Stromgespeiste Leistungsverarbeitung—Robustheit durch Durchhaltefähigkeit

Dieser Artikel wurde von Magna-Power Electronics verfasst und erschien ursprünglich in der Ausgabe März 2019 des IEEE Power Electronics Magazine.

Die Auswahl der besten Stromrichtertopologie für eine bestimmte Anwendung kann angesichts der Fortschritte der letzten 20 Jahre durchaus überwältigend sein. Viele dieser Fortschritte wurden durch bessere Halbleiterschalter erzielt, die schnellere Schaltfrequenzen, niedrigere Durchlassspannungen, geringere Verlustleistung, geringere Treiberleistungsanforderungen und mehr bieten. Die Auswahl der besten Stromrichtertopologie muss die Anforderungen der Anwendung mit den Prioritäten Kosten, Größe/Gehäuse, Effizienz und Robustheit in Einklang bringen. Magna-Power Electronics (Magna-Power), ein Hersteller programmierbarer Gleichstrom-Leistungsprodukte in Flemington, New Jersey, USA, hat bei der Topologieauswahl Robustheit priorisiert. Die Topologiewahl wurde durch den Bedarf der Kunden an hoher Zuverlässigkeit in anspruchsvollen Industrieumgebungen bestimmt.
Da Magna-Power-Produkte häufig in experimentellen Anwendungen zur Prototypenvalidierung eingesetzt werden, erforderte die Kundenzufriedenheit eine konsistente Stromrichterleistung weit über die typischen Betriebsbedingungen hinaus. Nach der Auslieferung von Zehntausenden von Netzteilen resultiert die überwiegende Mehrheit der Feldausfälle aus unsachgemäßer Handhabung durch Kunden, wie zum Beispiel:

• Korrosion
• anormale Eingangsspannung wie Blitzeinschläge, Netzspannungstransienten und Netzoberschwingungen
• Ausgangsmissbrauch, wie rückgespeiste Spannungen und übermäßige Wechselströme
• Anfälligkeit für elektromagnetische Störungen in ungewöhnlichen Umgebungen
• mangelhafter Einbau von Netzteilen in Geräteschränken, der zu eingeschränktem Luftstrom und übermäßiger Erwärmung führt.

Typische Methoden zur Verbesserung der Zuverlässigkeit sind die Implementierung von n + 1-Redundanz und die Senkung der mittleren Ausfallzeit. Diese Techniken können die langfristige Zuverlässigkeit nur teilweise verbessern, wenn die Ausfallursache auf externe Bedingungen zurückzuführen ist. Beispielsweise wird ein Netzteil in einer Industrieumgebung, das hohen eingehenden Spannungstransienten ausgesetzt ist, zuverlässiger sein, wenn Eingangsgleichrichter mit einer höheren Sperrspannungsbewertung verwendet werden. In diesem Fall kann die Verbesserung der Zuverlässigkeit durch Bauelemente mit höherer Spannungsfestigkeit vorteilhafter sein als redundante Netzteile mit niedrigeren Bauteilspezifikationen, die alle durch dieselbe externe Umgebungsbedingung ausfallen würden. Das Überstehen eines anormalen externen Einflusses, selbst wenn der Betrieb vorübergehend unterbrochen wird, ist weitaus besser als ein Produktausfall und die Abhängigkeit von einem Ersatzgerät.

Eines der Hauptziele von Magna-Power war die Entwicklung von Leistungsschaltungen, die potenziell schädliche Bedingungen überstehen können. Eine starke Durchhaltefähigkeit oder Fehlerresistenz senkt Feldretouren, reduziert kostspielige Reparaturen und bewahrt vor allem die Kundenzufriedenheit. Fehlerschutz kann nicht unter allen Bedingungen erreicht werden, aber das Wissen um die Schwachstellen eines Designs kann zu einem besseren Verständnis möglicher Verbesserungen beitragen.
Die meisten Netzteildesigns im Leistungsbereich von 1 kW und darüber verwenden eine spannungsgespeiste Topologie oder eine ähnliche Ableitung. Wie in Abbildung 1 dargestellt, besteht die Eingangsstufe aus einer Gleichstromquelle, die einen Kondensator, einen Brückenwechselrichter, einen Transformator zur galvanischen Trennung, einen Ausgangsgleichrichter und einen Induktivitäts-Kapazitäts-Tiefpassfilter speist. Der Schwachpunkt des Designs ist der Brückenwechselrichter. Sollte eines der Bauelemente ausfallen oder fälschlicherweise einschalten, können die Auswirkungen dramatisch sein: Ausfall weiterer Brückenwechselrichter-Bauelemente, Flammen und Beschädigung umliegender Schaltkreise. Wenn der Brückenwechselrichter nicht mit einer nahezu perfekten Volt-Sekunden-Balance schaltet, wird der Transformatorkern in die Sättigung gehen, was möglicherweise zu ähnlichen Ausfallbedingungen führt.

