Freight Transportation

(Bild: Recom)

DC/DC-Wandler für elektronische Systeme gibt es in nahezu allen denkbaren Anwendungen: Verbraucherelektronik, IT, Industrie, Transportwesen und mehr. Meistens sind sie in Systeme eingebettet und von der Außenwelt mit ihrer unvorhersehbaren Stromversorgung und den variablen Umgebungsbedingungen gut abgeschirmt.

Im Transportwesen ist das jedoch anders. Häufig speisen Systembatterien die DC/DC-Wandler, allerdings versorgen sie oft auch noch andere Lasten. Dabei können Spannungsspitzen, Stromstöße und Ausfälle auftreten. Die physische Umgebung im Transportwesen kann mit Kondensation, Stößen, Schwingungen und raschen Temperaturwechseln zwischen extremen Werten ebenfalls rau sein. Von Natur aus bewegt sich das Transportwesen auch zwischen unterschiedlichen bestrahlten EMV-Bedingungen mit Emissionen von mitunter hoher Leistung von anderen Fahrzeugen sowie Radio-, Fernseh- und Mobilfunkmasten. Modulare DC/DC-Wandler sind Standardartikel geworden. Selbst die preiswertesten Teile weisen hohe Leistung mit Sicherheitszertifizierungen auf. Doch erfüllen sie die Anforderungen des Transportwesens? Eine Untersuchung der Leistungsstandards in diesem Marktsegment zeigt, dass im Allgemeinen Sonderausführungen erforderlich sind.

Transportanwendungen können abweichende Nennspannungen haben

Eckdaten

Transportanwendungen erfordern spezielle DC/DC-Wandler mit einem weiten Bereich an Eingangsspannungen und Immunität gegenüber rauen Umgebungsbedingungen und EMV-Störungen, weshalb kommerzielle oder übliche Standardbauteile in Industriequalität kaum eine zuverlässige Lösung sein können. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die besonderen Anforderungen in Schienenfahrzeugen, Automobilen und Industriefahrzeugen und stellt einige serienmäßige modulare Lösungen vor, welche die geforderten Spezifikationen erfüllen.

Schienenfahrzeuge gelten mit Nennspannungen, die zwischen 24 und 110 VDC variieren können, als anspruchsvollste Anwendungen für DC/DC-Wandler. Gemäß EN 50155-2017 „Anwendungen in Schienenfahrzeugen – Elektronische Ausrüstung auf rollendem Material“ können die Nennspannungen zwischen -30 und +25 Prozent variieren und Absenkungen auf bis zu 60 Prozent des Nennwertes sind möglich, während Überspannungen bis zu 140 Prozent erreichen können. Bild 1 gibt eine Übersicht der möglichen Spannungsbereiche. Dem Standard zufolge sollten Überspannungen und Spannungsabfälle von den angegebenen Werten über eine Dauer von 100 ms keine Abweichung der Funktion verursachen, obwohl für Überspannungen mit einer Dauer von bis zu einer Sekunde eine gewisse Leistungsminderung zulässig ist. Für Stromwandler ist es kaum abzuschätzen, welche Abweichung für nachgelagerte Ausrüstung akzeptabel ist, sodass ein DC/DC-Wandler bei der höchsten Überspannung von 140 Prozent praktisch dauerhaft normal funktionieren muss.

Bild 1 zeigt auch die standardmäßigen 4:1-Eingangsspannungsbereiche der DC/DC-Wandler und verdeutlicht, dass einige Bauteile höchstens für einen Teil der Anforderungen bei Schienenfahrzeugen geeignet sind. Ein idealer Wandler für alle Variationen müsste jedoch, wie gezeigt, einen Eingangsspannungsbereich von 10:1 oder besser haben.

Einige Schienenfahrzeuganwendungen erfordern noch immer die Einhaltung von RIA 12, einem alten Standard, der die Immunität gegenüber Überspannungen bis zum 3,5-fachen des Nennwertes für eine Dauer von 20 ms enthält. Bei Systemen mit 110 V bedeutet das einen Spitzenwert von 385 V und ist von einem DC/DC-Eingangsbereich praktisch sehr schwer zu erfüllen oder mit einem Überspannungsbegrenzer zu absorbieren. Die Quellimpedanz beträgt nur 0,2 Ohm. Wenn dies bei beispielsweise 160 V geklemmt wäre, wäre die in einem Überspannungsbegrenzer abzuleitende Spitzenenergie eine nicht handhabbare Größe von 180 kW. Es wurden verschiedene Methoden für den Umgang mit der Überspannung ausgearbeitet. Ein effizienter und von Recom empfohlener Weg ist es, die Versorgung mit einem Reihen-MOSFET vorzuregeln und einen zeitgesteuerten Ausschalter zu ergänzen, sodass die Ableitung im MOSFET dessen Einstufung nicht überschreiten kann, falls die Überspannung weiterhin besteht. Diese Lösung ist als vorgefertigtes Überspannungs-Begrenzermodul für bis zu 300 W kontinuierliche Last erhältlich oder kann mit diskreten Bauelementen eingefügt werden.

