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DC/DC-Wandler-Komplettlösungen mit sehr großem Eingangsbereich. (Bild: Recom)

DC/DC-Wandler kommen praktisch überall in Industrie, Medizin und Transportwesen zum Einsatz, von Tests und Messungen mit geringer Leistung bis hin zu Motorsteuerungen mit hoher Leistung.

Drei Hauptgründe erklären den Bedarf an DC/DC-Wandlern:

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    DC/DC-Wandler-Komplettlösungen mit sehr großem Eingangsbereich. Recom

    Zum Anpassen inkompatibler Lastspannungen an Versorgungsspannungen (um beispielsweise eine 3,3-VDC-Mikroprozessor-Platine aus einer Quelle mit 110 VDC zu versorgen oder um eine 48-V-Batterie aus einer 12-V-Quelle zu laden).

  • Zum Isolieren des Ausgangs vom Eingang (um beispielsweise eine galvanisch getrennte Versorgung zu realisieren und damit einen Patienten vor gefährlichen Spannungen zu schützen oder um Erdschleifen zu trennen).
  • Zum Fehlerschutz (geregelte DC/DC-Wandler können einem dauerhaften Kurzschluss auf der Ausgangsseite standhalten).
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Bild 1: Funktionsprinzip eines DC/DC-Wandlers mit PWM-Steuerung. Recom

Die Mehrheit der Industrie-Wandler hat einen Eingangsspannungsbereich von 2:1 oder 4:1 je nach Spezifikation für das minimale bis maximale Eingangsspannungsverhältnis. Beispielsweise kann ein 2:1-Wandler mit nominal 24 V im Bereich von 18 bis 36 V Gleichspannung arbeiten. Das passt zum Spannungsbereich einer 24-V-Blei-Säure-Batterie vom entladenen Zustand bis zur Spannung des Batterieladegeräts bei offenem Stromkreis. Ein 4:1-Wandler arbeitet hingegen von 9 bis 36 V, dem Spannungsbereich für eine 12- oder eine 24-V-Blei-Säure-Batterie.

Eckdaten

Recom bietet DC/DC-Wandler-Komplettlösungen mit sehr großem Eingangsbereich, die die Eingangsspannungsverhältnisse von 10:1 oder 12:1 sowie Ausgangsleistungen von 40 bis zu 200 W bieten. Die Wandler haben einen konsistenten Wirkungsgrad über den gesamten Eingangsspannungsbereich, sodass für alle möglichen Schienenfahrzeug-Versorgungsspannungen nur ein Produkt erforderlich ist.

Es gibt nur wenige isolierte Wandler mit einem Eingangsspannungsbereich von mehr als 4:1. Das hat folgende zwei Gründe. Erstens ist bei einer festen Last die Eingangsstromstärke bei der minimalen Eingangsspannung erheblich höher als die Eingangsstromstärke bei der maximalen Eingangsspannung. Zudem ist die Konstruktion einer Eingangsstufe schwierig, die sowohl mit der hohen Eingangsspannung an einem Ende des Bereichs als auch mit der hohen Eingangsstromstärke am anderen Ende umgehen kann. Zweitens nutzen isolierte Wandler üblicherweise eine Steuerung über PWM (Pulsweitenmodulation), um die Ausgangsspannung unabhängig von der Eingangsspannung und Ausgangslast zu regeln. Wobei die Modulation nur einen Wirkbereich von 4:1 hat, der durch das Verhältnis zwischen minimaler Ein-Zeit und maximaler Aus-Zeit definiert ist.

Minimale Ein-Zeit

Der Grund für eine minimale Ein-Zeit ist die Reaktionszeit der Leistungsstufe. Falls die Impulsweite zu stark verringert wird, kann der Leistungsschalttransistor nicht schnell genug reagieren. Außerdem wird jede Schwankung in diesem sehr schmalen Impuls von der Leistungsstufe verstärkt und bewirkt somit eine weniger gut geregelte Ausgangsspannung. Hat beispielsweise ein nur 1 ms langer Impuls eine Schwankung von 100 µs, schwankt die Ausgangsspannung um 10 %, selbst wenn Eingangsspannung und Ausgangslast stabil sind. Am anderen Ende des Bereichs kann der Treiber-Transistor bei der minimalen Eingangsspannung nicht die gesamte Zeit eingeschaltet bleiben, sondern muss zumindest mit einer minimalen Aus-Zeit ausgeschaltet werden. Diese Aus-Zeit muss lang genug sein und dem Transformator genügend Zeit geben, um die auf der Primärseite gespeicherte Energie zur Sekundärseite zu übertragen. Die dem Magnetkern gewährte Zeit zur Erholung muss länger sein als die Ein-Zeit, um eine Sättigung des Kerns zu vermeiden, was praktisch zu einem maximalen Impulstastverhältnis von etwa 45 % führt. Das bedeutet, dass die PWM-Steuerung üblicherweise nur von 5 bis 45 % des theoretischen Bereichs arbeitet. Diese Beschränkungen des Impulsweitenverhältnisses (minimale Ein-Zeit, minimale Aus-Zeit und ein Arbeitsbereich, der nur 40 % der Zykluszeit nutzt) bedeuten, dass die PWM-Steuerung nicht über deutlich mehr als ein Eingangsspannungsverhältnis von 4:1 arbeiten kann, um dabei präzise über alle Bedingungen von Last, Eingangsspannung und Betriebstemperatur zu regeln.

