MagnaLOAD Betriebsprofile und Bereiche

Die MagnaLOAD DC elektronischen Lasten von Magna-Power nutzen zwei verschiedene Topologien zur Energiedissipation: linear und aktiver Widerstand.

In der linearen Topologie, die in der luftgekühlten ALx Serie verwendet wird und mit den meisten auf dem Markt erhältlichen elektronischen Lasten übereinstimmt, werden MOSFETs, die in den linearen Arbeitsbereich gesteuert werden, als primäres Wärmeableitungselement eingesetzt. Die Verwendung von MOSFETs zur Energieabführung ist ein einfacher, bewährter Ansatz, der den Volllastbetrieb über einen sehr weiten Spannungsbereich ermöglicht. Der Nachteil dieser Topologie sind jedoch die relativ hohen Kosten linearer elektronischer Lasten, bedingt durch den hohen Preis pro Watt und die große Anzahl aktiver Bauelemente, die für leistungsstarke Anwendungen erforderlich sind.

In der patentierten (US Patent 9,429,629) aktiven Widerstandstopologie, die in der luftgekühlten ARx Serie und der wassergekühlten WRx Serie eingesetzt wird, sorgt eine geschaltete Matrix passiver Widerstände für die primäre Leistungsdissipation, die dann in Reihe mit einer relativ kleinen Anzahl aktiver Bauelemente gekoppelt wird. Neue programmierte Sollwerte oder Schwankungen am DC-Eingangsbus führen dazu, dass Widerstände in den Stromkreis ein- und ausgeschaltet werden, wobei die aktiven Bauelemente gleichzeitig digital gesteuert werden, um den Übergang nahtlos zu gestalten. Durch den Ersatz aktiver Bauelemente durch passive Bauelemente als primäres Wärmeableitungselement werden elektronische Lasten mit aktiver Widerstandstopologie zu einem deutlich niedrigeren Preis als herkömmliche elektronische Lasten angeboten, was den wirtschaftlichen Einsatz elektronischer Lasten für Hochleistungsanforderungen ermöglicht. Da passive Widerstände eine feste Impedanz aufweisen, ist der Spannungsbereich, in dem die volle Leistung erreicht werden kann, begrenzter als bei Lasten mit linearer Technologie. Das Betriebsprofil einer elektronischen Last ist ein wichtiger Aspekt bei der Produktauswahl.

MagnaLOAD Betriebsprofile

MagnaLOAD Modelle werden durch den Seriennamen und drei Zahlen spezifiziert, in dieser Reihenfolge: maximale Leistung, maximale Spannung und maximaler Strom. Beispielsweise ist das Modell ARx13.5-1000-28 für 13,5 kW maximale Leistung, 1000 Vdc maximale Spannung und 28 Adc maximalen Strom ausgelegt. Aufgrund des breiten maximalen Volllast-Betriebsbereichs der MagnaLOADs ist aus der Modellbezeichnung möglicherweise nicht sofort ersichtlich, über welchen Bereich diese Nennwerte erreicht werden können. Der Volllast-Betriebsbereich lässt sich einfach bestimmen durch:

• Division der maximalen Leistung des Modells durch die maximale Spannungsbewertung, um den Strom bei der maximalen Spannung des Produkts zu ermitteln.
• Division der maximalen Leistung des Modells durch die maximale Strombewertung, um die Spannung bei dem maximalen Strom des Produkts zu ermitteln.

