Spannungswandlung in der Verteidigungstechnologie

Die Stromversorgung ist ein wesentlicher Bestandteil jedes elektronischen Systems. Nur in den seltensten Fällen können elektronische Anwendungen ohne den Einsatz von Spannungswandlertechnologie funktionieren. Die Wandler liefern und konditionieren die Energie, damit die elektronischen Schaltungen Sensordaten genau erfassen, verarbeiten und Berechnungen zuverlässig durchführen können. Ständig wird daran gearbeitet, die Größe dieser Module zu verringern und ihre Zuverlässigkeit zu verbessern, vor allem in der Luft- und Raumfahrt und im Verteidigungsbereich, wo die Nachfrage nach Elektronik als Reaktion auf neue Anforderungen in Kriegsgebieten rapide zunimmt.

Fortschritte bei Schaltwandler-Topologien

Das Teilsystem zur Leistungsumwandlung unterstützt nicht nur viele Schaltungstopologien mit einer einzigen Eingangsspannung, sondern dient auch häufig als erste Verteidigungslinie gegen kurzfristige Ausfälle und Schwankungen. Der Schlüssel zu diesen beiden Anforderungen sind die Schaltwandlertopologien. Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung eines Schaltnetzteils (SMPS) besteht darin, dass es die Möglichkeit bietet, eine Versorgungsspannung für die Zielschaltung abzustimmen, unabhängig davon, ob es sich um einen Wechsel- oder Gleichstromeingang handelt. In ähnlicher Weise ermöglichen Boost-Topologien, die auf aktivem Schalten basieren, die Erzeugung einer Ausgangsspannung, die höher ist als die des Gleichstromeingangs. Ältere lineare Umwandlungstechniken hatten einen schlechten Wirkungsgrad. Außerdem konnten sie nur dann Spannungen erzeugen, die höher waren als die Eingangsspannung, wenn sie einen Transformator verwenden konnten, was diese Fähigkeit auf Systeme mit einem Wechselstromeingang beschränkte.

Militär-Elektronik Normen: Überblick über MIL STD & MIL PRF

Wie müssen Elektronikkomponenten für militärische Anwendungen geprüft und standardisiert sein? Dieser Leitfaden erklärt die wichtigsten Normen – von MIL STD 810 und 461 über MIL STD 883 bis hin zu Sensor Architekturen wie SOSA und MOSA.

Dank ihrer vielen Vorteile wurden Schaltwandler schnell zur gängigsten Form der Leistungsumwandlung außerhalb der linearen Regler, die in Schaltungen mit geringem Stromverbrauch, wie z. B. in analogen Front-Ends, verwendet werden. Die ersten Generationen verwendeten bipolare Transistoren und Dioden: Sie erreichten einen Wirkungsgrad zwischen 40 und 60 Prozent. Als sie kommerziell verfügbar wurden, lieferten MOSFET-Transistoren in Kombination mit immer ausgefeilteren analogen und logikbasierten Steuerungen wesentlich effizientere Designs. Die MOSFET-Revolution hat gleichzeitig zu einer Verkleinerung der Leistungswandler geführt, was sich in der Luft- und Raumfahrt und im Verteidigungssektor als unschätzbar wertvoll erwiesen hat. So konnte ein vor 20 Jahren entwickelter Quarter-Brick-Wandler, wie der MGDM150 von GAIA, 150 W liefern. Heute verwendet die MGDM500-Serie einen Half-Brick-Formfaktor und liefert 500 W.

Anforderungen aktueller Verteidigungssystemen

Andere technologische Fortschritte haben die Fähigkeit von DC/DC-Wandlern erweitert, die Anforderungen von Verteidigungssystemen zu erfüllen. Komplexe elektronische Systeme werden heute in vielen Teilen von Verteidigungsausrüstungen eingesetzt, die früher nur begrenzt elektrisch gesteuert werden konnten. Beispiele hierfür sind intelligente Munition und Fahrzeugleitsysteme. Die Miniaturisierung hat neue Ausrüstungskategorien, wie z. B. autonome Drohnen, ermöglicht. Diese Systeme benötigen kleinere DC/DC-Wandler mit hoher Leistungsdichte, um fortschrittliche Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) und Multicore-Mikroprozessoren zu unterstützen. Außerdem müssen sie mit einer Reihe von Umgebungsbedingungen zurechtkommen, die die elektronischen Steuerungen beschädigen würden, wenn sie nicht geschützt würden. Diese Anforderungen haben eine Reihe von weiteren Fortschritten bei der Entwicklung von Leistungswandlern erforderlich gemacht.

