RBBA3000-Serie: 3kW und kleiner als eine Schokoladentafel

23.04.2021

RECOM RBBA3000-Serie auf blauem Hintergrund

Der RBBA3000 von RECOM kann 3kW in einem Half-Brick-Gehäuse. Die Buck-Boost-Topologie hat einen Eingangsspannungsbereich ist 9V bis 60V bei einem Strom von bis zu 50A. Er ist für moderne Kfz.-Bordnetze eine Schlüssellösung, wenn beispielsweise neben dem 12V-Netz noch ein zweites Bordnetz existiert. Er findet aber genauso Ver-wendung in batteriegespeisten Geräten oder Anlagen wie etwa in UPS (uninterruptable power supplies). Ein Roboter kann bei Netzausfall aus einer 48V-Batterie versorgt wer-den bis er den laufenden Arbeitsschritt beendet und eine sichere Position angefahren hat.

Inhaltsverzeichnis

Schaltregler kann aufwärts und abwärts wandeln
Einstellen der Ausgangsspannung
Strombegrenzung
Strommessung
Parallelschaltung
EMV
Anwendungen
Eckdaten des RBBA3000

Schaltregler kann aufwärts und abwärts wandeln

Mit den Abmessungen 63,2mm x 60,6mm x 13,0mm hat der Wandler ein Volumen von 50cm³. Dass der Wandler in einem so kleinen Gehäuse überhaupt betrieben werden kann, setzt einen hohen Wirkungsgrad voraus. Es werden 96% erreicht, wobei die Wirkungsgrad-kurve über der Leistung sehr flach verläuft.

Abb. 1: Wirkungsgrad in Abhängigkeit des Ausgangsstroms

Damit hat der Wandler auch bei kleiner Last einen hervorragenden Wirkungsgrad. Trotzdem muss bei der hohen Leistungsdichte Wärme abgeführt werden. Die Kühlung erfolgt mittels Wärmeleitung über die löt- oder schraubbare Grundplatte an der Unterseite des Half Brick Gehäuses. Der Wandler arbeitet bis 85°C Umgebungstemperatur mit voller Leistung. Erst darüber setzt das Derating ein. Bei 25°C und 80% Last wurde die MTBF nach Telcordia SR332 auf Stunden berechnet.

Einstellen der Ausgangsspannung

Beim RBBA3000 kann die gewünschte Ausgangsspannung U_a mit einem Widerstand Rtrim eingestellt werden, der sich folgendermaßen berechnen lässt:

Formel für minimalen Widerstand mit Spannung und Widerständen

Umgekehrt erhält man die Ausgangsspannung aus einem bereits dimensioniertem R_trim zu:

Spannungsgleichung mit Widerständen und Abfall

Die Ausgangsspannung kann aber auch mit einer Spannung eingestellt werden, die an dem Trim-Pin angelegt wird. Sie berechnet sich zu:

Wenn wir die Spannung U_trim ändern, wird die Ausgangsspannung des RBBA3000 gemäß Abbildung 2 nachgeführt. So könnten wir etwa mit einem Mikrokontroller und einem DA-Wandler die Ausgangsspannung von 0V bis 60V steuern und regeln und das bis zu einem Ausgangsstrom von 50A. Die Kennlinien für beide Steuergrößen sind in dargestellt.

Diagramme der Utrim- und Rtrim-Funktionen

Abb. 2: Einstellen der Ausgangsspannung

Strombegrenzung

Mit einem zweiten Widerstand kann der maximale Ausgangsstrom zur Strombegrenzung eingestellt werden. Er wird am Iset-Pin angeschlossen und berechnet sich zu:

Gleichung für Widerstand mit maximalem Strom

Der maximale Ausgangsstrom kann ebenfalls mit einer Spannung UItrim vorgegeben werden, die an den Iset-Pin angelegt wird. Sie berechnet sich wie folgt und kann wie bei der Spannungseinstellung veränderlich sein:

Berechnung des quadratischen Mittelwerts der Spannung

Strommessung

Die Strommessung, die bei jeder leistungselektronischen Schaltung immer wieder zu Prob-lemen führt, ist beim RBBA schon fertig eingebaut. Die am Ishare-Pin anstehende Spannung liefert das Stromsignal gemäß folgender Kurve:

Lineare Beziehung zwischen Strom und Spannung

Abb. 3: Stromsignal in Abhängigkeit vom fließenden Strom.

