DC / DC Wandler

Was ist ein DC / DC Wandler und wofür wird er eingesetzt? Wie funktioniert er und warum kann er eine Lichtmaschine ersetzen?

Inhaltsverzeichnis

• Was ist ein DC DC Wandler?
• Wo werden unsere DC DC Wandler eingesetzt?
• Warum sind unsere DC DC Converter so widerstandsfähig?
• Unterschied zwischen Schaltregler und Linearregler?
• Die neue Generation der Stromwandler - Planar Magnetics
• Planare Magnettechnologie - von der Chance zum Technologievorteil?
• Die Challenge
• Die Produktserien DVCx3 und DVCH im Detail

Was ist ein DC / DC Wandler?

Ein DC/DC Wandler, der zu deutsch auch Gleichspannungswandler genannt wird, konvertiert Gleichspannungen in andere Spannungshöhen, -tiefen oder negative Spannungen um. Es gibt verschiedene Ausführungen von DC-DC-Wandlern. Die sogenannten Abwärtswandler geben eine geringere Spannung ab als sie aufnehmen, das heißt, sie verringern die Spannung für das jeweilige Akku-Endgerät. Die Aufwärtswandler hingegen geben eine höhere Spannung ab als am Anfang hinein gegeben wurde, was bedeutet, dass sie die am Anfang eingegebene Spannung zu einer höheren Spannung konvertieren. Ebenfalls gibt es Geräte, die beide Möglichkeiten in sich vereinen - also sowohl als Aufwärts- als auch als Abwärtswandler funktionieren. Eine letzte Gruppe findet man noch bei den DC-DC-Wandler: Die sogenannten Negativ-Spannungswandler oder Inverter. Der Inverter sorgt dafür, dass die Gleichspannung wieder in Wechselstrom umgewandelt wird. Er ist damit sozusagen das Gegenstück vom AC DC Wandler.

Wo werden unsere DC DC Wandler eingesetzt?

Allgemein werden DC-DC-Wandler überall da eingesetzt, wo höhere, niedrigere oder negative Spannungen gebraucht werden wie in Photovoltaik Anlagen, in Fahrzeugen oder Flurförderfahrzeugen, Antriebssystemen und vielen weiteren Gebieten.

Wir haben uns auf Gleichstromwandler spezialisiert, die vor allem in der Automobilindustrie, bei Hybridfahrzeugen und E-Autos verwendet werden. Ein weiteres großes Einsatzgebiet unserer DC DC Converter ist in der Logistikbranche, z.B. beim Gabelstapler, E-Stapler oder auch in automatisierten Transportsystemen. Ebenfalls sind unsere extrem widerstandsfähigen DC-DC-Wandler in diversen anderen Anwendungsbereichen einsetzbar.

Warum sind unsere DC DC Converter so widerstandsfähig?

Gerade in der Automobilindustrie oder in der Logistik braucht man sehr widerstandsfähige DC DC Wandler. Unsere DC-DC-Wandler sind sicher gegen:

• Temperaturschwankungen
• Schläge
• Erschütterungen
• Feuchtigkeit und Staub
• ungünstige Umwelteinflüsse
• Überbrückung von Spannungseinbrüchen (beispielsweise beim Starten eines Motors)

Unterschied zwischen Schaltregler und Linearregler?

DC-DC-Wandler gibt es als zwei unterschiedliche Bauarten an Spannungsreglern: Als Schaltregler oder als Linearregler.

Der Linearregler:

Grundsätzlich gilt, dass lineare, geschaltete Regler immer eine niedrigere Spannung abgeben als sie am Eingang erhalten. Sie haben nicht die Möglichkeit, eine höhere Spannung als sie am Eingang bekommen, abzugeben. Ein Linearregler ist, wie der Name schon sagt, linear geschaltet. Das heißt, dass sich nach der Spannungsquelle ein variabler Serien­wider­stand in Form eines Transistors der Last (als Last wird immer der Verbraucher bezeichnet wie z.B. Handy-Akku) befindet und die gewünschte Stromstärke in der gewünschten Spannung zur Verfügung stellt.

