Raue Bedingungen im Transportwesen: DC/DC-Wandler halten stand
21.08.2019
Transportanwendungen erfordern spezielle DC/DC-Wandler mit einem weiten Bereich der Eingangsspannungen und Immunität gegenüber rauen Umgebungsbedingungen und EMV-Störungen, weshalb kommerzielle oder übliche ‘Standard’-Bauteile 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.
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. DC/DC-Wandler werden häufig direkt von Systembatterien gespeist, die auch andere Lasten versorgen. 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 Sicherheits-Zertifizierungen auf. Doch erfüllen sie die Anforderungen des Transportwesens? Eine Untersuchung der Leistungsstandards in diesem Marktsegment zeigt, dass im Allgemeinen Sonderausführungen erforderlich sind.
Transportanwendungen wie Schienenfahrzeuge können abweichende Nennspannungen haben
Schienenfahrzeuge gelten mit ihren Nennspannungen, die zwischen 24 und 110V DC variieren können, als anspruchsvollste Anwendungen für DC/DC-Wandler. Gemäß EN 50155-2017 ‘Anwendungen in Schienenfahrzeugen – Elektronische Ausrüstung auf rollendem Material’ können die Nennspannungen um +25%/-30% variieren und Absenkungen bis herab zu 60% des Nennwertes sind möglich, während Überspannungen bis 140% erreichen können. Abbildung 1 gibt eine Übersicht der möglichen Spannungsbereiche. Dem Standard zufolge sollten Überspannungen und Spannungsabfälle von den angegebenen Werten über eine Dauer von 100ms keine ‘Abweichung der Funktion’ verursachen, obwohl für Überspannungen bis zu einer Sekunde Dauer 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% praktisch dauerhaft normal funktionieren muss.
Abbildung 1. Bereich der Versorgungsspannungen für unterschiedliche Nennwerte gemäß EN 50155-2017 für Schienenverkehrsanwendungen
Abbildung 1 zeigt auch die ‘standardmäßigen’ 4:1 Eingangsspannungsbereiche der DC/DC-Wandler und verdeutlich, 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 20ms enthält. Bei Systemen mit 110V bedeutet das einen Spitzenwert von 385V 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 160V geklemmt wäre, wäre die in einem Überspannungsbegrenzer abzuleitende Spitzenenergie eine nicht handhabbare Größe von 180kW. Es wurden verschiedene Methoden für den Umgang mit der Überspannung ausgearbeitet. Ein effizienter und von RECOM empfohlener Weg [1] ist es, die Versorgung mit einem Reihen-MOSFET ‘vorzuregeln’ und einen zeitgesteuerten Ausschalter zu ergänzen, so dass die Ableitung im MOSFET dessen Einstufung nicht überschreiten kann, falls die Überspannung weiter besteht. Diese Lösung ist als vorgefertigtes Überspannungs-Begrenzermodul für bis zu 300W kontinuierliche Last erhältlich oder kann mit diskreten Bauelementen eingefügt werden. Abbildung 2.
Abbildung 2: Skizze eines ‘Überspannungsbegrenzers’ für Anwendungen gemäß RIA 12 (Quelle: 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, so dass 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 20ms 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 deren neu übernommener Firma Power Control Systems [2] erfüllt viele Anforderungen für Schienenfahrzeuge mit den EN 50155-zertifizierten Produkten von den SMD- und DIP-24-Bauteilen mit 8W Nennleistung bis hin zu den 240W ‘Brick’-Typen mit extragroßem 12:1 Eingangsspannungsbereich, die alle Sollwerte der Standards erfüllen. Das Unternehmen bietet auch Referenzdesigns an [3], die eine Filterung für die Anforderungen von EN 50155 und RIA 12 umfassen. Bauteile mit AC-Eingang gibt es bis hin zu 10kW Drehstrom, was typisch für Streckenanwendungen ist.