GAIA war das erste Unternehmen, das DC/DC-Wandler entwickelt hat, die einen großen Eingangsbereich bei hohem Wirkungsgrad realisieren und gleichzeitig großen Eingangstransienten standhalten und diese abfangen können, ohne dass ein separater Transientenschutz erforderlich ist. Diese Kombination von Merkmalen trug dazu bei, die Größe der Leistungswandler zu verringern und gleichzeitig einen hohen Gesamtwirkungsgrad über einen Großteil des Eingangsbereichs beizubehalten. Ein Beispiel dafür ist die vor etwas mehr als zehn Jahren eingeführte MGDD-Serie, die einen noch nie dagewesenen Eingangsbereich von 12 bis 160 V_DC zusammen mit einem umfassenden Überspannungsschutz unterstützt. Das Design kann den von MIL-STD704 geforderten 50-V-Überspannungsstoß, den 100-V-Überspannungsstoß von MIL-STD1275 und den 80-V-Überspannungsstoß von DO160 verkraften.

Außerdem unterscheidet sich das Design von vielen industriellen DC/DC-Wandlern. Diese sind oft nur in einem Teil des Eingangsbereichs auf einen hohen Wirkungsgrad abgestimmt. Bei der MGDD-Serie ist der Wirkungsgrad über den gesamten Bereich von 12 bis 160 V stabil. Höhere Spannungen werden unterstützt, um Überspannungen ohne die Verwendung eines externen Transientenschutzes zu erfüllen.

DC/DC-Wandler für die Bahntechnik von Gaia

Die neue MGRDI-Serie von Gaia Converter im Leistungsbereich von 20 bis 80 W wurde speziell mit einem Eingangsspannungsbereich von 12 bis 160 V entwickelt.

Wenn eine fortschrittlichere Überspannungssteuerung erforderlich ist, ermöglicht die Verwendung modularer Architekturen die Kombination von Filtern und spezialisierten Subsystemen mit Stromrichtern in sehr kompakter Form ohne Leistungseinbußen. Der LGDS600 beispielsweise bietet einen Transientenbegrenzer bis 202 V_DC mit einer Leistung von 600 W. Obwohl die Überspannungsfestigkeit vor vielen Fehlern schützt, besteht ein häufiges Problem in militärischen Systemen darin, einen gleichmäßigen Betrieb zu gewährleisten, wenn die Stromquelle auf ein Backup umgeschaltet werden muss oder eine kurze Unterbrechung der Batterie- oder Generatorversorgung auftritt. In solchen Situationen ist der Einsatz eines Überbrückungsmoduls auf der Vorderseite erforderlich, um die Stromversorgung bei kurzen Ausfällen aufrechtzuerhalten.

Verteidigungssysteme benötigen nicht nur eine konstante Stromversorgung, sondern müssen auch extremen thermischen Bedingungen, Vibrationen und Stößen standhalten. Angesichts dieser Anforderungen stellt die Veralterung von Komponenten und Teilsystemen ein Problem für die langfristige Unterstützung aller Arten von Stromversorgungssystemen für die Luft- und Raumfahrt und die Verteidigungselektronik dar.

Jede dieser Anforderungen erfordert ein innovatives Design. Die Arbeit von GAIA im Bereich der Leistungsumwandlungstechnologie hat jedoch gezeigt, dass alle diese Anforderungen bei sorgfältiger Auswahl der Architektur erfüllt werden können. Im Hinblick auf die Veralterung hat GAIA beispielsweise Entwicklungsprozesse entwickelt, die die Wahrscheinlichkeit minimieren, dass man auf Situationen reagieren muss, in denen beispielsweise eine Schlüsselkomponente vom Markt genommen wird. Ein Beispiel für die Vorgehensweise des Unternehmens bei der Entwicklung ist die Durchführung einer vollständigen Analyse des Veralterungsrisikos für jedes Modul, um sicherzustellen, dass jedes Bauteil mit hoher Wahrscheinlichkeit während der Betriebsdauer des Moduls in der Produktion verbleibt.

Ein ähnliches Maß an Liebe zum Detail gilt für das thermische Design jedes Moduls, wie z. B. die Verwendung eines isolierten Metallsubstrats als Träger für die Leiterplatte und die angeschlossenen Komponenten. Für das Substrat entschied sich GAIA, ein isoliertes Metallsubstrat für die Grundplatte zu verwenden, das aus Kupfer und nicht aus Aluminium besteht. Eine Aluminiumkonstruktion wäre zwar im Hinblick auf die Materialien billiger, aber für den Benutzer insgesamt teurer. Das verwendete Kupfermaterial reduziert die thermomechanische Belastung, da der thermische Ausdehnungskoeffizient zwischen dem Kupfer des Modulsubstrats und den Leiterbahnen für die Schaltkreise gleich bleibt. Dank dieser Wahl hat die MGDS500-Serie über 1000 thermische Zyklen über den gesamten Temperaturbereich von -55 bis +105 °C ohne Probleme überstanden. Das gleiche Produkt mit einer Aluminium-Grundplatte hätte schon früher interne Defekte aufgewiesen.