Allerdings zieht der Linearregler immer die volle Leistung, die er an der Anfangs-Quelle bekommt und regelt diese dann durch einen Widerstand runter. Je nach benötigtem Verbrauch kann hier ein sehr hoher Energieverlust entstehen. Hierzu ein kleines Beispiel: Nehmen wir an, wir wollen über die Autobatterie einen Handy-Akku laden. Die Autobatterie gibt einen Input von 12 Volt. Allerdings benötigen wir zum Laden unseres Handys nur 5 Volt und 1 Ampere. Der Linearregler würde in diesem Fall ganze 7 Volt “schlucken” und in Wärme umwandeln, um am Ende 5 Volt zur Verfügung zu stellen.

Kurz gesagt: Der Linearregler hat einen niedrigen Wirkungsgrad, hohe Wärmeentwicklung und kann nur als Abwärtswandler eingesetzt werden. Jetzt fragen Sie sich bestimmt, warum man überhaupt Linearregler einsetzen sollte? Ganz einfach: Der Linearregler ist in seinem Aufbau sehr einfach und günstig und außerdem leicht zu verbauen. Noch dazu erzeugt er ein sehr klares Endsignal ohne sogenanntes Rauschen oder starke Welligkeiten.

Der Schaltregler:

Der Schaltregler hat, wie der Name schon sagt, einen oder mehrere Schalter im Inneren verbaut. Diese sorgen dafür, nur genauso viel Strom am Ausgang ankommt wie auch wirklich benötigt wird - zumindest in der Theorie. Natürlich verbrauchen Schalter und die verbauten Teile auch Strom, allerdings in viel geringerem Maße.

Schauen wir uns wieder das vorherige Beispiel an. Die Autobatterie gibt ein Input von 12 Volt ab. Wieder benötigen wir nur 5 Volt für unsere Akkuladung am Handy. Dazwischen geschaltet haben wir nun einen Schaltregler. Durch ihn fließt Strom über einen geschlossenen Schalter in einen induktiven Stromkreislauf (Beispiel für induktive Bauteile sind Kupferspulen), der zum Ausgangsstrom führt. Bei Erreichen des gewünschten Spannungswerts öffnet sich der Schalter am Anfang des Stromkreises und verbraucht so nicht viel mehr Strom als er am Ende wirklich benötigt. Fällt der in der Induktivität gespeicherte Strom unter ein gewisses Niveau, schließt sich der Schalter automatisch wieder und der Kreislauf beginnt von Neuem. Schaltregler gibt es in unterschiedlich guten Ausführungen, ihr Wirkungsgrad liegt bei circa 85% (manche Schaltregler sind auch so verbaut, dass sie sogar einen Wirkungsgrad von 95% erreichen können).

Für unser Beispiel würde das bedeuten, dass unser Schaltregler gerade mal 0,75 W Leistungsverlust verzeichnen würde. Also kann man darauf schließen, um 5 Watt Strom am Ende bereitzustellen, würden gerade mal 0,75 Watt Leistung benötigt werden. Das wiederum heißt, dass der Schaltregler deutlich energieeffizienter und deutlich weniger Wärmebelastung ausgesetzt wäre als sein Pendant, der Linearregler. Allerdings gibt es auch bei den Schaltreglern gewisse Nachteile:

1. Sie besitzen mehrere komplexe und kostenintensive Bauteile und müssen sorgsam im Anwendungsgebiet verbaut werden.
2. Es können bisweilen sehr komplexe Schaltungen notwendig werden, um Welligkeiten und Rauschen zu beseitigen.

Die neue Generation der Stromwandler - Planar Magnetics

Stromwandler entwickeln sich immer weiter mit komprimierter Leistungsdichte, einer großen Betriebsfrequenz und kompaktem Profil. Flach, stark und kommunikativ - so die Intention.

Planare Magnettechnologie - von der Chance zum Technologievorteil?