Bild 1: Bereich der Versorgungsspannungen für unterschiedliche Nennwerte gemäß EN 50155-2017 für Schienenverkehrsanwendungen

Bild 1: Bereich der Versorgungsspannungen für unterschiedliche Nennwerte gemäß EN 50155-2017 für Schienenverkehrsanwendungen Recom

DC/DC-Wandler für Schienenfahrzeuge müssen häufig auch schnelle transiente Überspannungen vertragen, wie sie in der Reihe der Standards EN 61000-4-x definiert sind. Sie sind relativ energiearm, sodass einfache LC-Filter und Transienten-Unterdrücker ausreichend sind. Im Standard EN 50155 sind auch vollständige Unterbrechungen der Stromversorgung mit den drei Klassen S1, S2 und S3 vorgesehen, wobei der schlimmste Fall ein Ausfall der Nenneingangsspannung über 20 ms ist, bei dem keine Leistungsminderung erlaubt ist. Das erfordert für den DC/DC-Wandler normalerweise einen externen Überbrückungskondensator.

Ausrüstung für Schienenfahrzeuge unterliegt auch stärkeren Stößen und Schwingungen als für die meisten anderen Anwendungen typisch ist. Der Standard EN 61373 definiert die Größen für verschiedene Bereiche von Kategorie 3 (achsenmontiert) bis Kategorie 1 (am Fahrzeug montiert). In allen derartigen Fällen erfordert die Konstruktion des Wandlers eine Erhöhung der Widerstandsfähigkeit mit konformer Beschichtung offener Leiterplatten und häufig eine Verkapselung zur Minimierung mechanischer Beanspruchung und zum Schutz vor Feuchtigkeit.

Die Produktpalette der DC/DC-Wandler von Recom und der neu übernommenen Firma Power Control Systems erfüllt viele Anforderungen für Schienenfahrzeuge mit den EN 50155-zertifizierten Produkten von den SMD- und DIP-24-Bauteilen mit einer Nennleistung von 8 W bis hin zu den 240-W-Brick-Typen mit extragroßem 12:1-Eingangsspannungsbereich, die alle Sollwerte der Standards erfüllen. Das Unternehmen bietet auch Referenzdesigns an, die eine Filterung für die Anforderungen von EN 50155 und RIA 12 umfassen. Bauteile mit AC-Eingang gibt es bis hin zu 10 kW Drehstrom, was typisch für Streckenanwendungen ist.

Welche Anforderungen Nutzfahrzeuge sowie Pkws an die Versorgungsspannung stellen, lesen Sie auf Seite 2.

Ähnliche Anforderungen wie Schienenfahrzeuge

Der große Bereich möglicher Batteriespannungen kann auch bei anderen Anwendungen auftreten, etwa bei elektrischen Gabelstaplern, Hybridfahrzeugen oder USV-Anlagen. Die Nennspannungen der Batterien können von 12 bis 48 V reichen, aber Ladespannungen und Überspannungen beim Trennen von Schwerlastmotoren, buchstäblich Lastabwürfen, können die Höchstspannung in einem 12-V-System auf 42 V und mehr erhöhen (Bild 3). In 48-V-Systemen sind die Spannungen dementsprechend höher. Weil aber 60 V als maximale sichere Spannung definiert ist, können Schaltungen wie die Überspannungsbegrenzung in Bild 2 verwendet werden, um die DC/DC-Eingangsspannung unter dem Maximum von 60 V zu halten. Bei dieser Sicherheitskleinspannung gelten DC/DC-Isolationssysteme als funktional und erfordern keine Zertifizierung gemäß höherer behördlicher Einstufung. DC/DC-Wandler mit großem Eingangsspannungsbereich sind erneut eine Lösung für die geringeren Eingangsspannungen bei Kaltstartbedingungen. Die Umgebung ist weniger definiert als bei Schienenfahrzeugen, weil Nutzung und Ort des Lastwagens nicht festgelegt sind. Für einen zuverlässigen Betrieb sind daher Bauteile mit erhöhter Widerstandsfähigkeit empfehlenswert. Da die Elektronik ihren Weg in landwirtschaftliche Fahrzeuge und schwere Industriefahrzeuge findet, sind die Anforderungen an einen weiten Eingangsspannungsbereich und robuste Bauweise ähnlich.

