BFFT Techblog Februar: High Voltage to C / Switched Current Source Precharge
11.12.2017

BFFT Techblog: High Voltage to C / Switched Current Source Precharge

Thema: Kurzschluss ade! – Wie man einen Kondensator verlustfrei mit Hochspannung  lädt.

Motivation:

Jeder, der schon einmal den Versuch gestartet hat, einen größeren Kondensator an eine eingeschaltete Spannungsquelle anzuschließen, kennt die Reaktion und somit das „Funkentreiben“.

Die Ursache ist der Kondensator, der beim Anschließen plötzlich ohne Widerstand und damit über einen Kurzschlussstrom aufgeladen wird, denn Kondensatoren und Anschlussleitungen haben prinzipbedingt  einen sehr kleinen Serienwiderstand.

Im Grunde passiert das auch bei jedem Haushaltsgerät, welches in die die Steckdose gesteckt und dessen Eingangskondensatoren geladen werden.

Zum Problem wird es erst dann, wenn mehrere Geräte (z.B. über eine Mehrfachsteckdose) gleichzeitig angeschlossen werden und deshalb die Sicherung ausgelöst wird.

Elektromobilität

Dieser Sachverhalt kann durchaus zu Problemen führen, wenn man mit höheren Spannungen von einigen hundert Volt, größeren Kapazitäten im Bereich von Millifarad und damit entsprechend höheren Strömen rechnen muss.

Nachfolgend  werden die Ausführungen mit Diagrammen und Schaltplänen aus Simulationen (in LTSpice1) verdeutlicht. Derartige Werkzeuge sind in der Hardwareentwicklung sehr nützlich, um vor der Realisierung von Schaltungen deren grundsätzliche Funktionsweise zu überprüfen.

Beispiel:  Zuschalten einer 1000V Batterie an die Zwischenkreiskapazität eines Elektromotors

C = 1mF, U=1000V, R= 100mOhm

I_0=U_0/R=10kA, τ=R∙C=100μs

Abbildung 1: Ersatzschaltung für Kondensatorladung beim einfachen Zuschalten einer 1000V-Batterie ohne Vorladung

Abbildung 2: Spannungsverlauf, Stromverlauf, Verlustleistung über Bauteilwiderständen

Während des kurzen Impulses wird die von der Batterie abgegebene Energie (hier ca. 1kJ) jeweils zur Hälfte in den Kondensator übertragen und zur Hälfte in Wärmeenergie umgewandelt. Die Verluste entstehen dabei an den Leitungswiderständen, Übergangswiderständen und Innenwiderständen der Bauelemente.

Dieser Fall tritt immer dann ein, wenn in einem Elektrofahrzeug der Antriebsmotor (und somit auch seine Zwischenkreiskondensatoren) über Schütze mit der Hochvoltbatterie verbunden wird.

Die ursprüngliche Reaktion wäre ein riesiger Stromfluss (im Beispiel z.B. 10kA). Die Folge wäre in den meisten Fällen ein Verschweißen der Schaltkontakte und damit eine Zerstörung der Schütze, da diese bedingt durch Kosten, Gewicht und Bauraum „nur“ auf die normalen Betriebsströme ausgelegt sind.

Um diesen Vorgang zu verhindern muss also der Kondensator idealerweise bereits auf Betriebsspannung geladen sein, wenn die Schütze geschlossen werden sollen.

Für diesen Zweck wird eine Vorladeschaltung benötigt.

Old School

Das Laden kann im einfachsten Fall über einen Widerstand erfolgen, den man mit einer weiteren Schaltstufe parallel zum geöffneten Schütz schaltet.

Durch den begrenzten Stromfluss dauert es eine gewisse Zeit bis der Kondensator geladen ist. Je nach erlaubter Verlustleistung (Größe und Bauform des verwendeten Widerstandes) kann dies zu einer wahrnehmbaren Verzögerung für das Einschalten der Schütze führen.

Dieser Effekt wird noch dadurch verstärkt, dass der maximale Ladestrom nur am Anfang der Ladekurve (e-Funktion) fließt und der Strom anschließend immer weiter abnimmt.

Old School 2.0

Ein erster Optimierungsansatz wäre, einen deutlich höheren Ladestrom zuzulassen und diesen in Form kurzer Impulse zuzuschalten. Anfangs würde man den Widerstand nur sehr kurz zuschalten, um die erlaubte Impulsenergie für den Widerstand nicht zu überschreiten. Nach und nach kann die Impulsdauer erhöht werden, da die Differenzspannung und damit auch der Strom und die Verlustleistung sukzessive abnimmt. Grundsätzlich wird damit die am Widerstand erzeugte durchschnittliche Verlustleistung pro Zeitintervall konstant gehalten und es wird bis zur vollständigen Ladung des Kondensators eine maximale Ladegeschwindigkeit erzielt.