Über die planaren Leistungspakete berichtete E&E, das Web-Magazin von INUDSTR.com, in einem eindrucksvollen Bericht. Die planare Magnettechnologie kann eine Chance sein und hat gar das Potential zum Technologievorteil in der Stromversorgung und der Leistungselektronik.

Die derzeitige Entwicklung der Stromrichter mit hoher Leistungsdichte und Betriebsfrequenz sowie geringen Abmessungen ziehen eine nur eingeschränkte Einsatzfähigkeit konventionell gewickelter magnetischer Komponenten hinter sich. Die flachen Bauelemente sind diesen Erfordernissen nicht nur durch ihre Modularität, erstklassige Wiederholgenauigkeit und ihre herausragende thermische Beschaffenheit, sondern auch durch ihre vergleichsweise einfache Herstellung und die vortreffliche Wicklungsintegration gewachsen. Daher werden die planaren Transformatoren auch gerne in Stromrichtern im hochfrequenten Bereich immer häufiger eingesetzt.

Diese ultraflache Magnettechnologie gibt es in verschiedenen Ausführungen. Dabei überzeugen Sie immer durch ihre bestechend flach gehaltene Bauhöhe, die gerade mal 22 mm aufweisen, und den damit verbundenen positiven Eigenschaften. Planare Magnete können als folgenden Komponenten gefertigt werden:

• mehrlagige Leiterplatten
• Dickschicht Kupfer Varianten für Hochstrom Anwendungen
• Draht gewickelte Einsätze
• FH-Litzen
• vertikal gewickelte Bleche
• gestanzte Kupferschienen

Um Einzelkontaktstellen weitestgehend zu vermeiden wurden flexible Leiterplatten integriert.

Die Challenge

Die größte Herausforderung für planare Magnettechnologie war es die Balance zwischen dem Kupferfüllfaktor und der Erhöhung des Gleichstromwiderstandes zu finden, was Deutronics in seiner DVC-Serie und der DVCH Serie absolut gelungen ist.

Ein extrem wichtiges Puzzlestück dieser Lösung war: Möglichst flach, dafür etwas breiter. Zudem sorgt die breitere Oberfläche für eine optimale thermische Anbindung. Weitere Vorteile der planaren Magnet Technologien sind:

• Vereinfachung des Aufbaus und Kostensenkung durch für die Massenproduktion taugliche PCB Methoden.
• Optimierung des Montageprozesses durch vorformbare Materialien, die auch in der Massenproduktion einen schnellen Einbau ermöglichen.
• Die Gleichteilbasis ermöglicht den Einsatz verschiedener planarer Magnettechnologie wie in einer Art Baukastensystem.
• Kosteneinsparung durch optionale Verwendung von Halbleitern und passiven Bauteilen, die damit zusätzliche Interfaces ersetzen.
• Deutlich leichtere Implementierung trotz verschachtelte Wicklung.
• Aufgrund der nah beieinander liegenden Wicklungen und der größeren Oberfläche haben planare Transformatoren eine höhere Zwischen-Wicklungskapazität.

Die Produktserien DVCx3 und DVCH im Detail

Mit den Produktserien DVCx3 und DVCH gelang es Deutronic neue Standards für Gleichspannungswandler für Hybrid und E-Fahrzeuge zu definieren. In den beiden Produktserien dieser Fahrzeugwandler befinden sich ein Lagenaufbau verschiedener Kupferdrähte von bis zu 400 µm in den Zwischenlagen. Die vollständige Leiterplatte trägt zusätzlich zu den primär und sekundär verschachtelten Wicklungen auch noch Filter, Freischalter, die selbst gesteuerten Gleichrichter sowie Kondensatoren und Anschlussterminals.

