Projektbeispiele

High Power DC/DC-Wandler

Entwicklung eines 28-kW-DC/DC-Wandlers mit über 98 % Wirkungsgrad

Auf Anfrage eines Kunden haben wir 2017 in nur 6 Monaten einen Demonstrator eines 28-kW-DC/DC-Wandlers entwickelt:

Technische Daten:

Der Fokus des Kunden lag nicht bei einem hohen Wirkungsgrad, sondern bei einem möglichst günstigen Aufbau. In dieser Leistungsklasse stellt der mechanische Aufbau und die Kühlung allerdings ein nicht zu vernachlässigender Kostenfaktor dar. Es kann also durchaus Sinn machen, den Wandler selbst möglichst klein, leicht und mit gutem Wirkungsgrad, dafür aber etwas teurer umzusetzen. Das hier investierte Geld kann dann im mechanischen Aufbau, bei der Kühlung und den Energiekosten wieder eingespart werden.

Aus diesem Grund wurde ein Konzept gewählt, bei dem sämtliche Leistungshalbleiter als SMD-Bauteil direkt auf Leiterplatten gelötet werden.
Aufgrund vorangegangener Erfahrungen wird auf eine Plattform aus Einzelphasen mit 400 W Nennleistung aufgesetzt. 12 Phasen pro PCB ermöglichen Leistungen von bis zu 4,8 kW pro PCB und Leistungsmodul (19“-Größe: 3HE/14TE). Dies entspricht einer Leistungsdichte von ca. 4 kW pro Liter.

Die 12 Phasen werden interleaved betrieben, was bedeutet, dass die PWM-Zyklen zeitversetzt gesteuert werden, um eine möglichst effiziente Auslöschung des Rippelstroms zu erreichen. Der Vorteil der relativ kleinen Phasen ist, dass diese sehr kompakt und damit streuarm aufgebaut werden können. Dies ermöglicht sehr steile Schaltflanken und damit hohe Schaltfrequenzen. Bei hohen Schaltfrequenzen kann auf relativ kleine induktive Bauteile gesetzt werden, die in hoher Stückzahl günstig verfügbar sind. Durch das Interleaving mit 12 Phasen wird der Basistakt aus EMV-Sicht mit Faktor 12 multipliziert und in seiner Amplitude stark reduziert. Das bedeutet, dass die aus EMV-Sicht erste signifikante Abstrahlung pro Leistungsmodul bei 2,4 MHz liegt. EMV-Filter können trotz der hohen Leistung dadurch sehr klein und günstig ausgelegt werden.

50 % der Nennlast konnte im Laborbetrieb bereits ohne Kühlkörper und Luftstrom realisiert werden. Zur Kühlung bei Volllast wurde ein Kühlkörper direkt auf die Rückseite der Leiterplatte aufgeschraubt und mit einem Wärmeleitpad angebunden. Die Kühlung durch die Leiterplatte hindurch geschieht ausschließlich mittels Durchkontaktierungen, völlig ausreichend bei der niedrigen Verlustleistung pro Transistor. Eine spezielle und teure Leiterplattentechnologie ist deshalb nicht notwendig.

Ein kleiner FPGA steuert die 12 Phasen interleaved an und liest den Analogwert des diskret aufgebauten Stromreglers über einen ADC ein.

Durch Parallelschaltung von sechs 4,8-kW-Modulen in einem 3HE-19“-Einschub wird die Spitzenleistung von 28,8 kW erreicht, bei denen der Wirkungsgrad noch immer über 97 % liegt. In einem nur halbvollen zweiten 19“-Einschub befindet sich das übergeordnete Steuermodul, welches über einen STM32-Microcontroller die Spannungsregelung, die Überwachung und die Schnittstellen in die Außenwelt umsetzt. Weiterhin sitzen hier die Eigenenergieversorgung und einige andere Peripheriekomponenten.