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Bild 2: DC-Eingangsspannungsbereich inklusive Transienten gemäß EN50155:2017. Recom

Die Standard-Eingangsspannungsbereiche von industriellen DC/DC-Wandlern wurden ursprünglich von der Telekommunikationsbranche definiert und zwar auf Grundlage von batteriebasierten Versorgungen mit 12 und 24 V oder 48 VDC Nennspannung einschließlich der Leerlauf-Ausgangsspannungen der damals verwendeten primitiven Ladegeräte. Anwendungen für Schienenfahrzeuge verwenden jedoch auch die höheren Batteriespannungen 72 und 96 V oder 110 VDC; ein Bereich, der mit einem einzelnen DC/DC-Wandler mit 110 VDC Eingang und einem 4:1-Eingangsspannungsverhältnis abgedeckt werden kann, das von 40 bis 160 VDC reicht. Die am weitesten verbreitete Versorgungsspannung an Bord von Eisenbahnen ist 110 VDC. Kleinbahnen und Straßenbahnen verwenden häufig geringere Batteriespannungen von 24 V oder 48 VDC. In der Schweiz sind 36 VDC für Bergbahnen gebräuchlich.

Die neueste Ausgabe des Standards EN50155 für Elektronische Einrichtungen auf Schienenfahrzeugen enthält auch die Optionen 28 und 36 V (Bild 2).

Das Problem mit dem Eingangsspannungsbereich des Standards EN50155 sowie den herkömmlichen Spezifikationen für die DC/DC-Eingangsspannung ist sofort ersichtlich. Traditionell würden drei DC/DC-Wandler (nominal 24, 48 und 110 V) alle standardisierten Versorgungsspannungen für Schienenfahrzeuge inklusive Transienten abdecken, aber die Ergänzung einer Batteriespannungsoption von 28 V unterbricht dieses Muster. Die minimale Versorgungsspannung eines 28-V-Systems liegt im Eingangsspannungsbereich eines 24-V-DC/DC-Wandlers, jedoch ist die maximale Versorgungsspannung zu hoch. Die maximale Ausgangsspannung bei 28 V liegt im Bereich eines 48-V-DC/DC-Wandlers, aber das Minimum ist zu niedrig. Keiner passt.

Thema der nächsten Seite: Zwei mögliche Lösungen

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Bild 3: Topologie des Aufwärtswandlers. Die Ausgangsspannung folgt der Eingangsspannung, wenn Vin größer ist als Vout. Recom

Diese Zwickmühle hat zwei mögliche Lösungen: ein zusätzlicher DC/DC-Wandler mit 36 V Nennspannung, sodass vier verschiedene Wandler erforderlich sind, um alle Optionen der Eingangsspannung abzudecken, oder die Konstruktion eines 10:1-Wandlers, der alle möglichen Fälle in einem Wandler abdeckt.

An dieser Stelle mag man denken, „Halt! Anfangs hieß es, 4:1 ist die Grenze und nun wird eine Lösung mit 10:1 vorgeschlagen“. Gut, es gibt keinen Ausweg aus dem 4:1-Problem des Eingangsspannungsbereiches, es lassen sich jedoch zwei Wandler in einer Konstruktion kombinieren: eine Boost-Stufe für geringe Eingangsspannungen, gefolgt von einem isolierten Wandler mit höherer Eingangsspannung.

