Bild 1: Der System-Wandler PM01 kann zum intelligenten Laden eines Bordnetzes verwendet werden. (Bild: Syko)
Die DC/DC-Wandler der Serie PM01 werden aus einer Brennstoffzelle gespeist und können so das Bordnetz mit einer Spannung von 250 bis 350 V (600 bis 850 V) versorgen. Im geregelten Stromsplittingverfahren laden sie zusätzlich den Akku mit einer Leistung von 8 kW, kurzzeitig auch bis 9 kW.
Aufbau des Wandlers
Um die Brennstoffzelle zu schonen, ist am Wandler-Eingang eine Aufschaltstrombegrenzung integriert. Diese sorgt für ein weiches Aufschalten auf die Eingangskapazitäten und lädt diese sanft auf. In Verbindung mit einem Hochstromrelais (leistungsloses Schalten) wird gleichzeitig ein Verpolschutz realisiert.
Die Eingangs-Leistungsstufe besteht aus geregelt kaskadierten PWM-Leistungsstufen (Pulsweitenmodulation) mit Synchronschaltern als Diodenersatz. Letzterer bewirkt, dass die Eingangsstufe nicht in den lückenden Betrieb (Discontinuous Current Mode, DCM) übergeht.
Das von Syko angewendete Regelverfahren erfolgt im Average Current Mode (ACM) und ist im Störverhalten und über Last und Eingangsspannungsbereich stabil. Die PWM-Stufen erzeugen eine Zwischenkreisspannung, die bis auf +/- 3 Prozent der Ausgangsspannung entspricht.
Die potenzialtrennende stromresonante und weich kommutierende LLC-Gegentaktstufe ist mit einer 1+1 Wicklung versehen. Auf der Sekundärseite wird der Sinus-Strom direkt auf die Ausgangskapazität geschaltet und erzeugt damit DC-Ausgangsspannungen bis 800 V. Der Eingangsstrom bei 9 kW mit VEingang ≤ 50 V beträgt bei einem Wirkungsgrad ≥ 96 Prozent ungefähr 190 A, bei 30 V sind es bis zu 200A. Um diese Ströme zu beherrschen, wird der Gesamtstrom geregelt auf Einzelstrings aufgeteilt. Ein Einzelstring-System besteht aus einer einzelnen Stromquelle, die eine oder mehrere elektrische Lasten versorgt.
Weitere Eigenschaften
Die Einzelstrings (PWM und Gegentaktstufe) sind mit SMT-Halbleitern bestückt. Diese Montage-Variante wirkt sich günstig auf die Montagekosten aus, da keine Handmontage und keine Verdrahtung erforderlich sind. Um thermischen Verluste zu minimieren, verfügt der Wandler sowohl über eine Wasserkühlung als auch über intern arbeitende Lüfter. Bei den Schaltflanken aktueller FET- oder GAN-Transistoren muss darauf geachtet werden, dass die Verbindungen zwischen den Transistoren und dem Eingangskondensator so kurz wie möglich sind. Sonst werden extreme Überspannungen erzeugt und Platz für Dämpfungsglieder ist nicht vorhanden.
Grenzen der Miniaturisierung
Obwohl die Taktfrequenz auf 100 kHz festgelegt ist und ein Interleaving-Betrieb bei 200-300 KHz erfolgt, sind die Induktivitäten noch immer handbestückte Bauelemente. Hier muss an der Miniaturisierung gearbeitet werden. Durch Erhöhung der Taktfrequenz bei Beachtung des Eingangsspannungsbereiches (CU²f-Verluste) und durch höherer Aussteuerung der PWM-Induktivität (Δ i) lassen sich die Induktivitäten verkleinern, allerdings gibt es aktuell keine passenden SMD-Bauelemente. Bei den Leistungstransformatoren muss die platzraubende Isolationskoordination mitberücksichtigt werden.
Der ungestörte Betrieb eines funktionalen Systemwandler steht einer Miniaturisierung entgegen. Die PWM-Stufen arbeiten mit integralem Leistungshochlauf zum schonenden Betrieb der Brennstoffzelle. Hohe dynamische Anlaufströme werden verhindert und die Abgabe von Dauerleistung erfolgt unter sicheren thermischen Betriebsbedingungen.
Transformatorstufe
Zwischenkreisstrom IZK und Ausgangsstrom IA, sowohl statisch als auch dynamisch, sind über das Transformationsverhältnis identisch. Während bei einem Hochvoltausgang die Ausgangsgleichrichtung mit Hochvoltdioden erfolgt, werden bei einem Niedervoltausgang die Dioden optional durch Synchronschalter ersetzt. Beide Versionen werden in SMT aufgebaut. Da die Streuinduktivität des Leistungstransformators zur Resonanzbildung des Sinusstroms genutzt wird und die Spannungsflanken bis zur Nulllast weich kommutieren, verhält sich die kaskadierte Transformatorstufe unauffällig bei der EMV-Vermessung.
Kontrolle über Hardware
Über entsprechende Hardware (optional mit CAN-BUS) kann der Anwender den Wandler in Hinblick auf die Systemkomponenten Brennstoffzelle und Akkuladung kontrollieren. Dafür müssen folgende Funktionen möglich sein:
- Begrenzung des Eingangsstromes für den optimalen Arbeitspunkt an der Brennstoffzelle. Der Anwender erhält die Eingangsspannung und den Eingangsstrom und sendet den Stromsollwert IE.
- Begrenzung des Ausgangsstromes
Der Anwender erhält die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom und sendet den Sollwert VA und IA.
Weiterhin erhält der Anwender Überwachungsergebnisse der Schaltfunktion oder greift in die Funktion mit Schaltbefehlen ein.
Die Lüfter sind temperaturgesteuert. Das Blockschaltbild zeigt alle Funktionsgruppen und die Versorgung aller Potenzialebenen und Lüfter ab dem internen Housekeeper (Bild 2).
Eine Hilfsspannung von extern ist nicht erforderlich.
Die Regelungen, Adaption und Verknüpfungen laufen über analoge IC-Regelung und werden durch Prozessoren unterstützt.
Durch Prozesstechnik und effizientere Bauelemente will der Leistungselektronik-Hersteller seine Bauteile weiter verbessern. (bs)
