DC/DC-Wandler für Schienenfahrzeug-/Streckenausrüstung

In den vergangenen Jahren hat RECOM sein Sortiment an EN50155-zertifizierten Bauteilen deutlich erweitert und stellt nun eine breite Auswahl an AC/DC- und DC/DC-Wandlern für Schienenfahrzeug-/Streckenausrüstung bereit. Dank der Übernahme des italienischen Stromversorgungsspezialisten Power Control Systems kann RECOM nun auch kundenspezifische Stromversorgungen bis 18kW anbieten.

RECOM hat über die Jahre sein Portfolio an DC/DC Wandlern für die Bahntechnik im Leistungsbereich von 8W bis 240W stark erweitert und kann nun das größte Angebot an EN50155 zertifizierten Produkten aufweisen. Die Bahntechnik-zertifizierten Serien in kompakten Gehäusen zeichnen sich durch eine äußerst hohe Leistungsdichte von bis zu 4,5W/cm³ aus und liefern bis zu 240W Leistung. Für ein überlegenes thermisches Verhalten verfügt das RECOM Portfolio auch über Serien wie den 12W RP12-AR, 20W RPA20-AW und 30W RPA30-AW in einem 1”x1” Gehäuse und den 60W RPA60-FW in einem 2”x1” Gehäuse.

Die regulierten DC/DC Wandler mit weitem 4:1 Eingangsspannungsbereich wurden speziell für anspruchsvolle Bahntechnikanwendungen konzipiert. Die Serien RPA100H-RUW und RPA200H-RUW bieten sogar einen besonders weiten 10:1 Eingangsspannungsbereich und decken so alle nominalen Eingangsspannungen von 24VDC bis 110VDC mit nur einem Produkt ab. Alle Serien sind EN50155 zertifiziert* und wurden für den Einsatz in rauer Umgebung oder in Schienenfahrzeugen konzipiert. Auch sind sie aufgrund ihrer UL/cUL60950 Zertifizierung eine sichere Wahl für Industrie und Telekommunikationsapplikationen.

RECOM verfügt auch über Evaluierungsplattformen für DC/DC-Wandler bis 240W. Sie sind entweder in Hochspannungs- (-1) oder Hochstrom (-2) -Layouts erhältlich und enthalten einen RIA12-Überspannungsstopper.

Die RSPxxx-168 wurden für den Schutz vor Surge-Pulsen entwickelt, um Bahntechnik-Wandler vor übermäßigen Spannungsspitzen von bis zu 385VDC zu schützen. Neben den 3,3V, 5V, 12V, und 15V single Ausgängen sind auch ±12V und ±15V dual Ausgänge erhältlich. Die Control Pin Logik kann positiv oder negativ gewählt werden. Mit Wirkungsgraden von bis zu 93% genügt in der Regel die Kühlung durch natürliche Konvektion, bei Bedarf sind die Module aber auch mit vormontiertem Kühlkörper erhältlich. Alle Module sind mit der bei RECOM üblichen 3-jährigen Gewährleistung ausgestattet.

Für DC/DC-Anwendungen im Bahnbereich mit höherer Leistung bietet die RECOM-Baureihe RMD eine Ausgangsleistung von 40W bis 500W bei nominal 24V, 36V, 48V, 72V oder 110V. Sie verfügt über fünf Eingangsspannungsbereiche, die den Bereich von 14,4V bis 170V DC abdecken. Das hocheffiziente Design ist typgeprüft gemäß Eisenbahnnorm EN 50155.

DC/DC-Wandler werden in Bahnumgebungen benötigt, um Gleichstrom-Batteriespannungen in eine niedrigere Spannung umzuwandeln, die in einer Vielzahl von Steuer- und Energieschaltungen genutzt werden kann. Schienenfahrzeuge verwenden ein Gleichstromverteilungssystem, sodass bei einem Generatorausfall Batterien zur Aufrechterhaltung der elektrischen Energie eingesetzt werden können. Diese Wandler müssen gemäß EN 50155 konstruiert sein, um sicherzustellen, dass ihre Funktion nicht durch raue Umgebungsbedingungen beeinträchtigt wird.

