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Topologie und Hochstrom am 28-V-Bordnetz

| Autor / Redakteur: Reinhard Kalfhaus * / Johann Wiesböck

Kundenspezifische Stromversorgungen und anspruchsvolle Spezialanwendungen an Land, zu Wasser und in der Luft sind das Geschäft von SYKO. Wie das Unternehmen die Herausforderungen löst, zeigt dieser Bericht.

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Bild 1: Spannungs- und Stromverläufe beim Hochfahren. 1. Aufschalten der Bordnetzspannung über Vorladeschutz a). 2. Aufbau der sekundären 700-V-Zwischenkreisspannung. 3. Hochfahren der AC-Ausgangsspannung frequenz- und amplitudenvariabel. 4. Differentieller Ladestrom b) der Elkos und Hochfahren der Ausgangslast c). 5. Der Eingangsstrom hat keine niederfrequente Stromüberlagerung.
Bild 1: Spannungs- und Stromverläufe beim Hochfahren. 1. Aufschalten der Bordnetzspannung über Vorladeschutz a). 2. Aufbau der sekundären 700-V-Zwischenkreisspannung. 3. Hochfahren der AC-Ausgangsspannung frequenz- und amplitudenvariabel. 4. Differentieller Ladestrom b) der Elkos und Hochfahren der Ausgangslast c). 5. Der Eingangsstrom hat keine niederfrequente Stromüberlagerung.
(Bild: SYKO)

SYKO bedient seit fast 50 Jahre sehr erfolgreich seinen Kundenkreis für Anwendungen an Land, zu Wasser und in der Luft gemäß deren Anforderungen. Es fallen durchschnittlich 20 Modifikationen pro Jahr an, es wurde noch kein Projekt in den Sand gesetzt und es gab seitdem keinerlei Fehlschläge. Von dieser Zufriedenheit der Kunden profitieren das Unternehmen bei seinem Ziel, zu expandieren.

So war SYKO das erste Unternehmen, das in der Bahntechnik den ultraweiten Eingangsspannungsbereich von 13,5 bis 170 VDC und den Universaleingangsspannungsbereich 1000 V/162/3 Hz, 1500 V/50 Hz, 1500 VDC und 3000 VDC mit 680 VAC bis 5050 VDC sowie für den Defence-Markt <10 bis 174 V inklusive dem Kaltstart und einer 350-ms-Load-Dump-Überspannung ohne Stromreflektion (fehlender Sekundärstörer) beherrschte.

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Weitere interessante Topologien wie der schnelle Aktiv-Verpolschutz gegen Handverpolung oder energetische Umpolung auf Versorgungsleitungen, der Aktiv-Load-Dump-Schutz mit Absorbierung der Überspannung wurden zur Serienreife gebracht. Die elfköpfige Entwicklungsmannschaft setzt auf eine Regenerator-Topologie mit und ohne Potenzialtrennung als Tief- und Hochsetzsteller mit einem Transistor oder einer Diode, auf die Mehrstufentopologie, deren Wirkungsgrad besser als bei einer Einstufen-Topologie ausfällt, auf die Nulllastfähigket mit 100% Lastwechsel, auf die Einstufen-Erregertopologie für Generatoren und auf die Digitalisierung der Steuer- und Regelkreise.

Gehörten noch vor Jahren Lösungen im Leistungsbereich bis 250 W zu den Hauptumsatzbringern, so hat sich dieser Stückzahlmarkt mit der Produktionsverlagerung in Preiswert-Lohnländer verlagert. Es ist am Power-Markt erkennbar, dass SYKO und dessen Marktbegleiter ihr Produktportfolio durch Komponenten höherer Leistung kontinuierlich erweitern oder auch ersetzen. Dies ist unter anderem das Ergebnis eines sich verändernden Marktes hin zu höherer Funktionalität und mehr ‚Luxus‘ durch Leistungen bei höheren Sicherheitsstandards.

Massive Investitionen in Entwicklung und Nachhaltigkeit

Der Markt ist sehr stark im Wandel, der Zwang zu Investitionen in die Zukunft steigt rapide. Entgegen der momentanen Marktrezession bei der Produktion steigt der Bedarf an Entwicklungskapazität. SYKO investiert aus dem laufenden Umsatz und aus den Rücklagen jährlich mehr als 10% des Umsatzes in Forschung, Entwicklung und Umwelt. Umweltfreundliches Messequipment mit Energierückspeisung, Nutzen der großen hauseigenen Solaranlage und Klimaanlage zum Kühlen oder Heizen aller Betriebsräume sind ein Muss. Eine Steigerung der Qualität und des Wohlbefinden am Arbeitsplatz sind für die Zukunft wichtige Parameter.

Produkte, die in die Jahre gekommen sind, unterliegen einer Produktpflege. Die DC/DC–Wandler bis ca. 250 W wurden verbessert, wobei das gewonnene Wissen über verschiedene Schaltungstopologien mit aktiv geschalteter Diode und resonanter Schaltkreise zur Funktions- und Wirkungsgradverbesserung gemäß Pflichtenheftanforderungen der Kunden integriert wurde.

In die Zukunft gerichtete Grundlagen-Entwicklungen der Leistungselektronik bei statisch >6 kW, dynamisch bei >10 kW und kaskadiert bis >40 kW sind abgeschlossen. Mit diesen Systemtopologien geht SYKO den Markt der Frontendgeräte, der Batterielader und der Einphasen-Wechselrichter sowie der Dreiphasen-Drehrichter und Frequenzumrichter an.