Änderungen an magnetischen Bauteilen, wie z. B. Transformatoren, die sich auf die Drahtform und die Qualität der Ferritmaterialien konzentrieren, versprechen eine Kombination aus Verlustreduzierung und Verbesserung des thermischen Verhaltens. Eine ähnliche Kombination von günstigen Eigenschaften ergibt sich aus der Verwendung von Vergussmassen. Diese wärmeleitenden Materialien verbessern nicht nur den Wärmeübergang von kritischen Bauteilen weg, sondern auch die Schock- und Vibrationsfestigkeit der Baugruppe.

Unterstützung künftiger Systeme

Die Konzentration auf Produktinnovationen unter Verwendung grundlegender Prinzipien der Leistungselektronik und die Weiterentwicklung der Schaltungstechnik werden dazu beitragen, die für die Unterstützung künftiger Systeme erforderliche Technologie bereitzustellen. Die jüngsten Konflikte haben gezeigt, wie sich die Art der Verteidigungssysteme verändert. Drohnen haben sich als einer der Haupttrends erwiesen, der eine hohe Zuverlässigkeit und Leistungsdichte sowie die Fähigkeit, Erschütterungen und Vibrationen standzuhalten, erfordert. Die Streitkräfte werden auch Verteidigungsausrüstungen wie fortschrittlichere Radar- und Detektionssysteme, elektromagnetische Störsender und automatische Drohnenabwehrraketensysteme sowie Impulslaser einsetzen.

Viele dieser neuen Systeme werden eine drastische Erhöhung der elektrischen Gesamtleistung erfordern, so dass 1-kW-Module anstelle der heutigen 500-W-Ausführungen benötigt werden. Lastverteilungskonzepte werden wahrscheinlich an Bedeutung gewinnen. Sie machen es einfacher, die verfügbare Leistung zu verdoppeln und zu verdreifachen. Aber der Wandel wird von den Modulen auch anspruchsvollere Steuerungsverfahren verlangen.

Innovation durch Materialwahl und Substratdesign

Neben innovativen Steuerungsstrategien bietet die Materialwissenschaft einen wichtigen Weg zur Erhöhung der Leistungsdichte bei gleichzeitiger Zuverlässigkeit. Bei den Leistungshalbleitern bieten Materialien mit breiter Bandlücke wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumarsenid (GaN) zahlreiche Vorteile, darunter Effizienz, höhere Eingangsspannungen und thermische Zuverlässigkeit. Insbesondere SiC kann bei Temperaturen von bis zu 200 °C betrieben werden und ist damit für rauere Umgebungen geeignet.

SiC und GaN liefern geringere Schaltverluste durch eine Verringerung der Minoritätsträger im Vergleich zu siliziumbasierten Materialien und eine höhere Leitfähigkeit. Ein weiterer Vorteil liegt in den geringeren Verlusten aufgrund von Widerstand und Wärmeabgabe. Die geringeren Schaltverluste führen zu einer potenziellen Erhöhung der Schaltfrequenz. Dies führt dazu, dass kleinere passive Komponenten in den Stromversorgungsschaltungen verwendet werden können, was sowohl die Größe als auch die Kosten reduziert. Da diese Materialien weniger ausgereift sind als Silizium, ist das Obsoleszenzmanagement ein entscheidender Bestandteil des Designs. Aus diesem Grund ist es wichtig, Produkte zu verwenden, die für großvolumige Anwendungen, z. B. in der Automobilindustrie, bestimmt sind, um eine lebensfähige Quelle für Komponenten für die nächsten Jahre zu gewährleisten.

DC/DC-Wandlung in Militärfahrzeugen: Hohe Effizienz

Die Elektronik in Militärfahrzeugen erfordert robuste, skalierbare und zuverlässige DC/DC-Wandler, um unter extremen Bedingungen den Betrieb sicherzustellen.

Stromversorgungsdesigns

Auch in anderen Bereichen des Stromversorgungsdesigns gibt es Möglichkeiten für weitere Verbesserungen. Kundenspezifische Ferrite bieten beispielsweise die Möglichkeit, die Leistung an die neuartigen Möglichkeiten anzupassen, die sich durch Hochfrequenz-Topologien mit breiter Bandlücke ergeben. Da Anbieter wie GAIA, die diese kundenspezifischen Ansätze verwenden, die Kontrolle über die Fertigung haben, bieten sie auch Vorteile in Bezug auf die Vermeidung von Veralterung im Vergleich zu kommerziellen Standardoptionen.

Perspektiven für zukünftige Leistungselektronik

Die Anforderungen an Verteidigungssysteme ändern sich, und die Leistungsumwandlungstechnologie hält dank Anbieter, die auf die Möglichkeiten achten, die neue Materialien und Konstruktionsansätze bieten können, Schritt. Indem man nicht nur die Leistung der Rohschaltkreise berücksichtigt, sondern auch die Normen und die langfristige Unterstützung, die die Verteidigungsindustrie benötigt, kann man sicherstellen, dass die Entwicklungen zu einem konsistenten und zuverlässigen Betrieb während des gesamten Lebenszyklus jedes dieser neuen Systeme führen. (bs)