Aus einem 1250-V-Antriebszwischenkreis eine sichere, stabile Steuerungsversorgung machen

Projekt auf einen Blick: Wir haben eine Version eines hochspannungsisolierten DC/DC-Wandlers für aktive Magnetlagersysteme in Hochgeschwindigkeits-Industriemaschinen entwickelt und getestet. Die Lösung sorgt für galvanische Trennung zwischen dem HV-Leistungsteil und der Steuerelektronik und stabilisiert die Versorgung des Controllers über einen weiten Eingangsspannungsbereich. Als Ergebnis unserer Arbeit erhielt der Kunde eine funktionsfähige Revision der Platine, bereit für die Pilotproduktion und die Vorbereitung auf die Fertigung. 

Kunde & Herausforderung

Ein europäischer Entwickler und Hersteller von Systemen für Hochgeschwindigkeits-Industriemaschinen wandte sich an uns. Für die nächste Produktversion benötigte der Kunde einen isolierten DC/DC-Wandler, der bei hoher Spannung arbeitet. Zwei Anforderungen sind für eine solche Architektur entscheidend: 

• die galvanische Trennung zwischen dem Hochspannungs-Leistungsteil und der Steuerelektronik; 

• Stabilität bei Eingangsspannungen bis zu 1250 V DC und bei für die Antriebstechnik typischen transienten Prozessen. 

Die mit der Umsetzung verbundenen Risiken stellten eine zusätzliche Herausforderung dar. Bei Hochspannungswandlern reichen reine Schaltungsberechnungen nicht aus. Es ist notwendig, im Voraus ein stabiles Schalten der Leistungshalbleiter und eine stabile Gleichrichtung im PWM-Steuermodus sicherzustellen sowie die Lösung auf einer Leiterplatte mit geeigneter, für 3000 V ausgelegter Isolierung umzusetzen, unter Berücksichtigung der Sicherheitsanforderungen und Betriebsbedingungen (OVC III, PD2, IP21). Andernfalls treten bei der Integration Probleme auf, darunter instabiler Betrieb, Fehlauslösungen und Sicherheitsrisiken. 

Das Projekt war durch praktische Einschränkungen geprägt: Dem Kunden fehlten Ressourcen und Fachwissen im Bereich der Hochspannungs-Leistungselektronik, daher begann die Zusammenarbeit mit Beratungsleistungen. Benötigt wurde ein Engineering-Team, das die Schaltung und die Leiterplatte schnell zu einer funktionsfähigen Revision bringt und die Stabilität bei hoher Spannung bestätigt.

Lösung

Wir haben einen isolierten HV-DC/DC-Wandler als separate Leistungsstufe zwischen dem HV-Zwischenkreis und dem Versorgungsbereich des Controllers entwickelt. Der Wandler verarbeitet einen Hochspannungseingang über einen weiten Bereich, erzeugt eine stabilisierte galvanisch getrennte Ausgangsspannung und schützt die Steuerelektronik vor den Eigenschaften des Leistungsbusses.

Während der Entwicklung haben wir systematisch Risiken beseitigt, die typischerweise bei der Integration von HV-Wandlern auftreten: die Stabilität des Gate-Treibers der Leistungsschalter bei Hochspannungs-Transienten und die Stabilität der Gleichrichtung bei asymmetrischen PWM-Impulsen. Diese beiden Komponenten bestimmten die Zuverlässigkeit der gesamten Stufe, daher haben wir sie in separaten Engineering-Iterationen in einen stabilen Betriebszustand überführt.

Geschäftlicher Mehrwert

Für den Kunden ging es bei diesem Projekt nicht nur um die Neuauslegung einer Leistungsstufe, sondern um die Beseitigung eines Engpasses, der die Weiterentwicklung des Produkts verlangsamte. Durch die Stabilisierung der Hochspannungs-DC/DC-Architektur und die Validierung ihrer Leistung unter realen Betriebsbedingungen haben wir zentrale technische Risiken bereits vor der Pilotphase eliminiert.

Gleichzeitig konnte sich das interne Team des Kunden weiterhin auf die zentrale AMB-Technologie konzentrieren, während wir die Lücke im Bereich der Hochspannungs-Leistungselektronik geschlossen haben. Das Ergebnis ist eine robustere Produktarchitektur und ein klarerer Weg zur industriellen Umsetzung.

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