Leistungsinduktivitäten
Gut gerüstet für 48-V-Kfz-Applikationen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Effiziente Kopplung durch Buck-Boost Converter
Wie bereits erwähnt, ist der Buck-Boost Converter die wichtigste Systemkomponente eines kombinierten 12/48-V-Netzes. Er ermöglicht den bidirektionalen Energiefluss zwischen den beiden Spannungsebenen und ist für Leistungen von 2 bis 5 kW ausgelegt. Bild 2 zeigt das Prinzipschaltbild eines solchen Wandlers. Im Normalbetrieb arbeitet der Wandler als Tiefsetzsteller (Buck-Modus), um die auf der 48-V-Ebene erzeugte Leistung an das 12-V-System abzugeben. In dieser Betriebsart ist T2 ständig gesperrt und T1 arbeitet als Schaltregler. Der Boost-Modus wird benötigt, wenn auf der 48-V-Ebene eine hohe Leistung erforderlich ist. Dabei ist T1 ständig durchgeschaltet und T2 arbeitet im Pulsbetrieb. Um Ripple-Strom und -Spannung so gering wie möglich zu halten, werden in der Praxis Systeme mit sechs oder acht Phasen eingesetzt, die seriell durchgeschaltet werden.
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Neben den Schalttransistoren sind Leistungsinduktivitäten und Speicherkondensatoren, beispielsweise von Epcos, Schlüsselkomponenten für den Buck-Boost Converter. Für die Speicher- und Glättungsdrosseln in den Wandlern gibt es von TDK zwei neue Serien mit Leistungsinduktivitäten: Bei der Serie ERU 27 handelt es sich um Induktivitäten in SMD-Ausführung. Sie zeichnen sich durch ihre sehr kompakte Bauweise in Kombination mit hohen Stromtragfähigkeitswerten aus. So beträgt der Flächenbedarf nur 30 × 27,8 mm2 (Bild 3 links). Abhängig vom Induktivitätswert liegt die Bauhöhe bei 15,5 mm oder 20,3 mm. Möglich wurde diese Kompaktheit durch die Verwendung eines Flachdrahtwickels, der einen hohen Füllfaktor bietet.
Serienmäßig sind die Induktivitäten in sechs Ausführungen erhältlich, die ein Induktivitätsspektrum von 3,5 µH bis 15 µH abdecken. Die Sättigungsströme variieren dabei zwischen 19,5 A und 49 A. Um die mechanische Stabilität auf der Leiterplatte zu erhöhen, verfügen die Drosseln neben den beiden Lötpads für die Wicklung über einen dritten Lötpad.
Alternativ zu den SMD-Typen können auch Epcos-Typen der Serie ERU 33 in PTH-Ausführung eingesetzt werden (Bild 3 rechts). Sie bietet Nenninduktivitäten von 3,2 µH bis 10 µH und sind sogar – abhängig vom Typ – für einen Sättigungsstrom von 79 A bei einem Gleichstromwiderstand von 0,85 mΩ ausgelegt. Die Abmessungen dieser Drosseln betragen 33 × 33 × 15 mm3. Alle genannten Typen sind für Betriebstemperaturen von –40 bis +150 °C geeignet, RoHS-kompatibel und nach AEC Q200 qualifiziert. Neben den Serientypen von ERU 27 und ERU 33 können auch kundenspezifische Varianten mit anderen Induktivitätswerten gefertigt werden.
Kondensatoren mit hoher Wechselstrombelastbarkeit
Neben den Induktivitäten sind im Buck-Boost Converter robuste Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren zum Speichern und Glätten von großer Bedeutung. Die EPCOS-Serien B41689 und B41789 (Bild 4) sind speziell für die hohen Anforderungen in der Automobil-Elektronik ausgelegt. Sie zeichnen sich durch eine sehr hohe Vibrationsfestigkeit bis 60 G aus. In den Ausführungen mit Lötstern sowie der Bauform mit beidseitiger Kathodenplatte ergeben sich optimierte Montagebedingungen mit geringen Induktivitätswerten.
Dank der internen Mehrfach-Kontaktierung erreichen diese Kondensatoren geringe ESR-Werte, wodurch die Wechselstrombelastbarkeit steigt und die Verluste sinken. So liegt die dauerhafte Wechselstrombelastbarkeit – abhängig vom Typ – bei 125 °C Gehäusetemperatur bei bis zu 29,5 A. Die Automotive-Serien sind für Nennspannungen von 25 V, 40 V (für 12 V) und 63 V (für 48 V) ausgelegt. Mit diesen Spannungen können sie bei den neuen Bordnetzen in beiden Spannungsebenen eingesetzt werden. Das Kapazitätsspektrum erstreckt sich von 360 µF bis 4500 µF.
Neben den Leistungsinduktivitäten und den Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren als Schlüsselkomponenten eignen sich für die Realisierung des Buck-Boost Converter noch eine Reihe weiterer TDK-Bauelemente. Dazu zählen MLCCs, Current Sense Transformer sowie Varistoren.
Höhere Motoreffizienz durch elektrischen Turbolader
Neben der Elektrifizierung von konventionellen Aggregaten wie Pumpen bietet die 48-V-Technik auch die Möglichkeit, den Motor durch den Einsatz eines E-Turboladers effizienter zu betreiben. Konventionelle Turbolader werden durch den Abgasstrom angetrieben; ihre Leistung ist sehr stark drehzahlabhängig. Außerdem wirken sie zeitversetzt – bekannt auch als Turboloch.
Dieses Manko wird durch elektrisch betriebene Lader beseitigt, da sie schnell reagieren und auch schon bei niedrigen Drehzahlen, z.B. im Stadtverkehr, eine hohe Aufladung und damit bessere Effizienz des Motors bieten (Bild). Ein weiterer Vorteil: Der E-Turbolader kann mit einem konventionellen Turbolader kombiniert werden, um entweder den Ladedruck noch weiter zu steigern oder um den elektrischen Lader bei hoher Motordrehzahl abzuschalten.
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