Parallelschaltung

Wenn die Anwendung mehr als 50A erfordert, können 2 RBBA3000-50 parallelgeschaltet werden. Dazu werden beide Ishare-Pins verbunden, was zu einer gleichmäßigen Stromvertei-lung auf die beiden Wandler führt. Dazu müssen natürlich beide Wandler die gleichen Bedin-gungen sehen wie gleiche Eingangsspannung, gleiche Ausgangsspannung, Sense-Pins verbun-den etc. siehe hierzu auch den RECOM Application Guide.

EMV

Die genaue Dimensionierung der Eingangs- und Ausgangsfilter hängt von der Anwendung ab und kann hier nur für den Worst Case angegeben werden. Um die Normen für die leitungsgebundenen und die abgestrahlten Störungen einzuhalten, wird für den RBBA 3000 die Filterung in Abbildung 4 empfohlen:

Elektrisches Schaltbild mit Komponenten — Abb. 4: EMV-Filter am Eingang und Ausgang

C1: 470μF/100V, Elko

C2: 10μF/100V, Kerko

C3: 10μF/100V, Kerko

C4: 10μF/100V, Kerko

Gegentaktdrossel L1: 10μH/56,7A, z.B.: Würth Elektronik 7443763540100

Gleichtaktdrossel LCM: 1,4mH/50A, Schurter Inc. DKIH-3252-506J-NK

Das erreichte Spektrum der leitungsgebundenen Störungen ist in Abbildung 5 angegeben:

Zur Veranschaulichung seien die Volumina von Wandler und EMV-Filter verglichen: Der RBBA3000 benötigt 50cm³, die Gegentaktdrossel 52cm³ und die Gleichtaktdrossel 87cm³. Je nach Anwendung sind natürlich nicht alle Filterelemente notwendig.

Anwendungen

Eingangs haben wir schon Anwendungen für den RBBA3000 angedeutet. Hier nun eine An-wendung, wo aus einer variablen Eingangsspannung (20V bis 60V) eine geregelte Ausgangs-spannung von 12V erzeugt werden soll:

Elektrisches Schaltbild mit beschrifteten Komponenten

Abb. 6: 12V-Erzeugung aus einer variablen Eingangsspannung

Für eine andere Ausgangsspannung muss lediglich der 36kΩ-Widerstand angepasst werden. Siehe hierzu Abbildung 2.

Eckdaten des RBBA3000

Eingangsspannung. 9V bis 60V (80V kurzzeitig)
Ausgangsspannung: Einstellbar von 0V bis 60V
Strom, eingangsseitig und ausgangsseitig: 50Amax, Strombegrenzung/-regelung einstellbar
Wirkungsgrad: 96%, siehe Abbildung 1
Verlustleistung: 47W@Ue = 48V, Ua = 24V, Ia = 50A
Gehäuse: Half Brick, Abmessungen 63,2mm x 60,6mm x 13,0mm, Volumen = 50cm³

Kühlung: Wärmeleitung über Grundplatte, löt- oder schraubbar
Zuverlässigkeit: MTBF nach Telcordia SR332 berechnet auf Stunden
Aufwändige Umweltprüfungen: RECOM-Quellen
Temperaturbereich (mit Kühlung): -40°C bis +85°C
Potentialtrennung: Ausgangsseitige und eingangsseitige Masse sind verbunden
RECOM-Quellen: Datenblatt, Application Notes, Normen.