Zwischen diesen beiden Spannungs- und Strompunkten wird der Volllast-Betriebsbereich bestimmt, beispielsweise für Modell ALx2.5-200-600:

Der Volllastbetrieb mit 2,5 kW für Modell ALx2.5-200-600 wird von 482 Vdc und 56 Adc bis 1000 Vdc und 27 Adc erreicht. Nachfolgend in einem Diagramm dargestellt, mit sowohl Leistung als auch Strom über der Spannung:

Als weiteres Beispiel das MagnaLOAD DC elektronische Last Modell ARx27-1000-56:

Der 27 kW Nennleistungsbetrieb für das Modell ARx27-1000-56 wird von 482 Vdc und 56 Adc bis 1000 Vdc und 27 Adc erreicht. Nachfolgend in einem Diagramm mit Leistung und Strom über der Spannung dargestellt:

Als einfache Faustregel für MagnaLOADs der ARx Series und WRx Series mit aktivem Widerstand gilt: Volle Leistung kann von 48 % der maximalen Spannung bis 100 % der maximalen Spannung erreicht werden. Für die ALx Series mit ihrem wesentlich breiteren Vollleistungs-Betriebsbereich empfiehlt sich die Berechnung nach Gl. 1-2 oben.

Selbstverständlich können MagnaLOADs auch außerhalb der Betriebsprofile aus Abbildung 1 und Abbildung 2 bei reduzierter Leistung betrieben werden; in diesem Fall ist es notwendig, das spezifizierte Betriebsprofil des jeweiligen Produkts im Datenblatt oder in der Bedienungsanleitung zu prüfen. Angesichts der großen Vielfalt an Modellen und Leistungsstufen normiert Magna-Power diese Profile auf die Nennwerte des jeweiligen Produkts einer Produktserie. Um das Betriebsprofil eines Modells abzuleiten, multiplizieren Sie die normalisierten Werte des Profils mit den Nennwerten aus der Modellnummer. Abbildung 3 zeigt das normierte Betriebsprofil des ARx Series Hochleistungsbereichs und Abbildung 4 zeigt das Betriebsprofil des ARx Series Hochleistungsbereichs angewendet auf das Modell ARx40.5-100-840.

Niedrigleistungs-Betriebsbereich

MagnaLOADs mit aktivem Widerstand, die ARx Series und WRx Series, verfügen über einen zweiten Betriebsbereich, den Niedrigleistungsbereich, der über das Bedienfeld oder per Computerbefehl ausgewählt werden kann. Dieser Betriebsbereich ermöglicht es diesen Produktserien, den maximalen Nennstrom bei niedrigen Spannungen zu erreichen, indem die passiven Widerstände umgangen und nur die MOSFETs zur Leistungsaufnahme verwendet werden. Obwohl der MagnaLOAD in diesem Niedrigleistungsbereich nur etwa 20 % seiner Nennleistung aufnehmen kann, ist er nützlich für Niederspannungsanwendungen, die durch das Betriebsprofil des Hochleistungsbereichs nicht abgedeckt werden können.

Abbildung 5 zeigt das normierte Betriebsprofil des ARx Series Niedrigleistungsbereichs und Abbildung 6 zeigt das Betriebsprofil des ARx Series Niedrigleistungsbereichs angewendet auf das Modell ARx40.5-100-840.

MagnaLOAD-Betriebsprofile und -Bereiche angewendet auf Beispielanwendungen

Aus den zahlreichen Anwendungen für MagnaLOAD DC-Elektroniklasten wurden mehrere ausgewählt, um das Betriebsprofil und die Betriebsbereiche des Produkts optimal zu veranschaulichen.

12 Vdc und 48 Vdc Automobiltests

Ein Automobilhersteller trat an Magna-Power heran, um den MagnaLOAD für Tests konventioneller 12 Vdc Automobilanwendungen einzusetzen, aber auch für Tests von 48 Vdc Plug-in-Hybrid-Elektrosystemen. Der MagnaLOAD sollte für Batterieentladetests von 12 Vdc Blei-Säure- und 48 Vdc Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, aber auch zur Belastung der 12 Vdc Lichtmaschine sowie zur Simulation der Batterieenergierückgewinnung am 48 Vdc Bus eines Hybridfahrzeugs. Die Worst-Case-Entladespezifikationen waren wie folgt:

• 350 Adc maximaler Entladestrom bei 12 Vdc von den Blei-Säure-Batterien zur Simulation des Anlassermotors beim Starten
• 400 Adc maximale Verlustleistung bei 48 Vdc von den Lithium-Ionen-Batterien während der Beschleunigung