Die DVCx3 Serie

Die DVCx3 Serie wurde für die Elektromobilität wie Hybridautos oder E-Fahrzeuge auch in der Applikation mit Brennstoffzellen entwickelt. Ihr Haupteinsatzgebiet findet sich in Flurförderfahrzeugen wie Gabelstaplern. In der Serie finden Sie insgesamt sieben verschiedene Ausführungen mit jeweils besonderen Eigenschaften:

Die Typen DVC153-24/36-12, DVC153-48-12, DVC153-80-12 unterscheiden sich in der zur Verfügung gestellten Eingangsspannung und geben eine konstante Ausgangsspannung von 50 Watt weil maximal 12 Ampere ab. Die Bautypen DVC453-24/36-24 und DVC453-48/80-24 können mit einer Eingangsspannung zwischen 24 und 80 V DC arbeiten und geben somit eine Ausgangsleistung von 450 Watt ( das entspricht 24,3 VDC Ausgangsspannung) ab.

Die DC-DC-Wandler DVC853-48/80-13,8 und DVC1903-48/80-24 können mit einer variablen Eingangsspannung von 48 bis 80 VDC arbeiten und geben somit 966 bzw. 1.680 Watt Ausgangsleistung ab. Diese beiden Typen vereint aber noch eine Besonderheit. Sie besitzen ein sogenanntes Boostverhalten und können für ca. 4 Sekunden eine maximale Ausgangsleistung von 2.208 Watt (DVC853-48/80-13,8) beziehungsweise 3.840 Watt (DVC1903-48/80-24) zur Verfügung stellen.

Die DVCx3 in der Übersicht

Die DVCH-Serie

Die DVCH-Serie Gleichspannungswandler wurde speziell für den Einsatz in Hybrid- und E-Fahrzeugen konzipiert. Die Produkte DVCH1503 und DVCH3003 sind extrem leistungsstarke und dabei sehr kompakte DC DC Wandler mit einem Wirkungsgrad von typischerweise 95%. Diese DC DC Converter ermöglichen die Einsparung der Lichtmaschine in Hybrid- und E-Fahrzeugen durch Anpassung der Spannung des Hochvolt-Energiespeichers an den Bordnetz-Computer. Auch viele weitere Features zeichnet diese Reihe aus:

• 400VDC–800VDC Eingangsbereich (Hochvolt)
• Leistungsbereich bis zu 3 kW
• Einstellbare Ausgangsspannung
• Verschiedene Spannungsbereiche und Leistungen (steuerbar, z.B. CAN)
• hoher Wirkungsgrad – typ. 95%
• Kurzschluss- und Leerlauffest, Übertemperaturschutz
• Schutzart IP65, IP67 & IP6K9K
• Durch CAN Schnittstelle verschiedene Spannungsbereiche und Leistungen steuerbar
• Galvanisch getrennter Schaltregler
• Interlock-Funktion
• Geschützt gegen ungünstige Umwelteinflüsse (IP-Schutz)

Die DVCH Serie im Überblick

Des Weiteren sind beide Wandler mit einer CAN- Schnittschnelle ausgestattet und ermöglichen so eine Kommunikation nach Standard und J1939 Protokoll. Zusätzlich kann hier sogar eine Ausgangsspannung von bis zu 30 V eingestellt werden.

Sie benötigen einen höheren oder tieferen Ein- und/oder Ausgangs-Spannungsbereich? Benachrichtigen Sie uns! Auf Kundenwunsch können wir Ihnen auch individuelle Lösungen anbieten.

Fazit: Die schlanke und leistungsfähige Planartechnologie bietet dem Kunden in den verschiedensten Produktionsbereichen einen entschiedenen Technologievorteil. Denn mit den modularen, planaren Transformatoren gelingt es auch komplexe Produkte zu verschlanken und so selbe Qualität auf viel weniger Raum zu leisten. DC-DC-Wandler sind aus unserer modernen Gesellschaft nicht weg zu denken. Durch immer weitere Entwicklungen werden immer leistungsstärkere und einsatzfähigere DC/ DC Converter entwickelt.

Haben Sie Fragen oder suchen Sie individuelle Wechselstromrichter? Dann kontaktieren Sie uns gerne.