Bild 1: Die Stromversorgungen der Serie ALR für Eingangsspannungen im Bereich 14,4 bis 154 V haben fünf Ausgänge mit zusammen 125 W Leistung.

Bild 1: Die Stromversorgungen der Serie ALR für Eingangsspannungen im Bereich 14,4 bis 154 V haben fünf Ausgänge mit zusammen 125 W Leistung.SYKO

In der jetzigen Zeit ist auf dem Gebiet der Stromversorgungen der Vorsprung am Markt weniger durch Patentanmeldungen innovativer Technologien zu erringen, sondern durch das spezifische Wissen, Topologien richtig einzusetzen. Interessante Patente laufen aus. Hart schaltende IGBT-Halbleiter werden mit Frequenzen größer 50 kHz und stromresonante und weich kommutierende IGBT-Vollbrücken mit Taktfrequenzen über 150 kHz betrieben.

Hochleistungsstufen, in denen Dioden durch Synchronschalter ersetzt werden, bringen uns Wirkungsgrad und Funktionalität. Ausgangsdioden, die durch synchrone FET-Stufen ersetzt werden, bringen umso mehr Wirkungsgradgewinn, je niedriger die Ausgangsspannung ist und außerdem wird die Funktion der Rückspeisefähigkeit gewonnen. Die phasenrichtige Ansteuerung und die Regenerierung der Ansteuersignale sind bei hart geschalteter Gegentaktstufe oder einem Sperrwandler im Dreiecksbetrieb einfach. Bei einer resonanten Sperrwandler-Topologie (Trapezbetrieb) ist aber spezifisches Wissen unserer Entwickler gegeben.

Ein aktiver langsamer Verpolschutz beziehungsweise Transientenschutz bedeutet wenig Aufwand. Muss aber eine negative Transiente sehr schnell abgeblockt werden oder soll bei einer positiven Überspannung der differentielle Strom mit sehr schnellem Flankenanstieg begrenzt werden, so gibt es hier durch Syko geschaffene Lösungen.

Synchrone Buck- und Boost-Stufen haben wegen des Kurzschlussverhaltens des Off-Transistors oder der Rückspeisefähigkeit erhebliche Anstrengungen abverlangt. Der viel gelobte hochkapazitive Keramikkondensator zeigt seine Probleme, je höher er spannungsmäßig ausgereizt wird und je kleiner seine Bauform ist, da er dann stark an Kapazität verliert und ungewollte Resonanzerscheinungen hervorruft.

Märkte verändern sich

Globale Hersteller mit Stückzahlmärkten nutzen alle die eingangs genannten Vorteile (höherer Wirkungsgrad, höhere Taktfrequenz und so weiter). Die Versorgung der Nischenmärkte durch Syko als Individualbetrieb erfolgt nach dem Kosten-Nutzen-Prinzip angepasst an die Stückzahl. So fertigen und entwickeln wir vom Einzelstück (Aufarbeitung der Zukunft) bis Tausenderchargen. Dies nennen wir kundenspezifische Globalität, bauen eventuell größer, da Funktionalitätserfüllung gefordert ist, und das Bauvolumen zur Verfügung steht. Außerdem integrieren wir kontinuierlich verbesserte Entwicklungs-, Produktions- sowie Vertriebsstrukturen. Der Markt verlangt von Syko sehr viel und die Firma stellt sich den Forderungen der Kunden mit Investitionen in Personal und Produktionsfläche. Ein neues Betriebsgelände ermöglicht es, die Fläche für Forschung und Entwicklung zu verdoppeln, höhere Leistungen zu beherrschen (n x 5 kW) und die Produktion effizienter zu gestalten.

So zeichnet den Firmenverbund aus, der seinen Standort in Mainhausen bei Frankfurt hat, dass er eine erfahrene Mannschaft für Entwicklung, Produktion, QS und Vertrieb mit Organisationsstrukturen mit vierzigjähriger Erfahrung hat, der sich stets mit „alter“ Mannschaft neuen Marktanforderungen angepasst hat. Syko setzt nicht auf globale Stückzahlen wie zum Beispiel im LED- und Solarmarkt, sondern auf kundenspezifisch modifizierte Produkte, die mit hoher Flexibilität, extremem Forschungs- und Entwicklungs-Know-how und Produktionsstärke für den mobilen Markt zu Land, zu Wasser und in der Luft geschaffen werden.