Ein Aufwärtswandler verwendet eine Induktivität und eine Diode mit einem Leistungstransistor, der über ein PWM-Steuersignal geschaltet ist. Immer beim Einschalten des Transistors liegt die volle Eingangsspannung über der Induktivität an und der Stromfluss steigt an. Die Diode hindert den Transistor am Kurzschließen des Ausgangs. Wenn der Transistor ausgeschaltet wird, erscheint die in der Induktivität gespeicherte Energie als eine Spannung darüber. Da eine Seite der Induktivität weiterhin an Vin+ angeschlossen ist, ergibt sich die Ausgangsspannung als Eingangsspannung plus Induktorspannung. Jetzt leitet die Diode und lädt den Ausgangskondensator auf eine höhere Spannung als den Eingang. Durch ein geändertes PWM-Verhältnis kann die Ausgangsspannung auf einen gleichbleibend höheren Wert als die Eingangsspannung geregelt werden. Das Eingangs-/Ausgangs-Verhältnis eines Aufwärtswandlers ist nicht auf 4:1 beschränkt, da der volle Bereich der PWM-Steuerung genutzt werden kann (5 bis 100 % Arbeitszyklus).

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Bild 4: Blockschaltbild eines DC/DC-Wandlers mit 10:1-Eingangsspannungsbereich. Nach der nicht isolierten Vorverstärkerstufe folgt ein herkömmlicher isolierter DC/DC-Wandler. Recom

Die wesentliche Beschränkung ist die sehr hohe Eingangsstromstärke. Wenn ein Aufwärtswandler zum Erhöhen einer 12-V-Versorgung auf 48 V verwendet wird, ist die Eingangsstromstärke mehr als viermal so hoch wie die Ausgangsstromstärke. Falls die Eingangsspannung auf 8 V fällt, steigt die Eingangsstromstärke auf mehr als das Sechsfache der Ausgangsstromstärke. Daher ist es unerlässlich, dass Aufwärtswandler mit einer Abschaltsperre bei Unterspannung versehen sind, welche den Schalttransistor abschaltet, falls die Eingangsspannung zu gering wird, um ein Durchbrennen der Induktivität oder des Schalttransistors zu verhindern.

Ein großer Vorteil der Topologie eines Aufwärtswandlers ist es, dass der Leistungstransistor stets ausgeschaltet ist und die Eingangsspannung abzüglich des Spannungsabfalls an der Diode direkt durchfließt, sofern die Eingangsspannung höher als die geforderte Ausgangsspannung ist (Bild 3).

Keine Transformatorenverluste

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Aufwärtswandler-Stufe nicht isoliert werden muss, sodass es keine Transformatorenverluste gibt. Daher können mit Aufwärtswandlern Wirkungsgrade von über 90 % realisiert werden. Der Eingangsspannungsbereich der Kombination aus Aufwärtswandler plus DC/DC-Wandler ist nun nicht mehr auf 4:1 beschränkt, sondern kann 8:1 (2:1 gefolgt von 4:1), 10:1 (2,5:1 gefolgt von 4:1) oder sogar 12:1 (3:1 gefolgt von 4:1) erreichen.

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Recom bietet vier verschiedene DC/DC-Wandler-Komplettlösungen. Recom

Die zwischengeschaltete Bus-Spannung des oben gezeigten Wandlers ist auf 72 V eingestellt. Das ermöglicht das Anbringen zusätzlicher externer Kondensatoren, um die Zeit für Leistungsunterbrechung oder Versorgungsübernahme zu verlängern. Da die in einem Kondensator gespeicherte Energie proportional zum Quadrat der Spannung ist, ermöglicht die hohe Boost-Spannung die Verwendung neunmal kleinerer Kondensatoren im Vergleich zu einer Versorgung mit 24 V, ohne die Überbrückungszeit zu beeinträchtigen.

DC/DC-Wandler-Komplettlösungen

Recom bietet vier verschiedene DC/DC-Wandler-Komplettlösungen mit sehr großem Eingangsbereich an, die auf diesem Prinzip basieren und Eingangsspannungsverhältnisse von 10:1 oder 12:1 sowie Ausgangsleistungen von 40 bis zu 200 W bieten:

(Hier Tabelle einfügen)

Jede Wandler-Baureihe kann mit Versorgungsnennspannungen von 24, 28, 36, 48, 72, 96 V oder 110 VDC einschließlich der Über- und Unterspannungs-Transienten gemäß Standard EN50155 betrieben werden. Die Wandler haben einen konsistenten Wirkungsgrad über den gesamten Eingangsspannungsbereich, sodass für alle möglichen Schienenfahrzeug-Versorgungsspannungen nur ein Produkt erforderlich ist, was Logistik und Dokumentation vereinfacht und Kosten für technischen Support bei der endgültigen Installation verringert. Zudem kann die gleiche Stromversorgung für Schnellzüge, Kleinbahnen oder kombinierte Straße-Schiene-Anwendungen eingesetzt werden, was die Kosten für Entwicklung und Produktion senkt.

Steve Roberts

Recom

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