Buck-Boost-Wandler Wie sich hochkapazitive Konden­satoren im Bordnetz laden lassen

Autor / Redakteur: Reinhard Kalfhaus * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Das Laden von hochkapazitiven Kondensatorbatterien an Bordnetzen erfordert Buck-Boost-Wandler. Moderne digitale Signalprozessoren lösen bei SYKO nun die bislang analogen Lösungen ab.

Firmen zum Thema

Der 1000-Watt-Buck-Boost-Wandler CLW: Mit ihm lassen sich Kondensatorbatterien an Bordnetzen im Spannungsbereich 9 bis 36 V laden.
Der 1000-Watt-Buck-Boost-Wandler CLW: Mit ihm lassen sich Kondensatorbatterien an Bordnetzen im Spannungsbereich 9 bis 36 V laden.
(Bild: SYKO)

Um eine High-Cap-Batterie von 12 x 6000 F (∑ C=500 F) im Spannungsbereich 0 bis 30 V mit der 12- oder 24-V-Bordnetzspannung laden zu können, bedarf es einer Buck-Boost-Topologie. Hier hat im Hause SYKO die komplexe digitale Zukunft des DSP begonnen. Wurden bislang adaptive Größen und Funktionalität mit Prozessortechnik von Texas Instruments durchgeführt, so ist hier die bisherige analoge Struktur komplett digital gelöst.

1000-Watt-Buck-Boost-Wandler mit kaskadierten Stromstrings im Interleavingbetrieb

Das Aufmacherbild zeigt einen 1000-Watt-Buck-Boost-Wandler mit kaskadierten Stromstrings im Interleavingbetrieb, wodurch die Filterfrequenz von 200 kHz erreicht wird. Der Wandler lässt sich an Bordnetzen mit 9 – 36 V einsetzen sowie an 50 V bis zu 50 ms und 2 ms lang sogar an 70 V. Die im Prozessor zu berücksichtigenden Parameter sind IEmax=50 A, IAmax=70 A, Pmax=1 kW im Temperaturbereich –45 bis 70 °C, kurzzeitig 85 °C. Der aktive Leistungsteil ist komplett in SMT ausgeführt und das erforderliche Wärmemanagement wurde modifiziert. So ließ sich die Fertigungszeit bei den vielen Leistungshalbleitern optimieren.

Bildergalerie

Um eine deutlich bessere EMV zu erreichen als nach EN55022B gefordert, wurde ein verstärkter Filteraufwand betrieben, was bei den hohen Strömen viel Platz beansprucht. In Filter und Chopper musste auf Elektrolytkondensatoren verzichtet werden. Wegen der sehr hohen Chopperströme und dem extremen Temperaturbereich wurden Folien- und Polymer-Kondensatoren eingesetzt. Ein adaptiver aktiver Transientenschutz (Transientenkill/TK) absorbiert die Langzeitüberspannung >36 V und schützt sich selbst und die nachfolgende Choppertopologie vor zu hohen Spannungen. Das AFI-Filter begrenzt zudem die Aufschaltströme auf die nachfolgenden hochkapazitiven Chopper-Eingangskondensatoren (Inrush-Current-Limiting/ICL).

Buck-Boost-Topologie hat sich als offene H-Brücke bewährt

Die Buck-Boost-Topologie ist eine uralte Topologie als offene H-Brücke. Sowohl im Hochvoltbereich gewinnt sie durch GaN/SiC-Halbleiter als auch im Niedervoltbereich durch erheblich verbesserte Leistungs-FETs mit verhältnismäßig schnellen Dioden. Um die Kirchturm-Stromspitze des ON-Stromes gering zu halten, muss bei einer Synchronstufe, bei der die Diode durch einen OFF-Transistor ersetzt wird, die Sperrverzugszeit während der Strom auf der Chipdiode arbeitet, gering sein und die Totzeit während der Ablösung von OFF auf ON – also dier Stromflusszeit auf die Diode von ca. 100 ns sehr kurz gehalten werden.

Über 30 Peozent weniger Verlustleistung

Durch die Synchrontopologie wird der Wirkungsgrad soweit verbessert, dass die Verlustleistung um >30% sinkt. Bei einem Strom von max. 80 Adyn muss auf 2 x 40 A kaskadiert werden, was ebenfalls die Verlustleistung reduziert. Allerdings verlangt das Stromkaskadieren stromgeregelte Strings mit gleichem Sollwerteingang. Damit ist jede Stufe referenzgenau mit dem halben Gesamtstrom belastet.

Synchrongeschaltete Buck- und Boost-Stufen bieten Vorteile

Ein wesentlicher Vorteil synchrongeschalteter Buck- und Boost-Stufen ist, dass der Drosselstrom nicht lückt und die Stromwelligkeit „beliebig“ groß sein darf. Ein wesentlicher Nachteil ist die Rückspeisung des Ausgangskondensators über den Toff-Transistor. Um nun die Effektivstrombelastung der Kondensatoren und die Welligkeit am Eingangsfilter zu verringern, werden die stromkaskadierten Strings im Interleavingbetrieb mit 180° Phasenversatz gefahren. Die Signale zeigen sehr saubere Strom-Spannungsflanken und eine Bedämpfung der Flanken ist erreichbar – und zwar ohne Wirkungsgradverlust, aber mit EMV-Gewinn.

Damit die ON-Signale bis 100% arbeiten können, wurden über einen Housekeeper (8 – 80 V) alle Potenzialebenen mit –4/+12 V für die Gatetreiber versorgt. Generell arbeitet die Prozessorebene als Insellösung in der PWM-Aufarbeitung, Strom- und Spannungserfassung. Um Ruhe in die Istwerterfassung zum Prozessor zu bringen, arbeitet diese adaptiv zur Flankenansteuerung, sodass der Istwert nicht während eines Schaltvorganges erfasst wird.