Kombinierter Einsatz zertifizierter Frontendgeräte

Neu ist der kombinierte Einsatz der zertifizierten Frontendgeräte wie Batterielader, Dreiphasen-Drehrichter und Einphasen-Wechselrichter als Hilfsbetriebe-Umrichter in der Bahntechnik. Die Batterielader der Serie HBL.H 750 werden geregelt leistungskaskadiert bis >25 kW bzw. >800 A und die Drehrichter mit f/U-Control werden funktional leistungskaskadiert eingesetzt.

Die Eingangsspannungs-Bordnetze sind Niedervoltbatterien, der 750-/1500-V-Fahrdraht, der Drei- und Einphasen-Eingang, DC-Zwischenkreisspannungen an sehr langen Leitungen und die UIC–Bordnetze. Für die 1- und 3-Phasen-Netzspannungen hat SYKO Seriengeräte mit digital geregelter PFC-Stufe für Sinus-, Trapez- und Rechteckspannung zum Einsatz gebracht – die Entwicklungsoption Bidirektionalität gehört dazu.

SYKO hat aktuell Kundenanforderungen am 28-/48-Bordnetz im Hochleistungsbereich mit 6 kW Dauerleistung ohne externe Fremdkühlung, 20 kW im Sekundenbereich und 11 kW mit Wasserkühlung angenommen. Diese Leistung wurde bisher von der Hydraulik und ungeregelten 3-Phasen-Niedervolt-Generatoren zur Verfügung gestellt. Bessere Batteriesysteme, verbesserte Leistungskomponenten ermöglichen durch die SYKO-Entwicklung diese Leistung mittels DC/DC-Stufen aufzuarbeiten. Betrieben werden sollen DC-Antriebe, 3-Phasen-Antriebe und 1-Phasen-Verbraucher.

So muss ein Eingangsspannungsbereich 18 bis 36 V und kurzzeitig 50 V eine potenzialgetrennte Festausgangsspannung von 200 V und bis >750 VDC erzeugt werden. Eine der ersten Erkenntnisse war, dass eine nicht potenzialgetrennte Boost-Stufe mit IGBTs einen schlechteren Wirkungsgrad erbringt, als die von SYKO innerhalb von fünf Monaten zur Serienreife gebrachte Zweistufen-String-Topologie (>94% bei einer Taktfrequenz von 100 kHz). Die Tabelle zeigt die aufgetretenen Eingangsströme waren bei 19 V.

Um die <19 V dynamisch zu beherrschen, wird der Spannungssollwert adaptiv reduziert, die Ausgangsspannung sinkt um ca. 6% und der Regler bleibt im Eingriff, so dass dynamische Eingangsspannungssprünge nicht zum Ausgang durchgreifen.

Weiterhin besteht die Kundenanforderung, dass die Aufschaltströme auf die Eingangskapazität (∑ 20 mF Folienkondensatoren) durch Vorladung und der Anlaufstrom bei Aktivierung der Leistungsstufen-Strings integral nicht überhöht auftreten dürfen.

Schutz vor Umwelteinflüssen und Verbesserung der EMV

An das Gehäuse werden die Anforderungen gestellt, hohe mechanische Belastung, hohe Schock-/Vibrationsbedingungen zu erfüllen, es soll wasserdicht auf IP66/67 sein und EMV-dicht gemäß der MIL-Normen. Hier hat SYKO ein Mehrkammersystem entwickelt mit EMV-Dichtung und die Oberfläche des Containers wurde speziell behandelt. Damit erreichte man eine Dichtigkeit auf fünf Meter Wassertiefe und die EMV-Kennlinien in Bild 2, die bei Serienreifmachung noch einmal durch spezielles EMV-Material verbessert werden.

Diese Konstruktion erlaubt eine Dauerausgangsleistung am 28-V-Bordnetz von 6 kW ohne externe Aktiv-Kühlung von –40/55 °C und kurzfristig beim Anlauf bis 70 °C.

Um diese Eingangsströme komponentenverträglich mit geringstem Verdrahtungsaufwand zu beherrschen, wurden die Leistungshalbleiter in SMT aufgebaut. Hierfür erforderlich war die Entwicklung eines speziellen Wärmemanagements für diese Bestückvariante, die nun in alle weiteren Neuprodukte einfließt.

Mit dieser Lösung steht dem Kunden eine DC-Spannung zum Betreiben von hochdynamischen DC-Lasten zur Verfügung. Das SYKO-Konzept der Potenzialtrennstufe beherrscht bei Wechsel der Stringtransformatoren auch DC–Spannungen bis >700 VDC. Somit lassen sich Hochvolt-Batteriekreise mit Ladung und Bordnetzbetrieb betreiben.

SYKO hat 3-Phasen-Umrichter bis 12 kW und auch einen 400-Hz-3-Phasen-Sinus entwickelt. So lassen sich Drehstrommotoren bzw. 3-Phasen-Systeme für Klimatechnik oder im Notbetrieb über Feldregelung hochdynamisch Antriebe betreiben ab dem 28-V-Bordnetz.

* Reinhard Kalfhaus ist Geschäftsführer der SYKO Gesellschaft für Leistungselektronik mbH in Mainhausen.

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