Aktuelle Entwicklungen

Bild 2: Die Stromversorgung Z11 ist prozessorüberwacht und hat die Eckwerte  9...36 V, 50 V/50 ms, 70 V/2 ms.

Bild 2: Die Stromversorgung Z11 ist prozessorüberwacht und hat die Eckwerte 9…36 V, 50 V/50 ms, 70 V/2 ms.SYKO

Die Firma hat sich das Ziel gesetzt, hohe Funktionalität bei höchstem Wirkungsgrad zu erfüllen. Denn der Wirkungsgrad bestimmt die Baugröße und das Volumen. Was durch Leistung verloren geht, steht nicht für Funktionalität zur Verfügung. Um hohen Wirkungsgrad bei kleinem Bauvolumen zu erreichen, muss projektspezifisch die angepasste optimale Topologie eingesetzt werden. Aktuell ist jetzt die Modifikation eines 9 kW-DC/DC-Wandlers im IP65-Gehäuse mit einem Eingangsspannungsbereich von 72/110 V ±40 % gelungen, zur potentialgetrennten Ladung einer etwa 300-V-Batterie. Der hier erzielte Wirkungsgrad bei 72 V und maximaler Leistung beträgt 96,5 %. Die Schaltungstopologie ist zweistufig und durch den Interleaving-Betrieb erreichen wir eine Filterfrequenz von über 500 kHz.

Funktionalität bedeutet, dass alle Leistungsschnittstellen den erlaubten abgesicherten Bereich über alle geforderten Parameter eines Pflichtenheftes nicht verlassen, so muss auch die Stromkaskadierung einzeln geregelt sein. Dass bei diesem Wirkungsgrad keine zentrale Überhitzung auftritt ist glaubhaft, aber es ist auch durch die Topologie dafür gesorgt, dass die Verlustwärme sehr gut verteilt wird. Zertifizierte Zulassungen auf CE- und e-Zeichen sowie Sicherheit sind erfolgreich bestanden. Positiv wirkt sich aus, dass alle Leistungshalbleiter SMDs sind. Ein vierfach geregelt kaskadierbares 5 kW (in Summe >20 kW) Batterieladesystem mit absoluter Nulllastfähigkeit (0 – 640 – 0) A und Stromsplittingbetrieb (10 – 80 A) in die Batterie wird intelligent über den CAN-Bus betrieben.

Gemeinschaftsprojekt mit FH Darmstadt

In einem anderen Projekt ist Syko der Forderung nachgekommen, einen Einphasen- bzw. Dreiphasen-Umrichter ab einer 24-V-Batteriespannung zu modifizieren. Die 3-Stufen-Topologie hat einen Wirkungsgrad von 92 % erbracht. Jetzt besteht aber das Bestreben, den Wirkungsgrad auf über 93 % zu verbessern und Syko hat sich im Rahmen einer Bachelorarbeit mit der FH Darmstadt zusammengetan und dabei festgestellt, wie euphorisch junge Menschen modernste Technik annehmen.

Topologien richtig einzusetzen

Man konnte in den letzten Wochen am Markt lesen: „Wirkungsgrad ist nicht alles“. Diese Aussage erinnert uns an eine Zeit, in der für den Markt Taktfrequenzen über 20 kHz „nicht erforderlich“ waren. Um als Stromversorgungsentwickler und Hersteller erfolgreich zu sein, hilft es dabei, die Fortschritte der Anbieter zum Beispiel aus dem Bereich der Halbleiter zu nutzen. Ebenso wichtig ist aber auch das Wissen, wie die diversen Topologien richtig eingesetzt und unter Kostengesichtspunkten produziert werden.

Erreichten Drei-Phasenumrichter vor Jahren Wirkungsgrade von 96 ±1 %, so hat diese Bachelorarbeit gezeigt, dass die gestellten hohen Anforderungen über langsames Heranführen zu besten Ergebnissen führten. In der ersten Arbeitszeitphase musste von den Studenten das Schaltungskonzept eines Drei-Level-Umrichters verstanden werden, außerdem wurde der Weg zum Endziel definiert.

