Bild 1: Ein SOI-Wandler von Grau Elektronik. (Bild: Grau Elektronik)
Bild 1: Ein SOI-Wandler von Grau Elektronik. Grau Elektronik
Alle für die in einer Gesamtanlage notwendigen Steuer- und Kommunikationsprozesse benötigten elektronischen Geräte müssen zuverlässig arbeiten. Zwischen Eingangs- und Ausgangskreis wird aus Sicherheitsgründen eine teilentladungsfeste galvanische Trennung gefordert. Der Eingangsspannungsbereich in diesen Anlagen kann je nach Anlagetyp zum Beispiel zwischen 200 VDC und 1000 VDC, 1000 VDC und 2400 VDC oder 2200 VDC und 4500 VDC schwanken. Der typisch benötigte Leistungsbereich liegt zwischen 1 W und 1 kW. Also ebenfalls ein sehr weiter Bereich. Sinnvollerweise werden deshalb mehrere Wandler für unterschiedliche Anwendungsbereiche eingesetzt. Um Sicherheits- und Überwachungsfunktionen der Energieanlage auch bei Spannungsunterbrechungen weiterhin aufrecht zu erhalten, muss die Steuerelektronik aus einem Zwischenkreisspeicher versorgt werden. Solange die Primärenergie zur Verfügung steht, wird ein Pufferspeicher aufgeladen. Aus diesem Zwischenkreisspeicher werden dann, zum Beispiel bei Windstille, die angeschlossenen Elektronikschaltungen weiter versorgt. In technischen Anlagen, wo sehr hohe Spannungen, zum Beispiel 200 VDC bis 1500 VDC, verarbeitet werden, muss diese Spannung innerhalb des DC/DC-Wandlers in eine niedrigere Elektronikspannung für die eigene Versorgung, zum Beispiel auf Spannungen UHSP = 15 V umgesetzt werden. Je höher die DC-Primärspannung ist, desto länger reicht die Speicherzeit bezogen auf die gleiche Kapazität.
W = ½ C x U²
Damit steigen gleichzeitig die Anforderungen für DC/DC-Wandler zur Umsetzung auf Elektronikspannungen, auch unter dem Gesichtspunkt der Anforderungen zur sicheren elektrischen Trennung zwischen lebensgefährlicher Hochspannung und berührungsunkritischer Kleinspannungen.
ECK-DATEN
Zwischen Eingangs- und Ausgangskreis wird aus Sicherheitsgründen eine teilentladungsfeste galvanische Trennung gefordert. Die aus der Primärspannung gewonnene Sekundärspannung soll gegen Eingangsspannungsschwankungen und eventuell auch Spannungsunterbrechungen abgesichert beziehungsweise geschützt werden. Die geregelte 24-V-Spannung auf der Sekundärseite ist so auszulegen, dass trotz Lastschwankungen, im Bereich 0 % bis 100 %, alle angeschlossenen Verbraucher stabil versorgt werden.
Damit die Versorgung lückenlos funktioniert, sind gewisse Mindestanforderungen zur Qualität und Funktionalität bei den Spannungswandlern einzuhalten. Diese Anlagen befinden sich meist in Outdoor-Bereichen, wo ein Zugang sehr zeit- beziehungsweise kostenaufwendig ist. Deshalb müssen die verwendeten Wandlerkonzepte hinsichtlich ihrer Verfügbarkeit sehr zuverlässig arbeiten. Ein sehr guter Wirkungsgrad, geringer thermischer Bauteilestress, niedrige Bauteilebelastung durch Strom- und Spannungsbeanspruchungen müssen beachtet werden. Zusätzliche Überwachungsfunktionen im Regelkreis, Über- und Unterspannungserkennung, sowie Absicherung des Hochspannungskreises ermöglichen dann einen reibungslosen Einsatz.
Anwendungsfall Zwischenkreiswandler für regenerative Anwendungen
Folgendes Beispiel soll einen typischen Anwendungsfall näher beschreiben. Mit ein wenig Phantasie können daraus leicht andere, auch komplexere Anwendungen, abgeleitet werden. Eine große Herausforderung ist, hohe Spannungen mit möglichst hoher Schaltfrequenz (Reduzierung von Volumen und Gewicht) auf niedrige Elektronikspannungen umzusetzen. Denn nur so kann mit einem kleinen Wandlervolumen ausgekommen werden. Platz und Kosten sind immer mitbestimmende Kenngrößen bei solchen Aufgaben. Anhand der Blockschaltung in Bild 2 werden zwei Aufgabenstellungen vorgeführt, aus denen man leicht erkennen kann, dass es sich hierbei nicht um triviale Probleme handelt.
