Bordnetze Topologie und Hochstrom am 28-Volt-Bordnetz

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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.

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

So war SYKO das erste Unternehmen, das in der Bahntechnik den ultraweiten Eingangsspannungsbereich 13,5 bis 170 V_DC bzw. den Universaleingangsspannungsbereich 1.000 V/16 2/3 Hz, 1.500 V/50 Hz, 1.500 V_DC und 3.000 V_DC mit 680 V_AC bis 5.050 V_DC oder für den Defence-Markt <10 bis 174 V inklusive Kaltstart und einer 350-ms-Load-Dump-Überspannung ohne Stromreflektion (fehlender Sekundärstörer) beherrschte.

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Weitere interessante Topologien wie der superschnelle Aktiv-Verpolschutz gegen Handverpolung bzw. energetische Umpolung auf Versorgungsleitungen, der Aktiv–Load-Dump-Schutz mit Absorbierung der Überspannung wurden zur Serienreife gebracht. Die neunköpfige Entwicklungsmannschaft setzt auf eine Regenerator-Topologie mit und ohne Potenzialtrennung als Tief- bzw. Hochsetzsteller mit einem Transistor bzw. einer Diode, auf die Mehrstufentopologie, deren Wirkungsgrad besser als bei einer Einstufen-Topologie ausfällt, auf die Nulllastfähigket mit 100 Prozent 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 zehn Prozent des Umsatzes in Forschung, Entwicklung und Umwelt. Umweltfreundliches Mess-Equipment mit Energierückspeisung, Nutzen der großen hauseigenen Solaranlage und Klimaanlage zum Kühlen bzw. Heizen aller Betriebsräume sind ein Muss. Eine Steigerung der Qualität und des Wohlbefindens 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.

Batterielader, Dreh- und Wechselrichter als Hilfsbetriebe-Umrichter

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 V/1.500 V-Fahrdraht, der Drei- und Einphasen-Eingang, DC-Zwischenkreisspannungen an sehr langen Leitungen und die UIC–Bordnetze. Für die 1-Phasen- bzw. 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 scheute sich nicht, eine gegenwärtige Kundenanforderung am 28/48-V-Bordnetz im Hochleistungsbereich 6 kW Dauerleistung ohne externe Fremdkühlung, 20 kW im Sekundenbereich und 11 kW Dauerleistung mit Wasserkühlung anzunehmen. 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 V_DC 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 Prozent bei einer Taktfrequenz von 100 kHz). Die aufgetretenen Eingangsströme waren bei 19 V:

• 6 kW: (6.000 W)/(0,94 · 19 V) = 336 A Dauer,

• 11 kW: (11.000 W)/(0,93 · 19 V) = 616 A Wasserkühlung,

• 20 kW: (20.000 W)/(0,92 · 19 V) = 1.145 A dynamisch.

Um die <19 V dynamisch zu beherrschen, wird der Spannungssollwert adaptiv reduziert, die Ausgangsspannung sinkt um ca. sechs Prozent und der Regler bleibt im Eingriff, sodass 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 mit EMV-Dichtung entwickelt, und die Oberfläche des Containers wurde speziell behandelt. Damit erreichte man eine Dichtigkeit auf fünf Meter Wassertiefe und die EMV-Kennlinien in Bild 3, 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 V_DC. 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 Antriebe hochdynamisch ab dem 28-V-Bordnetz betreiben.

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

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