In der zweiten Arbeitsphase wurden die Layouts einer niederinduktiven Drei-Phasen-Brücke, der Ansteuerkarte mit Housekeeper und die Prozessorstruktur nach der Raumzeigermodulation entworfen. Die zwölf Leistungs-IGBTs mussten auf ihren unterschiedlichen Potentialebenen hochfrequent angesteuert und versorgt werden. So musste der Housekeeper-Transformator extrem niederkapazitiv in der Kopplung durch Kaskadierung aufgebaut werden. Für die Auslegung der Schaltungskomponenten wie Kondensatoren, Ansteuerung, Drei-Phasen-Drossel und so weiter hat der Phase-Gaine-Amplifier geholfen. Jede Chopperei wurde auf Folien- beziehungsweise Keramik-Kondensatoren abgelegt. In der letzten Arbeitsphase wurden die Platinen von dem Studenten SMD- und konventionell bestückt und die Schaltung ertüchtigt. Das Verständnis für das Raumzeigermodell war in den Vorstufen erarbeitet worden und musste nach dem Kennenlernen des Texas-Instruments-Prozessors programmiert werden. Positiv verwundert es, wie flexibel alle Semesterstudenten mit der Software umgehen, wenn Firmenstrukturen nicht als der Flaschenhals bremsend wirken. Der erreichte Wirkungsgrad einschließlich der Drei-Phasen-Sinus-Drossel bei ±350 V DC und bei 3 kW/400 V/3 Ph/50 Hz war 98,2 %. Es wurden schnelle 600-V-IGBTs und Epitaxialdioden integriert bei einer Schaltfrequenz von 25 kHz und Schaltflanken von 15 ns (IGBT-Rattenschwanz 150 ns).

Somit wurde ein Gesamtwirkungsgrad des Niedervolt-Batterie-Drehrichters von 93 % erreicht und die Verlustleistung um etwa 20 % gesenkt. Bei dieser räumlich komplexen Mechanik entfällt nun der Rippenkühlkörper des Drei-Phasen-Umrichters. Obwohl die Komponentenkosten gestiegen sind, werden diese Mehrkosten durch Einsparung in der Mechanik kompensiert.

Der Eingang verfügt über einen Sleepmode-Inhibit, so dass der aufgenommene Leerlaufstrom des Gesamtwandlers weniger als 0,5 mA beträgt. Ein potentialfreier und polaritätsunabhängiger Aktivierungsbefehl mit Konstantstrom von 2 mA bei 4…60 V schaltet den Wandler aktiv. Zusätzlich steht dem Kunden eine potentialgetrennte, geregelte und kurzschlussfeste Hilfsspannung von 24 V/0,4 A für eine Vorladung und einen verlustfreien Verpolschutz beziehungsweise für eine zusätzliche kundenspezifische Logikschaltung zur Verfügung. Die erreichten Wirkungsgrade zeigen, dass bei mehrstufigen Topologien nach Überwindung aller Probleme mit weniger als 2 bis 3 % Wirkungsgradverlust pro Kaskaden-Stufe zu rechnen ist.

Schlussbemerkung

Die Frage ist, ob der Fertigungsstandort West oder Ost ist oder außereuropäisch beziehungsweis ob die Vorfertigung in Niedriglohnländern erfolgen soll? Dort ergeben sich gewaltige soziale Verschiebungen. Gewaltig sind auch die uns vorgehaltenen Vertragswerke, die den Organisationsaufwand steigen lassen. Eine Frage, die sich stellt ist, warum ein globaler Konzern genau dann, wenn er erkennt, dass Marktprobleme vorhanden sind, sich wieder an dynamische Wege erinnern kann. Aber auch wir als Lieferant müssen erkennen, dass es noch möglich ist, ganz unkonventionell Dynamik zu machen. Was fehlt, ist der Troubleshooter, der genau weiß, wo es lang geht, der über Wissen verfügt, das er zur Mannschaft rüberbringt, und die muss sich dynamisieren lassen. Denn Gewinn bedeutet Arbeitsplätze.

So werden resonante Sperrwandlermodule mit Frequenzen oberhalb von 150 kHz mit eingeengtem und erweitertem Spannungsbereich ohne Verguss für Nieder- und Hochvoltversorgungen modifiziert, obwohl Syko der Modulmarkt abhanden gekommen war.

Tja, und das aktuelle Thema: Digitale Regelung? Hier gibt es bei allen möglichen Varianten nichts Neues, außer verbesserte, funktionalere Prozessoren und eine Leistungsfähigkeit, ohne die dieser Weg in der Zukunft nicht denkbar ist. Regelung und Kommunikation werden digital und zu höherer Effizienz und Funktionalität führen.