DC/DC-Wandlung in Militärfahrzeugen: Hohe Effizienz

Die Elektronik in Fahrzeugen hat so stark zugenommen, dass ein Auto aktuell mit einem drahtlos vernetzten Datenzentrum auf Rädern verglichen wird. Militärfahrzeuge folgen dem Trend zur Fahrzeugelektronik (Vetronics), allerdings mit einem anderen Schwerpunkt: Wie bei Autos sind Motorsteuerung, Anzeigen und Navigation nötig, aber es gibt zusätzliche Anforderungen für Kommunikation, Waffenkontrolle, Sensorik und Datenerfassung, wobei digitale drahtlose Netzwerke mit anderen Fahrzeugen und festen Systemen verbunden sind. Auch KI spielt eine immer größere Rolle bei der Situationsanalyse und dem autonomen Betrieb, damit die Effizienz der Missionen möglichst groß und das Risiko für das Personal möglichst gering wird. Wie bei Personenkraftwagen sind auch bei Militärfahrzeugen hohe Zuverlässigkeit, geringes Gewicht und niedrige Kosten wichtige Faktoren.

Treiber des Vetronics-Marktes sind die bedauerliche Zunahme globaler Konflikte in jüngster Zeit sowie Programme zur Modernisierung und Aufrüstung von Fahrzeugen, um mit konkurrierenden Streitkräften mithalten zu können und die zunehmenden Möglichkeiten elektronischer Systeme zu nutzen. Die Analysten von Allied Market Research gehen davon aus, dass der Wert des globalen Vetronics-Marktes bis 2030 auf 6,5 Mrd. USD ansteigen wird, gegenüber 4,2 Mrd. USD im Jahr 2020 – ein CAGR von 4,67 Prozent.

Welche Herausforderungen stellt die Fahrzeugelektronik?

Die Umstellung auf elektrische Antriebe bei Militärfahrzeugen wird in Erwägung gezogen, allerdings in der Regel nur in Form von Hybridantrieben, während Dieselmotoren nach wie vor eine praktische Option darstellen.

Neue Militärfahrzeuge zu entwickeln nimmt stets viel Zeit in Anspruch und erfordert umfangreiche Tests und Qualifizierungsmaßnahmen, so dass oft bereits bestehende Plattformen parallel dazu aufgerüstet werden. Infolgedessen müssen neue elektronische Systeme in der Regel mit der vorhandenen zugehörigen Ausrüstung und dem bestehenden bordeigenen Stromversorgungs- und Verteilungsnetz kompatibel sein. Gleichzeitig sollen die Kosten möglichst gering bleiben, indem anstelle von Sonderanfertigungen kommerzielle Standardprodukte verwendet werden, die den Standardspezifikationen entsprechen, um die Interoperabilität und Austauschbarkeit zwischen verschiedenen Fahrzeugplattformen zu gewährleisten.

Warum sind Standards wie MIL-STD 1275 wichtig?

Die nominale Batterieversorgung in Militärfahrzeugen beträgt in der Regel 12 V_DC oder 24/28 V_DC, und die beiden wichtigsten Normen sind die britische DEF-STAN 61-5, Ausgabe 7 vom März 2020, und die kürzere amerikanische MIL- STD 1275, Revision F vom September 2022. Die britische Norm deckt 12-V- und 24-V-Systeme ab, während die US- Version nur 28-V-Systeme umfasst. Die Normen beschreiben die zu erwartenden Schwankungen in der Stromversorgung, einschließlich der Nennbereiche, Spitzen, Überspannungen und Einbrüche. Alle angeschlossenen Geräte müssen diese ohne Schaden überstehen, obwohl in einigen Fällen die Funktionalität vorübergehend verloren gehen kann, z. B. in DEF-STAN 61-5 bei Einbrüchen durch das Anlassen des Motors. Vorgeschrieben ist auch die Unempfindlichkeit gegenüber überlagerter Restwelligkeit und verpolten Verbindungen.

Betriebsversorgungsspannungsgrenzen

MIL-STD 1275/F definiert einen Betriebsbereich für die 28-V_DC-Versorgung mit Grenzwerten von 20 V und 33 V und mit Einbrüchen auf 16 V nach einem anfänglichen „Einschalt“-Einbruch auf 12 V. Die Pegel und das Timing sind in Bild 1 dargestellt.

Bild 2 zeigt ein entsprechendes Diagramm für DEF-STAN 61-5, mit einem normalen Betriebsbereich für 12 V nominal von 9-19 V bzw. 18-36 V für 12-V-Systeme. An anderer Stelle in der Norm wird dies verwirrenderweise als 19-36 V angegeben. In der Norm werden die Höchst- und Mindestspannungen für 5 Minuten angegeben, aber in der Praxis muss jedes angeschlossene Gerät diesen Spannungen kontinuierlich standhalten.

