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Die Auswahl des geeigneten DC/DC-Wandlers hängt von vielen Gesichtspunkten ab.
Für DC/DC-Wandler gilt: Neben den Anschaffungskosten zählen auch die Life Cycle Costs.

Die Spannungswandlerwahl erfolgt zunächst nach Ausgangsleistung, Spannung, Strom, Temperaturbereich, EMV-Verhalten und Baugröße. Im zweiten Schritt zählen Anschaffungskosten, Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit. Daraus resultiert die Wahl des besten Paketes. Da viele Aspekte eine Rolle spielen, ist die Auswahl schwer.

Eine Bahnfahrt die ist …

Im Bahnbereich sind Nennspannungen von 24 bis 110 VDC als Speisespannung inklusive der Toleranzen von ±40 Prozent nach der Bahnnorm EN 50155 spezifiziert. In dem Eingangsspannungsbereich müssen die Wandler ordnungsgemäß über den Temperaturbereich unter Einhaltung der EMV-Vorgaben funktionieren. Einflüsse wie Feuchte, Betauung, Vibration- und Schockbelastungen gelten für die gesamte Brauchbarkeitsdauer, die in Bahnanwendungen zwischen 20 und 30 Jahren liegt. Beträgt die Einsatzdauer 16 Stunden pro Tag, ergeben sich bei 20 Jahren 116.800, bei 25 Jahren 146.000 und bei 30 Jahren 175.200 Betriebsstunden (bei 365 Tagen im Jahr). Die Herstellerangabe zur Gerätezuverlässigkeit MTBF (Mean Time Between Failure) trifft eine statistische Aussage, mit wie vielen Ausfällen innerhalb der Brauchbarkeitsdauer zu rechnen ist. Für einen realistischen Vergleich sind die MTBF-Werte auf eine bestimmte Umgebungstemperatur (TU = +40 °C) bei gleichen Belastungen der Ausgangsleistung zu referenzieren.

Ein praktisches Beispiel

Ausgewählt werden soll ein DC/DC Wandler mit 500 W Ausgangsleistung für 72 V und 110 V Nennspannung. Hersteller A hat einen MTBF von 250.000 Stunden, Hersteller B von 500.000 Stunden bei TU = +40 °C und Nennleistung. Die zu erwartende Ausfallwahrscheinlichkeit lässt sich  errechnen:

  • R = e-λt

Dabei ist R = Reliability, λ = Ausfallrate und  t = Betriebszeit. Weiterhin gilt: λ = 1/MTBF. Daraus folgt:

  • R= e-t/MTBF

Für die Fehlerrate F gilt: F = 1-R. Für eine Betriebsdauer über zehn Jahre ergibt sich somit eine statistisch errechnete Verfügbarkeit: Betriebsdauer: 10 Jahre, 16 Stunden am Tag, an 365 Tagen im Jahr bei einer MTBF von 250.000 Stunden:

  • R = e-10 · 365 · 16 / 250.000 = 0,7916.

Das bedeutet, dass nach zehn Jahren die Wahrscheinlichkeit der Funktion bei knapp 80 Prozent liegt.

Tabelle 1: Bei 500 Geräten: Zahlen für Betriebsstunden und Anzahl möglicher Ausfälle während der Laufzeit (Zahlen sind nach der zweiten Stelle gerundet).

Tabelle 1: Bei 500 Geräten: Zahlen für Betriebsstunden und Anzahl möglicher Ausfälle während der Laufzeit (Zahlen sind nach der zweiten Stelle gerundet).Grau Elektronik

Für 20 Jahre ergibt sich damit folgender Vergleich. Bei Gerätetyp A dürfen 0,38 · 500 = 190 Stück in dieser Zeit ausfallen, bei Gerätetyp B sind es 0,21 · 500 = 105 Stück. Das ist beinahe die Hälfte weniger Ausfälle bei Hersteller B. Neben den Anschaffungskosten, sind auch die Lebenszykluskosten zu beachten. Dazu zählen Gerätestückkosten und die Sekundärkosten wie Fahrzeugausfall und Wartungsaufwand.

