten auf eine gute Aufteilung des Gesamtstromes auf die einzelnen Kondensatoren geachtet. Zumindest mittels Current-Probe und Wärmebildkamera scheint dies sehr gut zu gelingen.

Formel 2 Syko

Ein hartes Aufschalten der Versorgungsspannung bis 40 V macht als X-Kondensator in Eingangsfiltern und Ausgangsfiltern bei Batterieladern bislang keine Probleme. Dabei ist zu beachten, dass die Aufschaltströme höher sind als der vom Hersteller genannte Spitzenstrom. Dies geht einher mit der integralen Verlustleistung aus Spannung und Strom während der Aufladephase. Hier würde der größere Folienkondensator mit seiner wesentlich größeren Folienfläche diese Explosionsgefahr nicht aufweisen. Ein Kondensator mit kleiner 50 mΩ an 4 m Kabel (4 µH) als nicht sättigende Induktivität und einer Kapazität von 10 µF/200 V erzeugt einen Aufschaltstrom Ix von 55 A bei 40 V und einer dynamischen Quellimpedanz von 50 mΩ (siehe Formeln 1 und 2).

Kommt man nun auf den Gedanken, die Leistungsinduktivität durch nicht sättigende Drosselkerne (MPP) zu vergrößern, so steigt der R_X-Wert und der I_X-Wert sinkt aber durch die Speicherenergie in der Gesamtinduktivität (LI²) ab. Nach dem Erreichen der Versorgungsspannung am Kondensator steigt dessen Spannung weiter an (siehe Formel 3).

Formel 3 Syko

Auch weiterhin Folienkondensatoren

Somit hat Syko entschieden, die Hochvolt-Hybrid-Kondensatoren im Eingangsfilterkreis, die beim harten Aufschalten explodieren, wohl doch weiterhin durch Folienkondensatoren zu ersetzen und dort, wo die Kapazität auf engstem Raum benötigt wird, mittels Vorladung sanft aufzuladen. Bei einer 3/4,2 kW Frontendstufe bis auf 18 V runter, tritt ein Gesamtstrom von 175 A statisch/246 A dynamisch auf. Bei einem PWM-Signal von 50 Prozent beträgt der maximale Effektivstrom etwa 125 A_eff/170 A_eff dynamisch. Das bedeutet ungefähr 48 Kondensatoren oder mehr. Aufgeteilt wird die Topologie in mindestens sechs Strings mit nun etwa acht Kondensatoren pro String.

Will man die Kondensatoren durch hartes Aufschalten nicht überfordern, so setzt Syko sein Patentverfahren des Aktiven-Load-Dump-Schutzes ein. Dabei entstehen keine differenziellen Aufschaltströme und die Eingangsstufe kann transientenfest bis deutlich über 100 V/350 ms werden, und die maximale Ausgangs-Zwischenkreisspannung wird auf 40 V begrenzt. Optional werden auch Load-Dump-Impulse (VG96916) mit 151 V/350 ms beherrscht und der Aufschaltstrom beträgt 325 A (Formel 4). Auch dieser Strom kann nur durch eine geregelte Stromkaskadierung beherrscht werden.

Formel 4 Syko

Das dem Aktiven-Load-Dump-Schutz vorgeschaltete EMV-Filter wird nun mit hochstromfesten Folienkondensatoren ausgelegt. Die Filter-Kapazität mit vorhandener Leistungsinduktivität bildet zwar einen Schwingkreis, aber der PWM-Regelkreis dämpft diese Resonanzerscheinung durch seine Gestaltung mit Störgrößenaufschaltung.

Besteht der Kampf mit den Load-Dump-Impulsen nicht, so wird der Leistungsteil der 4,2-kW-Stufe erst aktiviert, wenn der Housekeeper seine Hilfsspannungen für alle Potenzialebenen und für das Schütz (17 V/0,6 A) zur Verfügung gestellt hat. Das Schütz schaltet leistungslos beim Aktivieren und Ausschalten des Wandlers und überbrückt einen impulsfesten Vorlade-Widerstand mit in Reihe geschalteter Diode. Optional kann das Schütz auch durch einen Halbleiter (je nach Strom) ersetzt werden. Eine solche Frontendstufe für 24/36/110-V-Bordnetze mit und ohne Potenzialtrennung zum Aufbau von Batterieladern, Batterie-Wechselrichtern, Drehrichtern stehen dem Projektmanagement bei Syko serienreif zur Verfügung.

Bild 3: Eine 1,6-/dynamisch 1,9-kW-Frontendleistungsstufe mit potenzialgetrennter nachgeschalteter 230-V-Sinus-Wechselrichterstufe 1,5 kW mit IT-Sicherungskonzept und für extreme Schock/Vibrationsbelastung für den Defence-Markt (Serie DWR 1500). Syko

Das im Syko-Verbund entwickelte Know-how ist top innovativ und die Entwicklungsmannschaft lässt sich weiterhin fordern für Leistungselektronik mit Hochsicherheitsanforderung.

(jj)