Buck/Boost-Topologien Große Schwankungen ausgleichen

Bild 1: In Bordnetzen mit unabhängigen Zweispannungsebenen auf Nutz- und Schienenfahrzeugen wird oftmals ein bidirektionaler Energietransfer gefordert.
Bild 1: In Bordnetzen mit unabhängigen Zweispannungsebenen auf Nutz- und Schienenfahrzeugen wird oftmals ein bidirektionaler Energietransfer gefordert.

Bordnetze von Nutz- oder Schienenfahrzeugen müssen mit stark schwankenden Eingangsspannungen zurechtkommen. Daher eignen sich hierfür besonders Buck/Boost-Topologien. Im Folgenden stellen wir zwei Topologien näher vor.

von Stefan Becher, Vertriebsmitarbeiter bei SYKO.

Um von einer Energiequelle mit einem Eingangsspannungsbereich von 8 V bis 36 V sowie Transienten mit 100 V für 50 ms oder von 14,4 V bis 154 V und einem Surge von 1 kV auf einen zweiten Energiespeicher wie Highcaps oder Batterien/Akkus zu wandeln, nutzt Syko die Regeneratortopologie als PWM-Frontendstufe (Bild 2).

Diese Topologie ist statisch und dynamisch kurzschlussfest und arbeitet wahlweise ohne oder mit Potenzialtrennung. Die Eingangsspannung kann dabei niedriger, gleich oder höher sein als die kurzschlussfeste, geregelte und verstellbare Ausgangsspannung.

Der Materialaufwand bleibt überschaubar, und mittels Stromkaskadierung lässt sich die mögliche Leistung der Einzelstufe erhöhen. Das recht einfache Regelkonzept, ein hoher Wirkungsgrad und weite Spannungsbereiche am Eingang und Ausgang sind Vorteile, um in Bordnetzen mit extremen Forderungen zu arbeiten.Die Formel für die Ausgangsspannung lautet:

U subscript o u t end subscript equals fraction numerator U subscript i n end subscript times t subscript o n end subscript over denominator begin display style bevelled fraction numerator 1 over denominator open parentheses f subscript s w end subscript minus t subscript o n end subscript close parentheses end fraction end style end fraction

Dabei ist ton die Einschaltdauer, fsw die Schaltfrequenz. Diese Topologie kann sowohl mit fester als auch variabler Schaltfrequenz arbeiten.

Um den Wirkungsgrades zu verbessern, wird ein MOSFET als aktive Diode (Synchrongleichrichter) eingesetzt. Die geforderte Totzeit zwischen den beiden Schaltern ist mittels CMOS-Bausteinen recht einfach zu erzeugen. Syko betreibt diese Topologie im Average-Current-Modus mit einem preiswerten Schaltregler, sodass die Stücklistenkosten auch für die geregelte Stromkaskadierung im Centbereich liegen. Die Topologie kommt mit nur zwei Leistungshalbleitern aus. Da diese Regeneratortopologie mit zerhackten Konstantströmen zum Ausgang arbeitet, kann durch das Einfügen eines Transformators recht einfach eine Potenzialtrennung aufgebaut werden. Die Schaltung gilt als sicherheitsrelevant, da bei geordneter Absicherung und Defekt eines Bauteils die Energie der Quelle nicht Richtung Senke oder umgekehrt fließen kann.

Wo Vorteile geboten werden, gibt es immer auch Nachteile. Die Leistungshalbleiter werden mit der Summe von Eingangs- und Ausgangsspannung sowie von Eingangs- und Ausgangsstrom belastet. Daher werden dort sehr gute Schalter (schnell und niederohmig) eingesetzt.

Neben der Regenerierung einer Bordnetzspannung auf eine geregelte Ausgangsspannung ist das Betreiben der Erregerwicklung eines fremderregten Generators eine ideale Anwendung. Ideal ist diese Topologie auch für die Highcap-Ladung ab 0 V Ausgangsspannung und Ladeschlussspannungen, die höher als die Eingangsspannung sind. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind die Drehzahlsteuerung von Lüftern über deren Versorgungsspannung und der funktionale Betrieb von Magneten (Schütze).