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

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SYKO Gesellschaft für Leistungselektronik mbH

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

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 I_Emax=50 A, I_Amax=70 A, P_max=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.

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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 A_dyn 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 T_off-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.

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