Konverter-Technologie von mW bis kW

Unternehmen:• 01/2007 Gründung durch

Dipl.-Ing. Jochen MastDr.-Ing. Jean SchutzDipl.-Ing. Andreas KreitzDipl.-Phys. Jens HelfrichDipl.-Ing. Stefan Weiers

Sitz: Hockenheim

• 2008 Aufnahme vonDipl.-Ing. Christian Willmes

in die PartG

• 2009 Bezug der neuen Geschäftsräume in Oftersheim

• 2013 Ausscheiden von Dipl.-Ing. Stefan Weiers aus der PartG

Die Partner:

Andreas KreitzJochen Mast

Christian Willmes

Jean Schutz Jens Helfrich

Entwicklungs- und Beratungsdienstleistungen im

Bereich Leistungselektronik und Elektronik für

industrielle Anwendungen

• Hardware-Entwicklung• Analytische Berechnungen zur Optimierung magnetischer Komponenten

• Simulation

• Prototypenbau• μC basierte Steuerungen und Regelungen• Software

• Beratung, Fehler- und Ausfallanalyse

Leistungsspektrum:

Technologiebeispiele:• Aufbautechnologie

Leistungshalbleiter IMS

• Magnetische Komponenten Drosseln/Trafo, Hochkantwickel, spezielle Kernmaterialien, etc.

• Mittel- und Hochspannungstechnik (Mittelspannungsnetzteil, Speisung aus dem Lastkreis, Gate-UnitVersorgung, Hochspannungstrafo zur physikalischen Grundlagenuntersuchung (kalte Plasmen))

• Ausfallanalysen z. B. magnetische Komponenten, Halbleiter, µ-Controller, etc.

Entwicklungsablauf:

Phase 1:Konzept-untersuchung

Phase 2 :Funktions-muster

Phase 3 :Prototypen

•Vergleichende Analyse verschiedener Lösungsansätze

•Berechnung/Simulati-on, Grobauslegung

•Kosten- und Bauraumanalyse

=>Fundierte Entscheidungs-grundlage über zu realisierendes Konzept

•Dimensionierung der Schaltung

•Platinen-Layouts, Mechanik

•Aufbau, Inbetriebnahme, evtl. Software

•Tests nach Spezifikation inkl. EMV-Voruntersuchung

=>Erstes Kundenmuster verfügbar

•Umsetzung des Funktionsmusters in seriennahe Prototypen

•Finale EMV-Tests

•Unterstützung der Serieneinführung beim Kunden bzw. Produktionspartner

Beispielprojekt 1:3 kW Konverter für Heizwendelschweißgerät

D10

L

D11

D5

D6

Ua

S1

S2

T2C1

D9 D7

D8

S3

S4

T1

D1 D2

D3 D4

Ue C2

Technische Daten:Ausgangsleistung 3 kWAusgangsspannung 6…48 VWirkungsgrad >92 %

Weitere Eigenschaften:• Eingangsstrom sinusförmig • Ausgangsspannung gleichgerichtete

Sinushalbwellen Prototyp

Beispielprojekt 2:PWM-Verstärker 1,5 kW und 3 kW

Technische Daten:Ausgangsleistung 1,5kW Vollast Bandbreite 30Hz...50kHz

3kW Ausgangsspannung 0 …110VacWirkungsgrad >83%

Weitere Eigenschaften:• Sehr hohe Schaltfrequenz

1,3 MHz (1,5 kW)2,6 MHz (3 kW)

• Extrem geringe Störungender Ausgangsspannung

Simulationsergebnisse

PWM-Verstärker 1,5 kW und 3 kW

3 kW Gerät

1,5 kW Gerät

Beispielprojekt 3:22 kW Kontaktlose Energieübertragung

565V

0-420V

EMV

V

I

V

230V

24V

3~

L2

L1

L3

L

N

PE V

I

24V

AC-Bus+/-12V

5V3V3 24V

0-24V

Überspannungs-schutz

Last

Übertrager

Übertemperatur-schutz

230V

13V

3~ N

etz

Wechselrichter (AC1) Gleichrichter

(SGL1)Eingang (PGL1)

Vorladung

Rel

ayU

_Lin

eC

harg

eU

_ou

t

Eingang

AC

1A

C2

24V

GN

D

Steuerung (ST1)