Abbildung 3: Schaltung für Kondensatorladung über Vorladewiderstand mit PWM-Ansteuerung

Abbildung 4: Spannungsverlauf, Stromverlauf, Verlustleistung über Vorladewiderstand mit PWM-Ansteuerung

Nachteil: Auch mit dieser Methode würde man insgesamt die gleiche Energiemenge durch die Verlustleistung am Widerstand in Wärme umwandeln, was entsprechend große Bauteile oder Ladezeiten erfordert.

Trick 17

Die Energie sollte also besser kontrolliert in den Kondensator überführt und nicht zu großen Teilen in thermische Verluste investiert werden. Dafür kann eine theoretisch verlustfreie Konstantstromquelle eingesetzt werden.

Die Energie kann in einer Spule zwischen gespeichert werden. Auf diesem Prinzip beruht auch fast jeder simple Schaltregler zur effizienten Spannungswandlung.

Eine geeignete Topologie, um diese Eigenschaft für eine Stromquelle zu nutzen, ist mit der Grundschaltung in Abbildung 5 gegeben.

Abbildung 5: Schaltung für Kondensatorladung über Konstantstromquelle

Abbildung 6: Spannungs- und Stromverlauf am Kondensator, Leistungsabgabe der Batterie

Abbildung 7: vergrößerte Darstellung eines Zeitabschnitts aus Abbildung 6

Jetzt bleibt nur noch die im unteren Diagramm von Abbildung 6 bzw. 7 dargestellte „echte“ Leistung, die die Batterie liefern muss. Zusätzlich entsteht noch Blindleistung, die zum Aufbau des Feldes und damit zum Begrenzen des Stromflusses in der Spule benötigt, aber anschließend wieder abgegeben wird. Somit überträgt man fast die komplette Energie direkt in den Kondensator.

Herausforderungen in der Realisierung

Nun ist es in der Realität leider nicht so einfach, wie es auf den ersten Blick erscheint. Man hat nämlich bei einer solchen Schaltung (vor allem durch die hohen Spannungen) ganz neue Probleme.

Schon die Bauteilauswahl für den Schalter und die Spule ist problematisch, wenn man das Ziel einer kompakten Bauweise verfolgen möchte. Z.B. sind Spulen, die eine entsprechende Spannungsfestigkeit besitzen, normalerweise für den Dauerbetrieb mit hohen Strömen ausgelegt und dementsprechend sehr groß. Eine entsprechende Isolation zwischen den einzelnen Windungen und große Luft- und Kriechstrecken sind nötig. Eine gewickelte Spule mit den verfügbaren Kernmaterialien und -geometrien würde in einer relativ großen Bauform resultieren, damit sie unter den vorhandenen Betriebsbedingungen nicht in Sättigung geht. Deshalb fiel die Entscheidung bei der Umsetzung auf eine in die Leiterplatte integrierte, planare Luftspule.

Als Schaltelement kommt ein Hochspannungs-MOSFET zum Einsatz. Die Ansteuerung des Transistors wird mit Hilfe eines galvanisch getrennten Gate-Treibers realisiert.

Die Strommessung erfolgt über einen Shunt. Der dort entstehende Spannungsabfall wird durch eine galvanisch getrennte Komparatorschaltung mit Hysterese in das Steuersignal für den Transistor umgewandelt.

Bei der Inbetriebnahme des ersten Prototypen waren einige in den vorangegangenen Simulationen mit LT-Spice nicht vorhandenen Effekte zu beobachten.  Diese entstanden einerseits durch parasitäre Eigenschaften der Leiterplatte und andererseits durch die konkreten Eigenschaften des Transistors und anderer Bauteile. Durch Optimierung des Leiterplattenlayouts und der Schaltung selbst, z.B. die Ergänzung eines Snubber-Netzwerkes zur Reduzierung der Störungen beim Schalten des Transistors, konnte letztendlich eine saubere Funktion erreicht werden.

Fazit

Es gibt verschiedene Wege zum Ziel zu kommen. Die Wahl für die passende Lösung ist abhängig von den Randbedingungen. Die zuletzt vorgestellte Lösung ist die beste hinsichtlich Gewicht, Größe, Geschwindigkeit und Effizienz. Die Nachteile liegen in der höheren Komplexität und dem höheren Preis im Vergleich zur herkömmlichen Variante mit einfachem Widerstand.

1.   http://www.linear.com/designtools/software/#LTspice


Autor: Matthias S. (Entwicklung Konzepte & Tooling)
Kontakt: techblog@bfft.de 
Bildquelle: Matthias S.


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