Zur Visualisierung der Leistungsdaten für die spezifische Kundenanwendung wurde ein Windows 10 Tablet verwendet, dessen LabVIEW Frontend über eine USB-Verbindung durch den DC/DC-Microcontroller mit Daten versorgt wird.

Für eine mögliche Serienentwicklung besteht u. a. folgendes Optimierungspotential

1. Einzelphasen mit höherer Ausgangsleistung (1 .. 2 kW), um die Kosten für die Einzelphasenansteuerung zu senken (Gate-Treiber, FPGA, Überwachung, …)
2. Vollständig digitale Regelung für flexiblere Parametrisierung
3. Optimierung der Schaltfrequenz -> Abwägung zwischen Leistungsdichte und Wirkungsgrad
4. Optimierung des Bauraums durch Verkleinerung der überdimensionierten Kühlung und Umsetzung des Gesamtgerätes in nur einem einzigen 19″-Einschub.

Anhand dieses Demonstrators wurde erfolgreich gezeigt, welche Vorteile ein hochphasiger Multiphase-DC/DC-Wandler bei hohen Leistungen bieten kann.

Brennstoffzelle

DC/DC-Wandler für Brennstoffzellenfahrzeug

Entwicklung und Produktion eines kundenspezifischen, voll funktionsfähigen 21kW-DC/DC-Wandlers in nur 8 Monaten.

Ausgangslage

Unser Kunde benötigt für seinen frühen Prototypen zeitnah einen DC/DC-Wandler, um aus einer Brennstoffzelle einen Akku zu laden. Zunächst sondiert er den Markt – leider ist die gesuchte Komponente nicht verfügbar. Also muss das Teil entwickelt werden. Wesentlich dabei: Funktionalität, Robustheit, Zeitrahmen. Weniger wichtig: Größe, Gewicht, Serientauglichkeit.

Konzeption

Auf der Basis von verfügbaren Standardteilen entwickelt Michael Rübig die ersten Entwürfe. Die wenigen, am Markt kurzfristig verfügbaren IGBT-Module werden sofort eingekauft, um eine Verzögerung durch Lieferschwierigkeiten zu vermeiden. In SPICE-Schaltungssimulationen wird eine erste Auslegung vorgenommen.

Ein Zuhause für den Wandler

Für den Einbau im Fahrzeug wird der DC/DC-Wandler in einem Standardgehäuse aus Aluminium-Druckguss untergebracht. Unser Entwicklungspartner Kaiser-Ingenieurbüro entwirft eine dazu passende Bodenplatte mit Wasserkühlung. Der Schaltplan der Ansteuerleiterplatte wird erzeugt – er basiert auf unserer Standard-Rechner-Plattform. Zwei CPLDs unterstützen den Rechner bei zeitkritischen Operationen. Herbert Spinner setzt das Regelungskonzept unseres Kunden in Software um. Für den Softwareentwickler wird ein Emulator der Leistungselektronik entwickelt, damit er am Schreibtisch gleich loslegen kann, während parallel die 21-kW-Version aufgebaut wird.

Testphase

Die erste Inbetriebnahme mit bis zu 12 kW durch den leistungsbegrenzten Hausanschluss bleibt unspektakulär – es sieht gut aus. Der Testlauf beim Kunden mit bis zu 21 kW zeigt zwar einige Grenzen des Designs auf, welche ein Derating bei höheren Temperaturen erfordern, erfüllt aber sonst alle Vorgaben.

Produkt

Der Kunde erhält 2 identische Wandler. Die auf Reserve gekauften IGBTs werden nie genutzt, da keiner der Wandler von der Erstinbetriebnahme bis zum Ende des Kundenprojekts mit einem Defekt ausgefallen ist.

Kleine böse Diode?

Fahrzeug-Elektronik mit EMV-Problemen

Elektromagnetische Entstörung einer Automobilkomponente. Zeit und Manpower sind knappe Ressourcen bei unserem Kunden.   