Spannungs-steller (B1,B2,B3)

13V_2GND_2

En

able

U_r

ef

U_o

ut

+12

V-1

2V

I_O

ut

AC

1A

C2

Se

tR

ese

tO

C-L

atch

I_O

ut

CA

N

RS

232

I2C1I2C2

Lüfter

Temp.-fühler

Pan

el

Versorgung Versorgung

Primärseite Sekundärseite

Resonanzkondensatoren(RC1, RC2)

22 kW Kontaktlose Energieübertragung

Technische Daten:Ausgangsleistung 20 kWAusgangsspannung 200…400 VdcEingangsspannung 3 x 400 VacWirkungsgrad >92% bei 12cm Plattenabstand

Größe der Übertragerplatten 30 cm x 40 cm x 2 cmAbstandsbereich 0…12 cmArbeitsfrequenz 20…45 kHz

Weitere Eigenschaften:•Sehr geringes, durch das Schaltungsprinzip sogar minimalesmagnetisches Streufeld (konform der ICNIRP-Richtlinie, < 6.25 μT)•Robust gegen Fehlpositionierung und Abstandsänderungen imBetrieb•Keine Rückführung sekundärseitiger Meßgrößen fürAusgangsregelung (!)

Primärseitige Leistungselektronik

Sekundärseitige Leistungselektronik

22 kW Kontaktlose Energieübertragung

Wirkungs-grad-messung

Beispielprojekt 4:3 kW Ladegerät

Technische Daten:Ausgangsleistung 3,25 kW maxAusgangsspannung 36 V oder 48 VAusgangsstrom 65 AEingangsspannung 230 V +/-10%Eingangsstrom <= 16 A (PF=0.99)Wirkungsgrad >90%

Weitere Eigenschaften:•max. 68 V / 48 A (50% ED 3min/3min) f. Elektrolytumwälzung•EMV: 55022 Klasse B mit Reserve•Baugruppenkosten: ca.: 0.08 USD/W

3 kW Ladegerät

Leitungsgebundene Störaussendung (I = 65 A)

Störleistung am Ausgang (I = 65A)

Serienbaugruppe des 3KW Ladegerätes

Beispielprojekt 5:15 kW kontaktlose Energie- mit integrierter 10 Mbit/s Datenübertragung

AC

DC

EMV3~ Netz

V

I

fPWM

600V / 0-3kW(15kW für 2s)

Vectobus

VorladungV

VorladungEin /Aus

NetzSchütz

Wechselrichter Gleichrichter

R

TVectobus

24V

Steuerung

Vectobusmodul

DC

DC

Status Vorgaben

DC

DC

T

R

Drehübertrager

Hilfsversorgung

Blockschaltbild der kontaktlosen Schnittstelle

15 kW kontaktlose Energie- mit integrierter 10 Mbit/s Datenübertragung

Technische Daten:Ausgangsleistung 15,6 kW / 2 s, 3 kW dauerAusgangsspannung 440…600 VdcEingangsspannung 3 x 400 VacMax. Eingangsstrom 27 Aac

Datenrate 10 Mbit/sProtokoll Bit-Transparent

Weitere Eigenschaften:• Integrierte 80 V / 1A Hilfsversorgung• Ausgangsspannung in 16 Stufen via Kommunikationspfad

abstimmbar

15 kW kontaktlose Energie- mit integrierter 10 Mbit/s Datenübertragung

Funktionsmuster primäre Leistungselektronik für die 15 kW kontaktlose Energieübertragung

Beispielprojekt 6:10 kW Leistungsteile für Labornetzgeräte

Technische Daten:

>92%Wirkungsgrad187…550 VacEingangsspannung

0…500 A0…10 AAusgangsstrom0…20 Vdc0…1000 VdcAusgangsspannung

10 kWAusgangsleistung

HochstromgerätHochspannungs-gerät

Weitere Eigenschaften:•Realisierungskonzepte sind die Basis für eine Geräteserie, d.h. weitere Geräte können durch Verschaltung der Komponenten einfach abgeleitet werden