Hitze, Frost, Vibration, mechanische Einwirkungen – all das kann die Elektronik schwer beschädigen. DC/DC-Wandler sind in der Bahntechnik extrem rauen Bedingungen ausgesetzt und müssen über ihre gesamte Nutzungsdauer ordnungsgemäß und zuverlässig funktionieren. Ingenieure wählen daher DC/DC-Wandler, die diesen außergewöhnlichen Bedingungen standhalten können und für Bahnanwendungen zertifiziert sind.

Die Norm EN50155 (Bahnanwendungen - Elektronische Einrichtungen auf Schienenfahrzeugen) enthält genau definierte Anforderungen an Informationssysteme und elektronische Komponenten, die in der Bahntechnik eingesetzt werden dürfen. Dies gilt auch für DC/DC-Wandler, die unter extremen Bedingungen wie Hitze, Kälte, Erschütterungen und Vibration über viele Jahre hinweg als zuverlässige Stromversorgungen funktionieren müssen.

EN50155 ist ein Leistungsstandard für elektronische Ausrüstungen in Schienenfahrzeugen (im Grunde alle Schienenfahrzeuge, die sich bewegen, einschließlich Lokomotiven, Personenwaggons, Stadtbahnen und Güterzüge). Er legt Mindestanforderungen für den Eingangsspannungsbereich, die elektrische Isolierung, die Betriebstemperatur, die Toleranz gegenüber Erschütterungen, Vibration und Feuchtigkeit, die erforderliche EMV und Zuverlässigkeit der Geräte sowie die erwartete Lebensdauer fest. Bei elektronische Ausrüstungen für Schienenfahrzeuge wird eine sehr lange Lebensdauer von bis zu 20 Jahren vorausgesetzt. Die Prüfung der Toleranz gegenüber den Umgebungsbedingungen sollte daher äußerst gründlich sein. Neben den üblichen Betriebstemperaturtests sind zusätzliche Temperaturwechsel-, Trockenhitze- und Feuchtwärmeprüfungen vorgeschrieben. Nur ein vollständig vergossener oder abgedichteter DC/DC-Wandler kann diese Anforderungen erfüllen.

Im Sommer können die Temperaturen auf +60°C oder mehr steigen, im Winter sind bis zu -30°C oder weniger möglich. Wandler, die in Schienenfahrzeugen eingesetzt werden, sind starken Vibrationen ausgesetzt. All das bringt herkömmliche DC/DC-Wandler an ihre Grenzen. Die neue Norm EN50155 legt sechs verschiedene Betriebstemperaturbereiche fest und umfasst auch die Prüfung der Betriebstemperaturen und der erweiterten Temperaturgrenzen beim Anfahren.

EN 50155 gibt hier allgemeine Richtlinien vor: relative Luftfeuchtigkeit von durchschnittlich 75%, gefolgt von 30 aufeinanderfolgenden Tagen mit 95% relativer Luftfeuchtigkeit. Für die elektronische Ausrüstung bedeutet dies in den meisten Fällen, dass ein wasserdichtes Gehäuse oder lackierte Baugruppen erforderlich sind.

Bahnelektronik muss auch in extrem ungünstigen elektromagnetischen Umgebungen einwandfrei funktionieren. Denn zum einen ist sie starken Magnetfeldern ausgesetzt, die von Elektromotoren und Transformatoren erzeugt werden, zum anderen muss sie den von den Stromabnehmern ausgehenden Störungen standhalten. Zudem gibt es zahlreiche Störquellen wie Mobiltelefone und Laptops, die von Passagieren mit an Bord gebracht werden. Keine dieser Störquellen darf in irgendeiner Weise die Funktion hochempfindlicher Komponenten wie Antriebsbaugruppen, Motorsteuereinheiten und Anzeigen beeinträchtigen.