Die Endgeräte in den Fahrzeugen benötigen eine geregelte Versorgung, in der Regel mit einer niedrigeren Spannung, die frei von Störungen ist, so dass DC/DC-Wandler mit großen Eingangsbereichen und festen Ausgängen verwendet werden. Um die US-Norm zu erfüllen, sollten die Wandler auch normal und ohne Beeinträchtigung bis zu 12 V für eine 28-V-Versorgung während des Einschaltens beim Anlassen arbeiten. Für die britische Norm sollte der Wert 18 V mit einem gewissen Spielraum für eine 24-V-Versorgung und 9 V für eine 12-V-Versorgung betragen. Um beide Standards abzudecken, wäre ein DC/DC-Wandler mit einem kontinuierlichen Eingangsbereich von 9 bis 36 V geeignet. Teile wie der DC/DC-Wandler MGDM-500 von Gaia Converter sind hier geeignet und würden mit ihrer Fähigkeit bis auf 8,5 V herunter zu arbeiten, auch während der DEF- STAN 61-5 Startphase ohne Unterbrechung funktionieren, wobei sogar der 50 ms lange 8-V-Pegel durch die Designmarge abgedeckt ist, wenn auch nicht garantiert. Allerdings wird bei der britischen Norm ein Funktionsverlust während der Startphase erwartet. Das isolierte MGDM-500 hat eine Nennleistung von 500 W bei festen 12, 15, 24, 28 oder 48 V_DC. Es sind auch Versionen mit geringerer Leistung ab 4 W erhältlich.

Hochspannungsstöße und Transienten

Gemäß MIL-STD 1275/F ist die Immunität von Geräten gegen kurze Spikes mit Spitzenwerten bis zu +/-250 V für maximal 70 µs erforderlich, die linear auf Werte zwischen +100V und +18V für 1ms abfallen. Die maximale Energie eines einzelnen Spikes beträgt 125 mJ (Bild 3).

Es können auch energiereiche Überspannungen bis zu +100 V für 50 ms auftreten, die linear auf >33 V für 500 ms abfallen, während Einbrüche bis zu 18 V für 500 ms andauern können und auf <20 V für 600 ms abfallen (Bild 4).

Nach der Norm kann die Brummspannung auch bei +/-4 V Spitze-Spitze zwischen 30 Hz und 5 kHz liegen.

Die Norm DEF-STAN 61-5 Teil 6 definiert kurze, sich wiederholende Transienten von +100/-150 V für 1-2V-Systeme und

+200/-200V für 24-V-Systeme. Diese dauern 100 ns und wiederholen sich alle 100 µs in Stößen von 10 ms mit Lücken von 90 ms. Die genauen Wellenformen sind in der Norm beschrieben. Lange Transienten können nach der britischen Norm bei 12-V-Systemen bis zu +20 V und bei 24-V-Systemen bis zu +40 V betragen und 50 ms andauern.

Eine besonders strenge Anforderung ist die Widerstandsfähigkeit gegen Lastspitzen, hohe Energiestöße, die beim plötzlichen Abschalten von Hochstromlasten entstehen. In der britischen Norm werden zwei Situationen betrachtet: eine Plattform ohne Kontrolle von Lastabfällen und eine mit einem zentralisierten System zur Unterdrückung von Lastabfällen. Im schlimmsten Fall werden angeschlossene Geräte in einem 24-V-System für 400/350 ms mit 202 V_DC (101 V_DC in 12-V-Systemen) belastet, und das bei einer Quellenimpedanz von 8/4 Ω. Die Norm erlaubt jedoch, dass Geräte ihre Funktion verlieren, solange sie nicht beschädigt sind und nach dem Ereignis wiederhergestellt werden können, gegebenenfalls durch manuelle Eingriffe.

Angeschlossene Geräte dürfen durch einen verkehrten Netzanschluss nicht beschädigt werden und dürfen in umgekehrter Richtung nicht mehr Strom aufnehmen als der „normale“ Wert, wenn sie mit der richtigen Polarität angeschlossen sind.

Welche Rolle spielt die EMV in Militärfahrzeugen?

Für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) in den USA gilt MIL-STD 461, derzeit in der Revision G. In der Norm sind Emissions- und Empfindlichkeitsgrenzen für verschiedene Anwendungen definiert. In der Kategorie „Boden, Armee“ wäre zum Beispiel Folgendes relevant:

• CE 102: Conducted emissions - 10 kHz to 10 MHz
• CS 101: Susceptibility - 30Hz to 150 kHz
• CS 114: Susceptibility – 10kHz to 400 MHz
• CS 115: Susceptibility – broadband impulses
• CS 116: Susceptibility – damped sinusoidal transients

DEF-STAN 61-5 legt fest, dass die Geräte DEF-STAN 59-411 Teil 1, 3 und 4, Betriebsklasse A, entsprechen müssen, sofern nicht anders vereinbart.