Eigenschaftenanalyse

Woher stammen nun die zwei unterschiedliche Werte von 250.000 gegenüber 500.000 Stunden? Zum einen ist es das gewählte Schaltungsdesign, Dimensionierung und Auslastung der Bauelemente. Je höher der Wirkungsgrad des Wandlers, desto niedriger die Verluste und Verlustwärme. Bei Al-Elkos gilt beispielsweise eine Halbierung der zu erwartenden Lebensdauer bei zehn Kelvin höherer Bauelementetemperatur. Daneben sind Spannungs-, Strom- und Umgebungsbedingungen, Verarbeitungsqualität bei der Herstellung als Faktoren, die die Brauchbarkeitszeit reduzieren, zu beachten. Um attraktive Preise zu erzielen, geht der Trend zu Weitbereichswandlern. Mit einem Gerätetyp lassen sich mehrere Systemspannungen abdecken; höhere Stückzahlen sind erreichbar. Damit die Ausfallrate nicht ansteigt, ist wichtig, dass die MTBF nicht absinkt, also der Wirkungsgrad auch bei niedrigeren Spannungen ebenso hoch bleibt. Da Ströme mit kleinerer Spannung ansteigen, ist dies nicht leicht.

  • P = U · I →  I = P / U.

Die Verluste steigen dabei quadratisch mit dem Strom (P = I² · R).

Auf der sicheren Seite

Schwierig ist die richtige Dimensionierung der Sicherung. Die Sicherung soll im Fehlerfall schnell den Stromkreis trennen; sie darf aber nicht zu empfindlich sein, sonst gibt es beim Einschalten der Wandler Probleme. Beim Weitbereichswandler verschärfen sich die Anforderungen.

Tabelle 2: Für einen Wandler, der bei konstantem Wirkungsgrad von 90 Prozent mit PA=500 W operiert, ergeben sich verschiedene Maximalströme.

Tabelle 2: Für einen Wandler, der bei konstantem Wirkungsgrad von 90 Prozent mit PA=500 W operiert, ergeben sich verschiedene Maximalströme.Grau Elektronik

Für einen Wandler, unter der Annahme bei einem konstanten Wirkungsgrad von 90 Prozent mit PA = 500 W, ergeben sich die angegebenen Maximalströme (Tabelle 2).

Um Halbleiter zuverlässig zu schützen, sind flinke Sicherungen zu empfehlen. Damit sie nicht versehentlich ansprechen, ist ein Mindestbemessungswert 50 Prozent über dem Maxstromwert anzusetzen. Im Fall 1 (Nennspannung UE = 110 V ±40 %) ergibt sich: 1,5 · 8,41 A = 12,6 A. Bei einem möglichen Fehlerstrom von 125 A (I / Irat = 10) würde die 12,5-A-Sicherung schnellstens nach zirka 1 ms, längstens erst nach 40 – 50 ms trennen. Bei einem Fehlerstrom von 25 A (Faktor 2) dauert die Trennung mindesten 300 ms, längstens 1000 Sekunden. Folge: thermische Überhitzungen von Leiterbahnen oder Bauteilen, was zu Entzündungen oder Lichtbogenbildungen führen kann. Beim Weitbereichswandler ist die Spannweite weitaus größer. 1,5 · 12,86 A = 19,29 A. Es braucht hier eine 20-A-Sicherung; diese benötigt bei kleinen Fehlerströmen länger zum Auslösen. In diesem Stadium ist das Wissen von Schaltungsentwicklern und Sicherungsherstellern gefragt, um durch Legierungen die erforderliche Auslösecharakteristik zu erzielen.

Um ein zuverlässiges System zu bekommen, reicht es nicht Wandler von der Stange zu verwenden. Grau Elektronik berät Kunden, um unliebsame Überraschungen und Systemstörungen  zu reduzieren. Ein etwas teurer Anschaffungspreis ist oft die preiswertere Variante.