Bild 2: Blockschaltung eines Zwischenkreiswandlers für regenerative Anwendungen. Grau Elektronik
Der interne Steuer- und Regelkreis des DC/DC-Wandlers arbeitet ebenfalls mit einer kleinen Elektronikspannung von typisch 10 bis 15 V. Diese Spannung wird aus der Eingangsspannung abgeleitet. Sobald der DC/DC-Wandler arbeitet, kann diese interne Hilfsspannung aus eigener Kraft, zum Beispiel durch eine Zusatzwicklung auf dem Transformator, mit deutlich weniger Verlusten erzeugt werden. Je nach Schaltungstopologie ist dieser Vorgang mehr oder weniger aufwendig. So ist zu gewährleisten, dass diese Spannung auch im Leerlauf, also ohne angeschlossenen Verbraucher, wie auch im Überlastbereich beziehungsweise Kurzschlussfall aufrecht erhalten bleibt. Andernfalls versorgt sich die Wandlerschaltung wiederum über die Anlaufschaltung. Werden 20 mA Strom für den PWM-Kreis des Wandlers benötigt, ergibt sich somit eine typische und maximale Verlustleistung bezogen auf die Eingangsspannung von:
Typisch: PV = (1000 V – 15 V) x 20 mA = 19,7 W
Maximal: PV = (1500 V – 10 V) x 20 mA = 29,8 W
Bei einem Wandler mit einer Ausgangsleistung zwischen 50 W und 250 W eine sicherlich nicht akzeptable Größe. Schaltungen mit Hiccup-Betrieb kommen nicht in Frage, da hier zum Beispiel der Anlauf mit kapazitiver Last nicht zuverlässig funktioniert. Bei der Eigenversorgung wird die Elektronikspannung nach Anlauf aus einer Zusatzwicklung des Haupttransformators gewonnen. Damit ergeben sich deutlich weniger Verluste:
PV = (24 V – 10 V) x 20 mA = 0,28 W
Im Leerlauf- und Kurzschlussfall sinkt die benötigte Wandlerleistung am Ausgang auf wenige Watt ab. Gleichzeitig wird durch eine integrierte Sparschaltung der Strombedarf des Hauptwandlers reduziert, sodass für diese Ausnahmefälle die Stromaufnahme des PWM-Kreises sich auf maximal PV = (1500 V – 10 V) x 5 mA = 7,5 W reduziert. Damit werden die Bauteile thermisch nicht überlastet. Die Wandlerkurzschlussleistung beträgt etwa 1 V (Restspannung an den Klemmen) x Kurzschlussstrom 5 bis 10 A (je nach Wandlervariante) = 5 bis 10 W.
Ebenso nicht trivial ist das schnelle Ein- und Ausschalten der Leistungshalbeiter zum Beispiel IGBTs oder MOSFETs. Muss der Halbleiter durch Montage und Isolierung an einen Kühlkörper gekühlt werden, weist er in der Regel eine kapazitive Verbindung zum Kühlkörper auf. Diese beträgt für ein TO-220-Gehäuse zum Beispiel 100 pF. Wird jetzt die Eingangsspannung von 1000 V innerhalb 1 µs ein- und ausgeschaltet, ergeben sich folgende kapazitiven Schaltungsverluste:
Ic = C x dU/dt
Ic = 100-12 [As/V] x 1000 [V] / 10-6 [s] = 0,1 A
Ps = 1000 V x 0,1 A = 100 W Spitzenleistung
und bei einer Schaltfrequenz von 40 kHz eine mittlere Verlustleistung von
Pav = 1/T x 2 x ∫ p(t) dt = 1/25 µs x 2 x 100 W x 1 µs = 8 W
Bei Schaltzeiten von 100 ns erhöhen sich diese Werte natürlich dementsprechend.
Diese Anforderungen, wurden zusammen mit einer stabilen Ausgangsspannungsregelung, einer festen Strombegrenzung mit der stromglatt wirkenden Wandlertopologie gelöst. Mit dieser Schaltungstopologie ist ein sicherer Betrieb bei den unterschiedlichsten Betriebsbedingungen, vom Leerlauf bis hin zum Kurzschluss, gewährleistet. Im Arbeitstemperaturbereich -25 °C (-40 °C) bis + 70 °C ermöglichen die DC/DC-Wandler die langzeitzuverlässige Versorgung von Steuerungssystemen innerhalb regenerativen Energiegewinnungsanlagen.
Willi Spiesz
(jj)