Es gab erhebliche Fortschritte bei der Fehlererkennung von spannungsgespeisten Stromrichtern. Schutzschaltungen müssen jedoch nach wie vor im Mikrosekundenbereich arbeiten. Solche Ausfälle sind thermisch und bauelementabhängig. Fortschritte beim Schutz umfassen die Erkennung des Durchlasszustands mit Antisättigungs-Erfassungsschaltungen und Stromreglern, die den Spitzenstrom durch Transformatoren begrenzen, um eine Kernsättigung zu verhindern. Jeder externe Einfluss, der einen falschen Schaltzustand verursacht, kann zu einem potenziellen Ausfall führen, wobei wenig Zeit für Korrekturmaßnahmen bleibt.

Stromgespeister Stromrichter

Abbildung 2 zeigt das elektrische Dual des spannungsgespeisten Stromrichters, d. h. einen stromgespeisten Stromrichter. Die stromgespeiste Topologie existiert seit langem, wird jedoch selten kommerziell eingesetzt, da die Schaffung eines Stromquelleneingangs sowie die Anforderung eines streuarmen Transformators zusätzliche Kosten verursachen [1]. Die Unterschiede zwischen spannungsgespeisten und stromgespeisten Stromrichtern sind sehr subtil. Die spannungsgespeisten Brückenbauelemente dürfen niemals den Eingangs-Gleichstrombus kurzschließen, im Gegensatz zu den stromgespeisten Brückenbauelementen, die den Eingangs-Gleichstrombus niemals öffnen dürfen. Zweitens befindet sich die Ausgangsinduktivität L1 bei einem spannungsgespeisten Stromrichter auf der Ausgangsseite, bei einem stromgespeisten Stromrichter hingegen auf der Eingangsseite.

Wie in Abbildung 3 dargestellt, kann die Anforderung eines Stromquelleneingangs mit einem Abwärtswandler oder Chopper erreicht werden, der als Spannungs-Strom-Wandler betrieben wird. Obwohl dies tatsächlich ein Nachteil der Topologie ist, kann diese zusätzliche Stufe zum Schutz zwischen den beiden Wandlerstufen genutzt werden.

Die Wechselrichterstufe, deren Hauptfunktion die galvanische Trennung und Spannungstransformation ist, sollte mit einem Tastverhältnis von nahezu 50 % betrieben werden. Diese Stufe kann mit einer niedrigeren Schaltfrequenz betrieben werden, praktisch ohne Beeinträchtigung der dynamischen Leistung. Die gesamte Wandlerregelung wird durch die Abwärtswandlerstufe gesteuert. Eine niedrige Streuimpedanz des Transformators T1 gewährleistet einen hohen Wandlerwirkungsgrad und eine geringe Ausgangsspannungswelligkeit. Während der Kommutierung der beiden Wechselrichterpole wird der DC-Bus über dem Wechselrichter kurzgeschlossen, und der Stromfluss durch die Ausgangsstufe wird blockiert.