40 Jahren Erfahrung mit unterlagerten Stromregelkreisen im Average-Current-Mode

SYKO arbeitet seit 40 Jahren mit unterlagerten Stromregelkreisen im Average-Current-Mode und diese erhalten von einem gemeinsamen Spannungsregelkreis das verstärkte und begrenzte Fehlersignal als gemeinsamen Stromsollwert. Die Hochstromanschlüsse sind mit verschiedenen Gewindeanschlüssen für entsprechende Kabelstärke und Kabelschuhe ausgelegt.

Ein Kommunikationsstecker als potenzialgetrennte Insellösung zum Leistungsteil hat die Funktion des polaritätsfreien Inhibit mit 5 – 36 V + Überspannung und konstant 2 mA, eine 5-V-Hilfsspannung/100 mA, eine Sollwertvorgabe 4 – 20 mA, das Abbild von Istwert-Spannung und -Strom sowie eine CAN-Schnittstelle mit funktionaler Potenzialtrennung für eine Bedienoberfläche.

Generationenwechsel – nicht nur in der Technologie

Der langsame Abschied von der Analogtechnik ist auch die Lösung des Generationenproblems. Die aktive Geschäftsleitung hat für die jungen Entwickler bei SYKO den Prozessor und die digitale Regelung freigegeben und die „Jugend“ gepaart mit der Erfahrung kann nun komplexe Systemtechnik mit komplexer Regeltechnik und Funktionalität wie hier zu einem Seriengerät innerhalb 6 Monaten bringen.

Verwundert und positiv überrascht ist die Seniorenmannschaft, wie Pflichtenheftparameter oder Funktionen verknüpft und verändert werden können, wenn die Werte im Rechner mal drin sind. Da Leistungskomponenten im mobilen Bereich mit seinen Temperaturanforderungen meist auf maximale Leistung ausgelegt sind, soll der Wirkungsgrad auch dort, wo die größte Verlustleistung entsteht, maximal sein. Dies verhält sich anders als bei Netzteilen, die für die halbe Leistung konfiguriert sind und bei diesem Dauereinsatz die meiste Energie über Jahre einsparen sollen und Maximalleistungen nur dynamisch angefahren werden.

Ob und wie viel der Prozessor zur analogen Regelung an Vorteilen bringt, ist, bezogen auf den Wirkungsgrad, eher null, funktional ist er unübertroffen. Dabei darf nicht passieren, dass dem DSP Attribute zugeschrieben werden, die durch Unwissenheit um interessante Schaltungstopologien und deren exakte Anwendung entstehen können. Der Einsatz modernster Leistungshalbleiter und Steuerbausteine, der Einsatz dieser im optimalen Wirkungsgradfeld und eine gesicherte Funktionalität bei optimalem Wärmemanagement bringt die merkbare Verbesserung bei Funktion und Lebensdauer.

DSP bringt Vorteile in den Randbereichen

Der DSP bringt im maximalen Leistungsbereich eher keine Verbesserung des Wirkungsgrades, aber in den Randbereichen können durch funktionale Adaption Gewinne erzielt werden. Die Summe der funktionalen Integration in den DSP bringt Bauteileeinsparung und Anwendungsflexibilität. So wäre diese beschriebene Buck-Boost-Topologie in Bidirektionalität mit stromkaskadierten Strings ohne Prozessoranwendung in dem eingegrenzten Parameterfeld überhaupt nicht denkbar.

Vom Jungingenieur zum Topologiespezialisten

Es entwickeln sich Jungingenieure sehr schnell zu Topologiespezialisten mit der Fähigkeit, den DSP zu beherrschen. Dabei hilft Geduld und Integration, aber auch das Wissen, dass es enorme Aufwendungen in der Veränderung der Organisationsstruktur bedarf. Wer diesen Weg in neue Kompetenzbereiche geht, benötigt für die erforderlichen Investitionen eine gut gefüllte „Kriegskasse“. SYKO hat keine Hilfe durch F&E-Gelder aus dem Topf für KMUs erhalten.

Der hier erreichte Wirkungsgrad bei maximaler Leistung beträgt 97% inkl. des Filteraufwandes, aktivem Transientenschutz und allen Hilfsspannungsversorgungen bei einer Konfiguration für diesen weiten Eingangsspannungsbereich.

Einfaches Umschalten auf bidirektionalen Betrieb

Ist die Buck-Boost-Topologie flexibel mit allen Parametern im DSP aufgebaut, dann ist das Umschalten auf einen bidirektionalen Betrieb verhältnismäßig einfach. Dynamisch könnte das Bordnetz rückspeisend aus den Kondensatoren mit >100 A versorgt werden. Bei der Ladung der Kondensatoren entsteht eine Spannungsunsymmetrie umgekehrt proportional zur Differenz der Zellenkapazitäten. Aber das haben die Kondensator-Hersteller mittlerweile im Griff und da hilft es, die Summe der Zellenspannungen 10% unter den maximalen Spannungswert zu legen.

Kondensatoren aus einer fast leeren Batterie laden

Sollte Zeit zur Symmetrierung der Zellen gegeben sein, so kann man diese aktiv oder verlustbehaftet symmetrieren und kurz vor Nutzung mit Schnellladung auf den maximalen Wert anheben. Mit entsprechender Kapazität 250 oder 500 Farad ist es gemäß dem SYKO-Patentanspruch möglich, die CAPs aus einer fast leeren Batterie zu laden und die Cap-Energie auf den Starter zu schießen. Damit lassen sich große Trucks mit einem System als Notstarteinrichtung (Patentverfahren) ohne Batterie starten.

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

(ID:43966671)