•Geräte bestehen aus Halbleitern mit max. 600 V Sperrspannung

10 kW Leistungsteile für Labornetzgeräte

Funktionsmuster Hochstromgerät

Funktionsmuster Hochspannungsgerät

PFCIMS

PFCBoardSlave 1

DC/DCIMS

DC/DCIMSD

C/D

C B

oard

DC/DCIMS

DC/DCIMSD

C/D

C B

oard

DC/DCTrafo

DC/DCTrafo

DC/DCTrafo

DC/DCTrafo

Gleichrichter-

verschienung +Klemmplatine

GleichrichterIMS

Gleichrichter-

verschienung +Klemmplatine

GleichrichterIMS

Kop

ppel

-in

kukt

ivitä

t

+

-

Strom- & Spannungs-regelungPotentialtrennung

MittelpunktsregelungSynchronisationuC-Interface DC/DC

PFCIMS

PFCBoardMaster

PFCIMS

PFCBoardSlave2

uC-Board

Schalter

Rel

ais

ein/

aus

PF

C e

in/a

us

Vor

l adu

ng e

in/a

us, M

essu

ng U

ein

Mes

sung

Uzk

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s ung

Uzk

/2

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sung

Uzk

Mes

sung

Uzk

/2

DC

/DC

ein

DC

/DC

res

et

Vs+

ok

Usy

m o

k

Iübe

r

I1 istI2 ist

Uist

Schweißsteuerung

Uis

t

Iist

Uso

ll

Isol

l

SW1

SW2

C1

C2

Beispielprojekt 7:Leistungsteil für Impulsschweißgerät

Blockschalt-bild Impuls-schweiß-gerät

Leistungsteil für Impulsschweißgerät

Technische Daten:Ausgangsleistung 44 kW max.Ausgangsspannung 5…80 VAusgangsstrom 5…1000 AEingangsspannung 3 x 400 Vac +/- 15%Stromdynamik 1000 A/msWirkungsgrad >92%

Weitere Eigenschaften:• Realisierungskonzept ist die Basis für eine Geräteserie, d.h.

weitere Geräte können durch Verschaltung bzw. Reduzierung der Komponenten abgeleitet werden

• DC/DC-Teil besteht aus Halbleitern mit 600 V Sperrspannung

Leistungsteil für Impulsschweißgerät

Funktionsmuster Leistungsteil Impulsschweißgerät

Beispielprojekt 8:10 kW Weitbereichs-Eingangsstufe

Technische Daten:Ausgangsleistung 10 kWAusgangsspannung 2 x 400 VEingangsspannung 3 x 187…550 VacLeistungsfaktor 0,93Wirkungsgrad >98%

Weitere Eigenschaften:• Nur Halbleiter mit 600 V Sperrspannung erforderlich• Sehr geringe Baugröße• Geringe EMV-Störungen• Innovative digitale 3-Level-Regelung mit Symmetrierung der

Ausgangsspannungen• Zerstörungssicher bis 1200 V (850 Vac)

10 kW Weitbereichs-Eingangsstufe

Funktionsmuster 10 kW Weitbereichs-Eingangsstufe

Beispielprojekt 9:36W Hutschienen-Netzteil

Technische Daten:Ausgangsleistung 36 WAusgangsspannung 24 VEingangsspannung 85…265 VacWirkungsgrad >90%Topologie Active Clamp Flyback

Weitere Eigenschaften:• Sehr kleine Abmaße DIN 43880 Size 1; 85x69x17,5 mm3• EMV: Emission class B (EN 55022)

36W Hutschienen-Netzteil

Seriengerät Unterseite

Seriengerät Oberseite

Beispielprojekt 10:8W CAT IV-Netzteil für BPL-Modem

Technische Daten:Ausgangsleistung 8 WAusgangsspannung 12 V / 3 W und 3,3 V / 5 WEingangsspannung 110…440 VacÜberspannungskategorie IVPrüfspannung 8 kV (Prim-Sek)

Weitere Eigenschaften:• Kein Schutzleiteranschluß (Schutzklasse II)• Sehr geringe Bauhöhe• Sehr geringe EMV-Störpegel (20dB unter Class B (EN 55022))

dBµV70

0

10

20

30

40

50

60

MHz30,00,15 1,0 10,0

55022BQP 55022BAV

Leitungsgebundene Störaussendung

8W CAT IV-Netzteil für BPL-Modem

Prototyp CAT IV-Netzteil

Referenzkundenliste