Andere Transportanwendungen in der Industrie können ähnliche Anforderungen wie Schienenfahrzeuge haben
Der große Bereich möglicher Batteriespannungen kann auch bei anderen Anwendungen auftreten, etwa bei elektrischen Gabelstaplern, Hybrid-Fahrzeugen oder USV-Anlagen. Die Nennspannungen der Batterien können von 12 bis 48V reichen, aber Ladespannungen und Überspannungen beim Trennen von Schwerlastmotoren, buchstäblich ‘Lastabwürfen’, können die Höchstspannung in einem 12V-System auf 42V und mehr erhöhen (Abbildung 3). In 48V-Systemen sind die Spannungen dementsprechend höher. Weil aber 60V als maximale ‘sichere’ Spannung definiert ist, können Schaltungen wie die Überspannungsbegrenzung der Abbildung 2 verwendet werden, um die DC/DC-Eingangsspannung unter dem Maximum von 60V zu halten. Bei dieser Sicherheitskleinspannung können DC/DC-Isolationssysteme als ‘funktional’ eingestuft werden und erfordern keine Zertifizierung gemäß höherer behördlicher Einstufung. DC/DC-Wandler mit großem Eingangsspannungsbereich sind erneut eine gute 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.
Abbildung 3: Auftretende Überspannungen bei 12V-Fahrzeuganwendungen (aus LV124)
Versorgungsspannungen für Autos sind gut definiert
In Straßenfahrzeugen sind die Versorgungsspannungen durch die gängige Spezifikation für 12V-Systeme LV124 ziemlich gut definiert, einem 2013 durch deutsche Autohersteller festgelegten Standard. Die in Abbildung 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, kann der Standard ISO 7637-2 auch für transiente hohe Spannungen angewendet werden. Negative Transienten können 2ms lang bis zu -150V zusammen mit positiven Werten wie beispielsweise +150V für 150ns angewendet werden. Negative Impulse entstehen durch das Entladen paralleler induktiver Lasten. Die Transienten haben relativ geringe Energie und können durch LC-Filter und Überspannungsbegrenzer gedämpft werden.
In der Automobilbranche wächst das Interesse an DC-Systemen mit 48V für Hybrid-Fahrzeuge, um die bevorstehende Anforderung zu erfüllen, dass neu zugelassene PKW ab 2021 weniger als 95 g CO2 pro km 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 12V und 48V ermöglicht eine bessere Kraftstoffausnutzung und verminderte Emissionen, weil die 48V-Batterie für mehr Beschleunigung und Leistung für Zubehör wie Öl- und Wasserpumpe sorgt, die beim elektrischen Antrieb effizienter sind.
48V-Systeme haben ähnliche Prozentsätze der Über- und Unterspannungen wie 12V-Systeme, aber die zusätzliche Randbedingung, die Spannung unterhalb der sicheren 60V zu halten, um teure zusätzliche Isolationssysteme zu vermeiden. Der Standard VDA 320 definiert die Spannungswerte (Abbildung 4).
Abbildung 4: Werte der Systemspannungen für 48V-Systeme im Automobilbereich
Falls in diesen Systemen ein modularer DC/DC-Wandler eingesetzt wird, etwa für Anwendungen von Infotainment oder Navigation, kann ein 4:1 Eingangsspannungsbereich (18 - 72V) 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 haben passende Spezifikationen für den Transportsektor
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 von RECOM garantieren durch ihre gründliche Designüberprüfung und Validierung eine lange Lebensdauer und optimale Leistung. Tests umfassen eine vollständige Leistungscharakterisierung, HALT, Temperaturzyklen und Tests bei hohen Temperaturen.
Referenzen
[1] RECOM www.recom-power.com [2] Power Control Systems www.powercontrolsystems.com [3] RIA 12 ‘Surge stopper’ and EMI filter R-REF04-RIA12
RECOM: We Power your Products
Transportanwendungen wie Schienenfahrzeuge können abweichende Nennspannungen haben
Schienenfahrzeuge gelten mit ihren Nennspannungen, die zwischen 24 und 110V DC variieren können, als anspruchsvollste Anwendungen für DC/DC-Wandler. Gemäß EN 50155-2017 ‘Anwendungen in Schienenfahrzeugen – Elektronische Ausrüstung auf rollendem Material’ können die Nennspannungen um +25%/-30% variieren und Absenkungen bis herab zu 60% des Nennwertes sind möglich, während Überspannungen bis 140% erreichen können. Abbildung 1 gibt eine Übersicht der möglichen Spannungsbereiche. Dem Standard zufolge sollten Überspannungen und Spannungsabfälle von den angegebenen Werten über eine Dauer von 100ms keine ‘Abweichung der Funktion’ verursachen, obwohl für Überspannungen bis zu einer Sekunde Dauer 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% praktisch dauerhaft normal funktionieren muss.