Von Gleichspannungswandlern, die an die Fahrzeugversorgung angeschlossen sind, kann nicht erwartet werden, dass sie gegen die angegebenen Spitzen und Überspannungen immun sind, so dass ihnen normalerweise ein Filter und ein Conditioner vorgeschaltet werden, der mehrere nachgeschaltete Module speisen könnte. Ein L-C-EMV- Filter würde die Einhaltung der Hochfrequenz-Emissions- und Störfestigkeitsnormen ermöglichen und für die Schwankungen der Nennwerte und Überspannungen transparent sein, während er die Spitzen bis zu einem gewissen Grad unterdrückt. Ein Beispiel hierfür ist das FGDS-35A-50V, das mit 35 A in einem Board- Mount-Gehäuse (41 × 27 × 16,7 mm³) ausgelegt ist. Ein Conditioner kann dann Transienten und Überspannungen für die nachfolgenden Wandler auf ein sicheres Niveau abfangen oder sogar die Versorgungsschiene für die Dauer von energiereichen Ereignissen, die praktisch nicht abgefangen werden können, abschalten. Der Conditioner enthält in der Regel auch verlustarme Serienschalter, die einen Verpolungsschutz darstellen.

Ein Beispiel für ein für diese Anwendung geeignetes Conditioner-Modul ist das LGDS-600P. Das für eine Ausgangsleistung von 600 W ausgelegte Modul für die Leiterplattenmontage ist nur 40,7 × 48,5 × 12,7 mm³ groß und klemmt alle angegebenen Spannungsspitzen und Überspannungen bis zu einem Maximum von 38 V an seinem Ausgang ab, was innerhalb der Überspannungsfestigkeit der folgenden DC/DC-Wandler von Gaia liegt. Spannungen bis zu 202 V_DC werden abgefangen, während höhere Pegel dazu führen, dass der Wandler die Verbindung vorübergehend unterbricht und sich automatisch wieder einschaltet, wenn der Pegel gesunken ist. Kleine Kondensatoren am Ausgang des Aufbereiters liefern für die Dauer der Unterbrechung Ride-Through-Energie. Das Modul verfügt über zusätzliche Funktionen wie die Möglichkeit, nachgeschaltete Wandler mit einem einzigen Takt zu synchronisieren, wobei zwei Antiphasen zur Verfügung stehen, um den Eingangsrestwelligkeitsstrom und die EMI- Signatur zu minimieren. Bei niedrigen Eingangsspannungen wird eine Unterspannungsabschaltung aktiviert, wobei ein Warnsignal zur Verfügung steht, um den Ausgang bei Bedarf auf eine Backup-Quelle umzuschalten.

Beispiel für DC-DC-Verteilungssystem

Bild 5 zeigt ein Beispielsystem, das MIL-STD 1275/F und MIL-STD 461 erfüllt. Das MGDM-500 ist ein Gerät mit einem Ausgang, kann aber durch mehrere niedrigere Leistungsmodule der gleichen MGDM-Serie ersetzt werden, um eine Reihe von gegenseitig isolierten Gleichstrompegeln beider Polaritäten bereitzustellen. Die Leistungsgrenze wird durch die 35-A-Nennleistung der EMI-Filter und die 600-W-Höchstleistung des Bus-Conditioners festgelegt.

Die physische Umgebung

Elektronische Geräte in Militärfahrzeugen müssen in einer schwierigen Umgebung mit großen Temperaturschwankungen, starken Stößen und Vibrationen, wenig oder gar keinem Luftstrom sowie Feuchtigkeit und Schadstoffen arbeiten. DC/DC-Wandler, die für diese Anwendung geeignet sind, sollten daher robust sein und gleichzeitig eine hohe MTBF haben. Der MGDM-500 ist ein gutes Beispiel für ein geeignetes Bauteil. Das Bauteil im Half-Brick-Format ist zum physischen Schutz gekapselt und kann zur Kühlung an der Außenwand montiert werden. Das Bauteil erfüllt MIL-STD 810G für Schock-, Vibrations-, Stoß-, Höhen-, Feuchtigkeits- und Salzatmosphärentests und MIL-STD-202G für Temperaturschock und -wechsel sowie Feuchtigkeitsbeständigkeit. Die MTBF beträgt über 1,7 Millionen Stunden bei 40°C gemäß MIL-HDBK 217F. Das MGDM-500 arbeitet bei einer Gehäusetemperatur von -40 °C bis 105 °C und ist vollständig gegen Überlast, Übertemperatur und Kurzschluss geschützt. Die Isolierung beträgt 1500 V_DC.

Fazit

Effektivität und Überlebensfähigkeit von Militärfahrzeugen sind Attribute, die stark von der eingebauten Vetronics abhängen. DC/DC-Wandler, die die zugehörigen Stromschienen des Fahrzeugs erzeugen, müssen effizient, flexibel, skalierbar und zuverlässig sein, um dem zunehmenden Einsatz offener Designarchitekturen und COTS-Produkte gerecht zu werden und gleichzeitig den militärischen Standards zu entsprechen. Hersteller wie Gaia Converter bieten eine Komplettlösung mit einer breiten Palette an konformen DC/DC-Modulen, passenden EMI-Filtern und Bus Conditionern. (bs)