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Bordnetz

Mit elektronischen Komponenten das Energiemanagement optimieren

24. März 2014, 15:38 Uhr | Von Mustafa Dinc und Norbert Pieper

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Ausschließlich aus diskreten SMD-Bauteilen aufgebaute Wandler

Die für die Stabilisierung notwendigen Spannungswandler liegen in einem Leistungsbereich zwischen 400 W und 2 kW und müssen vor allem hocheffizient, klein und leicht sein. Damit diese Designziele erreicht werden, ist der Betrieb mit hohen Schaltfrequenzen erforderlich, um die Dimensionen der relevanten elektronischen Speicherkomponenten wie Spulen und Kondensatoren möglichst klein und SMD-fähig zu halten. Zudem kommt es bei den Leistungsschaltern, MOSFETs, IGBTs und Transistoren auf vorzugsweise geringe parasitäre Größen an, also das möglichst harte Schalten ohne Überschwingen. Vor allem muss sichergestellt sein, dass die durch erhöhte Schaltfrequenzen hervorgerufenen leitungsgebunden Störungen und elektromagnetische Interferenzen (EMI) geräteseitig durch entsprechende RC- oder LC-Filterkomponenten blockiert werden und nicht das gesamte Bordnetz überlagern.

Wie leistungsfähig ausschließlich aus diskreten SMD-Bauteilen aufgebaute Wandler inzwischen sind, lässt sich am Beispiel eines 1,5-kW-Spannungswandler (48 V/12 V) von Vishay (Bild 1) zeigen. Dieser 4-Phasen-bidirektionale Wandler mit einer Leiterplattengröße von ca. 160 cm2 erreicht am optimalen Arbeitspunkt einen Wirkungsgrad von 96 %. Zur Optimierung von Abmessungen und Bauraum kamen Leistungs-SMD-Spulen der Serie IHLP8787 zum Einsatz, die Lastströme pro Phase von bis zu 30 A und Sättigungsströme bis zu 63 A bewältigen können. Mit den gleichen Leistungsdrosseln wurden auch die EMI-Filter mit sehr kleinem Gleichstromwiderstand (DCR) realisiert. Die eingesetzten Spulen haben sich in puncto reduzierter Störstrahlung als besonders vorteilhaft erwiesen, da die Bauteile aufgrund ihrer Eisenpulver-Umpressung sehr gut abgeschirmt sind. In Kombination mit den Hochstrominduktivitäten lässt sich ein derartiges Konzept auch galvanisch isoliert mit Planartransformatoren realisieren. Hierbei muss man allerdings Kompromisse in Bezug auf die SMT-Fähigkeit des Systems machen, was die Bauraumvorteile eines planaren Transformators möglicherweise wieder aufhebt.

Die eingesetzten MOSFETs in der Bauform PPAK8x8L erzielen gegenüber einem TO-263-Gehäuse eine Platzersparnis von ca. 60 %. Ihre reduzierte Bauhöhe ermöglicht zudem eine oberseitige Wärmeabfuhr. Aufgrund der kompakten Bauweise wurde darauf geachtet, dass sowohl die Spulen der Serie IHLP als auch die ebenfalls eingesetzten Aluminium-Elektrolytkondensatoren der Serie 160 CLA eine maximale Einsatztemperatur von 150 °C bzw. 155 °C erlauben. Denn in der modernen Automobilelektronik ist ein hoher Einsatztemperaturbereich auch hinsichtlich Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Vorteil.

Ein weiteres Thema in modernen Mehrspannungsbordnetzen ist die Zu- und Abschaltung von Zusatzbatterien. Hier kommen heute üblicherweise mechanische Relais zum Einsatz. Als Alternative bietet sich ein aktiver Halbleiterschalter in Form eines N-Kanal-MOSFET mit sehr kleinem RDS(on) von unter einem Milliohm an. Denn ein derartiger Trennschalter hat im Vergleich zu einem Relais Vorteile sowohl bei der Zuverlässigkeit als auch bei der Störstrahlung. Zudem ermöglicht er eine einfachere und flexiblere Ansteuerung. Auch smarte Zusatzfunktionen wie Temperaturüberwachung, Überstromschutz und Unterspannungsdetektierung sprechen für die aktiven Halbleiterschalter. MOSFETs oder Smart Loadswitches in neuester P-Kanal-1G-Zellen-Technologie mit RDS(on)-Werten von unter zwei Milliohm sind daher schon heute wirkliche Alternativen zu den herkömmlichen Leistungsrelais.

Geht es nur um einen Überstrom- und Übertemperaturschutz für Systeme, die direkt mit Klemme 30 verbunden sind, lässt sich dieser auch mit passiven Hochstrom-Temperatursicherungen der Serie HCTF (Bild 2) platzsparend und zuverlässig realisieren. Hierbei handelt es sich allerdings um eine nicht rückstellbare Sicherung, die dafür jedoch bis zu einer Maximaltemperatur von 160 °C einsetzbar ist und sicher bei Übertemperaturen von 235 °C (±15 °C) abschaltet. Vorteilhaft ist auch, dass sich die Sicherung einfach in den Kabelbaum integrieren lässt.