Die höchste Leistungsanforderung für diese Anwendung, 48 Vdc bei 400 Adc für die Lithium-Ionen-Batterien, zeigt, dass diese Anforderung im Leistungsbereich der ARx Series liegt (6,75 kW bis 40,5 kW):

Basierend auf dieser 19,2 kW Leistungsanforderung und dem Produktangebot von Magna-Power wäre das am besten passende ARx Series Modell im Bereich von 20,25 kW und darüber. Nun ist es wichtig sicherzustellen, dass die Betriebspunkte innerhalb des Betriebsbereichs des Produkts liegen.

Bezugnehmend auf die rote Linie in Abbildung 3 können die ARx Series MagnaLOAD DC-Elektroniklasten im Hochleistungs-Betriebsbereich volle Leistung von 48 % bis 100 % der maximalen Nennausgangsspannung erreichen. Aus dem Angebot von Magna-Power ist der einzige Spannungsbereich, der volle Leistung bei 48 Vdc erreichen kann, die MagnaLOADs mit 100 Vdc maximaler Nennspannung, da 48 Vdc 48 % der Nennspannung eines 100 Vdc MagnaLOAD entspricht. 48 Vdc würde daher im Vollleistungs-Betriebsbereich eines 100 Vdc MagnaLOAD liegen.

Bezugnehmend auf die dunkelblaue Linie in Abbildung 3 beträgt bei 12 Vdc die Stromfähigkeit der 100 Vdc ARx Series MagnaLOADs im Hochleistungsbereich nur 22,5 % des maximalen Nennstroms – hier kommt der Niedrigleistungsbereich ins Spiel.

Für Niederspannungsanwendungen bietet die Konfiguration des MagnaLOAD auf den Niedrigleistungsbereich das Betriebsprofil aus Abbildung 5. In diesem Bereich kann der MagnaLOAD annähernd seine Nennstromfähigkeit bei niedrigen Spannungen erreichen. Bezugnehmend auf Abbildung 5 kann er bei 12 Vdc – entsprechend 12 % der Nennspannung eines 100 Vdc MagnaLOAD – 95 % seines Nennstroms erreichen.

Unter Berücksichtigung der nächstliegenden Leistungsstufe über 19,2 kW, Modell ARx20.25-100-420, bewerten wir die Betriebsbedingungen:

Gleichung 6 zeigt, dass das MagnaLOAD-Modell ARx20.25-100-420 bei 48 Vdc im Hochleistungsbereich 421,8 Adc erreichen kann und somit die Anforderungen für die Lithium-Ionen-Batterietests erfüllt.

Gleichung 7 zeigt, dass das MagnaLOAD-Modell ARx20.25-100-420 zwar im niedrigen Leistungsbereich auf 95 % seines Nennstroms bei 12 Vdc begrenzt ist, 399 Adc jedoch ausreichend Strom liefert, um die Anforderungen der Blei-Säure-Batterietests zu erfüllen.

Daher erfüllt das Modell ARx20.25-100-420 beide Anforderungen durch die Nutzung des hohen Leistungsbereichs (Abbildung 3) und des niedrigen Leistungsbereichs (Abbildung 5).

500 Vdc Elektrofahrzeug-Tests mit Erweiterungsmöglichkeit

Magna-Power wurde von einem Elektrofahrzeug-Hersteller (EV) für 500 Vdc DC-Bus-Tests ihres Elektrofahrzeugs kontaktiert. Das MagnaLOAD sollte anstelle des Batteriepacks zur Ableitung von Rückspeiseenergie eingesetzt werden. Darüber hinaus sollte das MagnaLOAD auch die Belastung für die fahrzeugseitigen Bordladegeräte übernehmen.

