Ausgangssituation
Ein Unternehmen aus dem Bereich der erneuerbaren Energien wandte sich mit einer anspruchsvollen Engineering-Aufgabe an TPS Elektronik. Ziel war die Modernisierung einer Stromumrichtereinheit, deren ursprüngliche Entwicklung mehr als zehn Jahre zurücklag. Das bestehende Design wies Defizite in Wirkungsgrad, thermischem Verhalten und Betriebsstabilität auf – insbesondere bei schwankenden Eingangsspannungen.
Im Fokus stand die Entwicklung eines Buck-Boost-Wandler-Designs, das sowohl im Lade- als auch im Entladebetrieb stabil arbeitet. Der Kunde bat um Unterstützung im Schaltungsentwurf von Buck-Boost-Wandlern, einschließlich Auslegungsberechnungen sowie der Überprüfung relevanter Auslegungsformeln zur Optimierung des Energieflusses.
Darüber hinaus erforderte das Netzteilkonzept eine Überarbeitung der Schalt- und Schutzfunktionen. Die vorhandene Lösung basierte auf hartgeschalteten Netzteilen, was zu erhöhter thermischer Belastung, Schaltgeräuschen und eingeschränkter Lebensdauer führte. Zudem zeigte das Ein- und Ausschaltverhalten unter transienten Lasten ein uneinheitliches Betriebsverhalten.
Neben der Leistungswandlung benötigte das Gesamtsystem ein zuverlässiges Leitungsschutzkonzept. Der Kunde suchte Unterstützung bei der Auslegung von Leitungsschutzschaltern, einschließlich kompakter Mini-Leitungsschutzschalter für platzbegrenzte Installationen. Da das System teilweise softwaregesteuert war, umfasste das Projekt außerdem die Implementierung des Circuit-Breaker-Entwurfsmusters in einer Microservices-Architektur zur Verbesserung der Fehlertoleranz in der Steuerungssoftware.
Ergänzend sollte ein analog integrierter 2-D-Optical-Flow-Sensor zur Überwachung des Luftstroms und des thermischen Verhaltens im Wandlergehäuse integriert werden.
Die TPS-Lösung
TPS Elektronik realisierte eine ganzheitliche Engineering-Lösung – von der Konzeptphase über Simulation und Hardwareentwicklung bis hin zur Systemvalidierung.
Wandlerentwurf und Simulation
- Entwicklung eines Buck-Boost-Wandler-Designs auf Basis detaillierter Modellierung und Simulation
- Anwendung und Verifikation etablierter Auslegungsformeln für Spannungs- und Stromregelung
- Durchführung von Auslegungsberechnungen zur Unterstützung der Bauteilauswahl, des Thermomanagements und der Festlegung der Schaltfrequenz
- Technische Begleitung des Kunden entlang des Entwicklungsprozesses – von der Konzeptdefinition bis zur normgerechten Auslegung
- Umsetzung eines DC-DC-Buck-Boost-Wandler-Designs mit hohem Wirkungsgrad unter definierten Betriebsbedingungen
PCB-Design und Integration
- Entwicklung eines vollständigen PCB-Designs für den Buck-Boost-Wandler mit optimierter Leiterführung und EMV-gerechtem Layout
- Strukturierte Trennung und gezielte Integration analoger und digitaler Funktionsbereiche zur Sicherstellung der Signalintegrität
- Integration des analog integrierten 2-D-Optical-Flow-Sensors zur kontinuierlichen Überwachung des internen Luftstroms
Netzteil- und Schaltoptimierung
- Ablösung der bestehenden hartgeschalteten Netzteile durch eine moderne Schaltungstopologie
- Optimierung des Einschaltverhaltens durch angepasste Gate-Ansteuerung und Soft-Start-Funktionen
- Auslegung eines robusten Ein-/Aus-Schaltkonzepts mit verbessertem thermischem Verhalten und Schutz der Leistungskomponenten
Leitungsschutzkonzept
- Entwicklung eines elektronischen Leitungsschutzkonzepts zur automatischen Trennung bei Überlast oder Fehlerzuständen
- Konstruktion eines kompakten Mini-Leitungsschutzschalters für die Integration im Wandlergehäuse
- Implementierung des Circuit-Breaker-Entwurfsmusters in der Steuerungssoftware und Microservices-Architektur zur Reduktion von Kaskadenausfällen
Tests und Validierung
- Durchführung funktionaler und thermischer Tests unter definierten Last- und Betriebsbedingungen
- Überprüfung des Systemverhaltens bei dynamischen Lastwechseln und simulierten Fehlerfällen
- Validierung der Einhaltung relevanter EMV- und Sicherheitsanforderungen auf Systemebene
Ergebnisse
Die Zusammenarbeit lieferte herausragende Resultate:
- Verbesserter Wirkungsgrad: Das Buck-Boost-Wandler-Design erreichte unter definierten Bedingungen einen Wirkungsgrad von bis zu 95 %
- Optimiertes thermisches Verhalten: Das angepasste Layout und PCB-Design führten zu einer Reduktion der Betriebstemperatur um etwa 20 %
- Erhöhte Betriebssicherheit: Das überarbeitete Schaltkonzept reduzierte die Belastung der Komponenten bei transienten Ereignissen
- Platzsparender Schutz: Das Mini-Leitungsschutzkonzept ermöglichte effektiven Schutz bei begrenztem Bauraum
- Verbesserte Software-Stabilität: Das Circuit-Breaker-Entwurfsmuster erhöhte die Robustheit der softwarebasierten Steuerung
- Betriebsüberwachung: Die Integration des Optical-Flow-Sensors unterstützte die Analyse des Luftstroms und des thermischen Systemverhaltens
Fazit
Diese Fallstudie zeigt die Engineering-Kompetenz von TPS Elektronik in der Entwicklung von Buck-Boost-Wandlern und Leitungsschutzkonzepten für Anwendungen im Bereich erneuerbare Energien. Durch die Kombination aus Schaltungsentwurf, Auslegungsberechnungen, PCB-Layout und softwarebasierten Schutzmechanismen wurde ein bestehendes Stromumwandlungssystem gezielt modernisiert.
Das Projekt umfasste sowohl hardware- als auch softwareseitige Aspekte – von der Optimierung des Schaltverhaltens im Netzteil bis zur Anwendung des Circuit-Breaker-Entwurfsmusters in verteilten Steuerungssystemen.
Mit Erfahrung im DC-DC-Buck-Boost-Wandler-Design, im Leitungsschutz sowie in der Integration von Sensortechnologien unterstützt TPS Elektronik Kunden bei der Entwicklung zuverlässiger und effizienter leistungselektronischer Systeme für industrielle Anwendungen.