Versorgungsspannungen für Autos sind gut definiert

Skizze eines ‘Überspannungsbegrenzers’ für Anwendungen gemäß RIA 12.

Bild 2: Skizze eines Überspannungsbegrenzers für Anwendungen gemäß RIA 12 Recom

In Straßenfahrzeugen sind die Versorgungsspannungen durch die gängige Spezifikation LV124 für 12-V-Systeme ziemlich gut definiert, einem 2013 durch deutsche Autohersteller festgelegten Standard. Die in Bild 3 gezeigten Spannungen sind typisch und erfordern Wandler, die über einen großen Eingangsspannungsbereich von 4:1 arbeiten können. Obwohl verschiedene Hersteller ihre eigenen Interpretationen und Anforderungen haben, lässt sich der Standard ISO 7637-2 auch für transiente hohe Spannungen anwenden. Negative Transienten können 2 ms lang bis zu -150 V zusammen mit positiven Werten wie beispielsweise +150 V für 150 ns angewendet werden. Negative Impulse entstehen durch das Entladen paralleler induktiver Lasten. Die Transienten haben relativ geringe Energie und lassen sich durch LC-Filter und Überspannungsbegrenzer dämpfen.

Bild 3: Auftretende Überspannungen bei 12V-Fahrzeuganwendungen (aus LV124).

Bild 3: Auftretende Überspannungen bei 12-V-Fahrzeuganwendungen (aus LV124) Recom

In der Automobilbranche wächst das Interesse an DC-Systemen mit 48 V für Hybridfahrzeuge, um die bevorstehende Anforderung zu erfüllen, dass neu zugelassene PKW ab 2021 weniger als 95 g CO2 pro Kilometer emittieren dürfen. Die Umstellung des Marktes auf vollelektrische Fahrzeuge wird bis dahin nicht möglich sein, sodass Hybridfahrzeuge die einzige Möglichkeit für größere Fahrzeuge sind. Ein System mit Systemspannungen von 12 und 48 V ermöglicht eine bessere Kraftstoffausnutzung und verminderte Emissionen, weil die 48-V-Batterie für mehr Beschleunigung und Leistung für Zubehör wie Öl- und Wasserpumpe sorgt, die beim elektrischen Antrieb effizienter sind.

48-V-Systeme haben ähnliche Prozentsätze der Über- und Unterspannungen wie 12-V-Systeme, aber die zusätzliche Randbedingung, die Spannung unterhalb der sicheren 60 V zu halten, um teure zusätzliche Isolationssysteme zu vermeiden. Der Standard VDA 320 definiert die Spannungswerte (Bild 4).

Falls in diesen Systemen ein modularer DC/DC-Wandler eingesetzt wird, etwa für Anwendungen von Infotainment oder Navigation, kann ein 4:1-Eingangsspannungsbereich (18 bis 72 V) ausreichend sein, aber das Bauelement muss dennoch den Stoß- und Schwingungsspezifikationen entsprechen und bei den großen Temperaturschwankungen zwischen einem geparkten Fahrzeug unter arktischen Bedingungen und der Hitze in den Tropen funktionieren.

Modulare DC/DC-Wandler passen für den Transportsektor

Bild 4: Werte der Systemspannungen für 48V-Systeme im Automobilbereich

Bild 4: Werte der Systemspannungen für 48-V-Systeme im Automobilbereich Recom

Die Anforderungen an DC/DC-Wandler im Transportbereich lassen sich bequem mit Standardlösungen von Unternehmen mit langjähriger Erfahrung wie Recom und deren Schwesterfirma PCS erfüllen. Die umfangreiche Angebotspalette umfasst Modelle mit extra großem Eingangsspannungsbereich von 12:1 mit Zertifizierung gemäß EN 50155 für Schienenfahrzeuge sowie Produkte mit erhöhter Widerstandsfähigkeit für Autos und Industriefahrzeuge. Die Produkte bieten durch ihre Designüberprüfung und Validierung eine lange Lebensdauer und optimale Leistung. Tests umfassen eine vollständige Leistungscharakterisierung, HALT, Temperaturzyklen und Tests bei hohen Temperaturen.

Steve Roberts

Steve_Roberts_Recom
(Bild: Recom)
CTO bei Recom Power

(prm)

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