Die Bordladegeräte bestimmten die Leistungsanforderung von 12 kW. Der Anwender bevorzugte eine luftgekühlte Lösung, wofür die ARx-Serie (luftgekühlt, 6,75 kW bis 40,5 kW) geeignet war. Der Anwender wählte zunächst das ARx13.5-500-56 mit maximalen Nennwerten von 13,5 kW, 500 Vdc und 56 Adc. Diese Auswahl schien die logischste zu sein, da sie die gesamte Leistungsanforderung problemlos erfüllen und bei der 500 Vdc Spannungsanforderung bis zu 27 Adc liefern würde.

Obwohl das vom Anwender gewählte Modell den aktuellen Bedarf decken würde, würde die nächste Generation seines Fahrzeugs die DC-Bus-Spannung auf 800 Vdc erhöhen; das ARx13.5-500-56 könnte die Testanforderungen für diese neue Generation nicht erfüllen. Trotz des unmittelbaren Bedarfs von nur 500 Vdc entschied sich der Kunde daher für das ARx13.5-1000-28. Unter erneuter Bezugnahme auf Abbildung 3 wäre dieses neue Modell weiterhin in der Lage, bei der 500 Vdc Spannungsanforderung (50 % der maximalen Nennspannung) 27 Adc zu liefern, könnte nun aber auch bis zu 13,5 Adc bei 1000 Vdc erreichen, sodass das Produkt auch für die kommende Generation eingesetzt werden kann.

12 Vdc ASIC-Mining-Netzteil-Tests

Kryptowährungs-Mining-Netzteile stellen leistungsstarke +12V-Busse für stromhungrige ASIC-Miner bereit. Während der Produktionsvalidierung werden diese Mining-Netzteile mithilfe elektronischer DC-Lasten zyklisch betrieben und eingebrannt. In dieser speziellen Anwendung werden fünf Netzteile gleichzeitig in einem kundenspezifischen Netzteil-Prüfstand getestet. Das Netzteil ist für 1200 Watt ausgelegt und kann bis zu 100 Adc auf seiner +12V-Schiene liefern. Daher betrug die maximale Leistungsanforderung für fünf Miner-Netzteile im Einbrennbetrieb 6 kW.

Für eine 6 kW Anforderung scheint die ARx-Serie zunächst am besten geeignet, mit Modellen von 6,75 kW bis 40,5 kW. Da die Anforderung jedoch bei 12 Vdc liegt, wäre die ARx-Serie im niedrigen Leistungsmodus auf weniger als 25 % ihrer Nennleistung beschränkt (Abbildung 5), was eine erhebliche Überdimensionierung des Produkts erfordern würde, um die 12 Vdc, 6 kW Anforderung zu erfüllen. Betrachtet man stattdessen das Betriebsprofil der ALx-Serie, so ist diese über einen extrem breiten Bereich zur vollen Leistung fähig, was sie ideal für Hochleistungs-Niederspannungsanwendungen macht. Unter Bezugnahme auf den Auszug aus Abbildung 1 des Betriebsprofils des MagnaLOAD-Modells ALx2.5-200-600 ist es in der Lage, seine volle Nennleistung bei 12 Vdc zu erreichen.

Während die maximale Nennleistung eines ALx2.5-200-600 nur 2,5 kW beträgt, können mehrere Einheiten über die im Produkt enthaltene MagnaLINK™-Schnittstelle digital im Master-Slave-Betrieb parallel geschaltet werden. Beim MagnaLINK™ Master-Slave-Betrieb gibt es keine Leistungseinbußen, und die Einheiten führen eine Messwertaggregation durch, um tatsächlich als ein einzelnes Produkt zu arbeiten. Die Master-Slave-Schaltung von drei ALx2.5-200-600-Einheiten ermöglicht eine Leistungsfähigkeit von bis zu 7,5 kW und eine Stromfähigkeit von bis zu 1800 Adc. Im Betrieb bei 12 Vdc hatte das Master-Slave-System mehr als genug Kapazität für die 6 kW, 600 Adc Anforderung des ASIC-Mining-Netzteil-Prüfstands.