Beim stromgespeisten Wandler ist die Zeit zum Schutz jedes Halbleiterbauelements abhängig von der Schaltperiode des Abwärtswandlers und der Auslegung der Induktivität L1; beide Parameter bestimmen die Zeit, die zur Vermeidung der Kernsättigung der Induktivität L1 benötigt wird. Bei einem Abwärtswandler mit einer Betriebsfrequenz von 20 kHz kann eine typische Periode von 10 μs problemlos eingesetzt werden, um gesteuerte Halbleiterbauelemente innerhalb der normalen Betriebsgrenzen zu schützen. Dieser Schutz kann auf die Wechselrichter- oder Abwärtswandler-Halbleiterschalter bei fehlerhaften Schaltzuständen, Transformatorkurzschlüssen oder Ausgangsdiodenkurzschlüssen angewendet werden. Bei einem Fehlerzustand bricht der DC-Bus über dem Brückenwechselrichter zusammen und schützt die verbleibenden Bauelemente vor katastrophalem Ausfall. Da der DC-Busstrom auf einen vom Abwärtswandler eingestellten und aufrechterhaltenen Strompegel begrenzt wird, ist eine Kernsättigung des Transformators T1 praktisch unmöglich.

Mit ausreichend Zeit kann eine Fehlerschutzschaltung entwickelt werden, um die Wechselrichterstufe durch die Abwärtswandlerstufe und die Abwärtswandlerstufe durch die Wechselrichterstufe zu schützen. Darüber hinaus wird der Strom bei Ausfall eines gesteuerten Halbleiterschalters durch den Abwärtswandler begrenzt, was katastrophale Ausfälle verhindert. Aufgrund der verlängerten Schutzzeit ist keine spezielle Antisättigungsschaltung erforderlich.

Ein weiteres Merkmal stromgespeister Topologien ist die Skalierbarkeit auf leistungsstärkere, physisch größere Systeme. Das Hinzufügen einer geringen zusätzlichen Induktivität in Reihe mit der Induktivität L1 hat praktisch keinen Einfluss auf die Systemleistung. Stufen können problemlos parallelgeschaltet werden, ohne dass Zuleitungsinduktivitäten ein wesentliches Problem darstellen.

Trotz der Vorteile eines stromgespeisten Designs sind spannungsgespeiste Designs in der Industrie weitaus verbreiteter. Spannungsgespeiste Topologien erfordern eine Leistungswandlungsstufe weniger und haben weniger magnetische Komponenten. Beide Anforderungen wirken sich auf Kosten und Wirkungsgrad aus. Die Herstellung eines Einplatinen-Netzteils kann bei niedrigeren Leistungsstufen kosteneffizienter sein – im Bereich von 1 kW und darunter. Viele Hersteller kombinieren mehrere Baugruppen gleicher Bauart, um höhere Leistungsstufen zu erreichen, doch solche Designs können sich durch die erhöhte Teileanzahl negativ auf die Systemzuverlässigkeit auswirken.

Die Herausforderungen des stromgespeisten Wandlers

Die Fertigung stromgespeister Wandler bringt in einem wettbewerbsintensiven Markt ihre Herausforderungen mit sich. Es gibt eine zusätzliche Leistungswandlungsstufe, die physisches Volumen beansprucht, zusammen mit den damit verbundenen Materialkosten. Herkömmliche Regelungsschaltungen können aufgrund der Dualität des Designs nicht verwendet werden, und diese Schaltungen müssen mit weniger integrierten Bauteilen entwickelt werden. Transformatoren, die für extrem niedrige Streuinduktivität ausgelegt sind, erfordern einzigartige Kerngeometrien. Die Anforderungen an kompaktere Bauweise und spezialisierte magnetische Schaltungen haben es für Magna-Power Electronics erforderlich gemacht, seine Fertigungsabläufe vertikal zu integrieren, um Fremdvergabe zu minimieren und seine Designs zu optimieren.

Heute fertigt Magna-Power Electronics alle seine Baugruppen im eigenen Haus. Diese Entscheidung hat dazu beigetragen, das Unternehmen auf einem globalen Markt wettbewerbsfähig zu halten, und ermöglicht es, die stromgespeiste Topologie zu realisieren sowie Qualität und Lieferzeiten zu verbessern. Die Fertigungsabläufe umfassen Blechbearbeitung, Pulverbeschichtung, robotergestützte Kühlkörper- und Befestigungsmontage, automatisierte Oberflächen- und Durchsteckmontage von Leiterplatten, Wicklung und Kernfertigung von Magnetbauteilen, CNC-Bearbeitung, Kabelbaumfertigung, Endmontage und Prüfung.

Literaturverzeichnis

[1] I. Abraham, Pressman: Switching Power Supply Design, 2nd ed. New York: McGraw-Hill, 1998.