Um dies zu gewährleisten, verweist EN 50155 wiederholt auf die Ergänzungsnorm EN 50121-3-2 „Bahnanwendungen - Elektromagnetische Verträglichkeit - Schienenfahrzeuge - Geräte“, die klare Grenzwerte für gestrahlte und leitungsgeführte Störungen sowie strenge Anforderungen an die Widerstandsfähigkeit gegen Überspannung und Transienten festlegt. Um diese EMV-Anforderungen zu erfüllen, ist ein EMV-Filter erforderlich. Dieser absorbiert alle leitungsgebundenen Emissionen und schützt den DC/DC-Wandler.

Im Bahnbereich wird traditionell eine große Anzahl unterschiedlicher Versorgungsspannungen eingesetzt. Die gebräuchlichsten Nennspannungen sind 24VDC, 48VDC, 72VDC, 96VDC und 110VDC.

Die neueste Ausgabe von EN50155 definiert sieben verschiedene standardisierte Gleichspannungen, wobei 110VDC die am häufigsten in Zügen verwendete ist. Bei Stadtbahnen, Straßenbahnen und Oberleitungsbussen kommen meist 24V- bis 48V-Schienen zum Einsatz.

Um die Anforderungen an die Nenneingangsspannungen zu erfüllen, entscheiden sich die Entwickler von Bahnanwendungen für 4:1-Wandler wie die Serien RP20-FR und RP40-FR von RECOM. Diese decken den gesamten Nenneingangsspannungsbereich mit nur 3 verschiedenen Wandlermodellen ab.

Nominal Input Voltage	EN50155			RECOM RPxx-FR Serie
	Input Range	Min. Input (0,1s)	Max. Input (1s)	Input Range	Min. Input	Max. Input (1s)
24V	16.8-30V	14.4V	33.6V	9-36V	9V	50V
48V	33.6-60V	28.8V	67.2V	18-75V	18V	100V
72V	50.4-90V	43.2V	100.8V	43-160V	43V	170V
96V	67.2-120V	57.6V	134.4V	43-160V	43V	170V
110V	77-137.5V	66V	154V	43-160V	43V	170V

Abb.: EN50155-zertifizierte DC/DC-Wandler müssen starke Eingangsspannungsschwankungen tolerieren. Die RPxx-FR Serie von RECOM deckt den gesamten Bereich von 24 bis 110 V mit drei Wandlertypen ab. Der RPA100H und der RPA200H decken den gesamten Spannungsbereich sogar mit nur einem Modul ab.

EN50155 legt fest, dass die Nenneingangsspannung zwischen dem 0,7- und 1,25-fachen der Nennspannung schwanken darf, und erlaubt kurzfristige Abweichungen zwischen dem 0,6- und 1,4-fachen dieses Wertes. Das bedeutet, dass ein 48V DC/DC-Wandler einen Spannungsbereich von 28,8V bis 67,2V abdecken muss.

Bis vor kurzem herrschte Einigkeit darüber, dass 4:1-Konverter in Bezug auf Effizienz und Wirtschaftlichkeit an ihre Grenzen stoßen. Das ändert sich nun mit den neuesten 100W und 200W DC/DC-Wandlern von RECOM. Der RPA100H und der RPA200H verfügen über einen breiten 10:1-Eingang, um alle gängigen Spannungswerte in einem Modul abzudecken.

DC/DC-Bahnwandler werden oft als Bricks, Half Bricks und Quarter Bricks bezeichnet. Ein Full Brick hat die Maße 4.6 x 2.4 x 0.5 Zoll, ein Half Brick 2.3 x 2.4 x 0.35 Zoll und ein Quarter Brick 2.3 x 1.45 x 0.35 Zoll. Es gibt aber auch DIP24-, 1''x1''- und 2''x1''-Gehäuse für Wandler mit geringerer Leistung. Neuere Schaltnetzteile im Quarter-Brick-Format liefern eine elektrische Leistung von 250 Watt oder mehr. Dies ist eine deutliche Verbesserung gegenüber dem zuvor benötigten Slot und bedeutet mehr Raum für die Ergänzung weiterer Funktionen. Die Spezifikation umfasst auch den Pin-Ausgang. DC/DC-Wandler in Bahnanwendungen, die dem Standard entsprechen, können leicht ausgetauscht werden, wenn die Entwickler dies wünschen.