Ausgangslage

Unser Kunde hat eine Automobilkomponente entwickelt, die die EMV-Tests nicht besteht. Die Störquelle ist im Groben bekannt, für eine detailliertere Untersuchung fehlt jedoch die Manpower. Preis Ing. übernimmt die EMV-Untersuchungen.

Erste Tests

Eine erste Analyse der Elektronik zeigt, dass ein Schaltregler die Störquelle ist. Das Reverse Recovery-Verhalten einer Silizium-Diode ist problematisch und führt zu den bekannten Emissionen.

Annäherung an die Lösung

Die Siliziumdiode wird durch eine Schottky-Diode ersetzt. Damit sind wir näher am Grenzwert, doch der erhöhte Leckstrom dieser Schottky-Diode bei hohen Betriebstemperaturen im Motorraum des Fahrzeugs kann zum thermischen Durchgehen führen. Eine umfassende Lösung ist das nicht.

Weitere Recherchen und Vergleiche von Schotty-Dioden verschiedener Hersteller folgen, das thermische Problem bleibt. Beim Einsatz einer Silizium-Diode gibt es dieses Problem zwar nicht, aber der EMV-Grenzwert lässt sich damit nicht erreichen. Ein einfacher Ersatz der Diode ist also alleine nicht zielführend.

Der Fehler zeigt sich

Nach weiteren Messungen und Analysen wird klar, dass das Layout der Platine das eigentliche Problem darstellt – Die Anbindung des DCDC-Wandlers, insbesondere der Diode muss geändert werden. Auf die Schnelle ist das beim Kunden jedoch nicht möglich.

Drahtverhau

Aber wir können trotzdem weiterhelfen: Wir „layouten“ den neuen DC/DC-Wandler frei verdrahtet auf dem PCB und untersuchen verschiedene „Layoutvarianten“. Es ist unglaublich, durch die richtige Masseanbindung wird selbst dieser „Drahtverhau“ deutlich besser als das Ursprungslayout und verletzt keine Grenzwerte mehr.

Die Lösung

Aus den so gewonnenen Erkenntnissen generieren wir einen Layoutvorschlag, der beim Kunden in der nächsten Layoutrunde berücksichtigt wird und das EMV-Problem trotz Siliziumdiode endgültig löst.

Projektmanagement unter Druck

Intensive Unterstützung eines Automobilzulieferers bei der Entwicklung seines Produkts zur Serienreife

Ausgangslage

Um sein Produkt pünktlich zur Produktion eines neuen Fahrzeugsmodells serienreif zu entwickeln, wendet sich ein Automobilzulieferer an uns. Er benötigt Hilfe bei der Projektleitung, bei der Abstimmung mit dem Automobilhersteller und benötigt technische Unterstützung bei der Lösung von Hardwareproblemen.

Lösungsansatz

Karl-Heinrich Preis steigt in Vollzeit vor Ort als Projektmanager in das Projekt ein und kann durch sein technisches Hintergrundwissen, Zugriff auf zusätzliche Ressourcen und das langjährige Know How der Firma Preis Ing., Erfahrung bei Verhandlungen mit dem OEM, Probleme auf eine sehr produktive Art und Weise angehen. Als externer Mitarbeiter fällt es ihm oftmals leichter, über den Horizont zu schauen und Probleme anzupacken,  die bisher nicht gesehen wurde oder für deren Bearbeitung keine Ressourcen zur Verfügung standen.

Lösung und Umsetzung 

Schwächen im aktuellen Design werden schnell erkannt und angesprochen. Mit zusätzlicher Man-Power der Firma Preis Ing. wird das Kundenteam technisch unterstützt, Schaltungsänderungen eingebracht, EMV-Untersuchungen gemacht und Lösungen gefunden.

Die Abstimmung mit dem Automobilhersteller und mit weiteren Zulieferern des Kunden werden übernommen und führen schließlich zu einem erfolgreichen Serienanlauf des Kundenprodukts.