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:

Topologie Multiphase Buck
Eingangsspannung 65..100V
Ausgangsspannung 20..60V
Ausgangsstrom 0..480A
Schaltfrequenz 200kHz
Wirkungsgrad Bis 98,5%
Bauraum 2 x 19″ Einschub, 3HE
Ansteuerung FPGA / Microcontroller
Regler Kaskadenregler Strom/Spannung
Stromregler Analog
Spannungsregler Digital
Schnittstellen CAN /CANopen
USB

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.

High Power Hochleistung 28 kW DC/DC-Wandler mit 98 % hoher Wirkungsgrad
High Power Hochleistung 28 kW DC/DC-Wandler mit 98 % hoher Wirkungsgrad Rückseite

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.