Abbildung 1. Bereich der Versorgungsspannungen für unterschiedliche Nennwerte gemäß EN 50155-2017 für Schienenverkehrsanwendungen
Abbildung 1 zeigt auch die ‘standardmäßigen’ 4:1 Eingangsspannungsbereiche der DC/DC-Wandler und verdeutlich, 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 20ms enthält. Bei Systemen mit 110V bedeutet das einen Spitzenwert von 385V 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 160V geklemmt wäre, wäre die in einem Überspannungsbegrenzer abzuleitende Spitzenenergie eine nicht handhabbare Größe von 180kW. Es wurden verschiedene Methoden für den Umgang mit der Überspannung ausgearbeitet. Ein effizienter und von RECOM empfohlener Weg [1] ist es, die Versorgung mit einem Reihen-MOSFET ‘vorzuregeln’ und einen zeitgesteuerten Ausschalter zu ergänzen, so dass die Ableitung im MOSFET dessen Einstufung nicht überschreiten kann, falls die Überspannung weiter besteht. Diese Lösung ist als vorgefertigtes Überspannungs-Begrenzermodul für bis zu 300W kontinuierliche Last erhältlich oder kann mit diskreten Bauelementen eingefügt werden. Abbildung 2.
Abbildung 2: Skizze eines ‘Überspannungsbegrenzers’ für Anwendungen gemäß RIA 12 (Quelle: 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, so dass 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 20ms 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 deren neu übernommener Firma Power Control Systems [2] erfüllt viele Anforderungen für Schienenfahrzeuge mit den EN 50155-zertifizierten Produkten von den SMD- und DIP-24-Bauteilen mit 8W Nennleistung bis hin zu den 240W ‘Brick’-Typen mit extragroßem 12:1 Eingangsspannungsbereich, die alle Sollwerte der Standards erfüllen. Das Unternehmen bietet auch Referenzdesigns an [3], die eine Filterung für die Anforderungen von EN 50155 und RIA 12 umfassen. Bauteile mit AC-Eingang gibt es bis hin zu 10kW Drehstrom, was typisch für Streckenanwendungen ist.
Andere Transportanwendungen in der Industrie können ähnliche Anforderungen wie Schienenfahrzeuge haben
Der große Bereich möglicher Batteriespannungen kann auch bei anderen Anwendungen auftreten, etwa bei elektrischen Gabelstaplern, Hybrid-Fahrzeugen oder USV-Anlagen. Die Nennspannungen der Batterien können von 12 bis 48V reichen, aber Ladespannungen und Überspannungen beim Trennen von Schwerlastmotoren, buchstäblich ‘Lastabwürfen’, können die Höchstspannung in einem 12V-System auf 42V und mehr erhöhen (Abbildung 3). In 48V-Systemen sind die Spannungen dementsprechend höher. Weil aber 60V als maximale ‘sichere’ Spannung definiert ist, können Schaltungen wie die Überspannungsbegrenzung der Abbildung 2 verwendet werden, um die DC/DC-Eingangsspannung unter dem Maximum von 60V zu halten. Bei dieser Sicherheitskleinspannung können DC/DC-Isolationssysteme als ‘funktional’ eingestuft werden und erfordern keine Zertifizierung gemäß höherer behördlicher Einstufung. DC/DC-Wandler mit großem Eingangsspannungsbereich sind erneut eine gute 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.
Abbildung 3: Auftretende Überspannungen bei 12V-Fahrzeuganwendungen (aus LV124)
Versorgungsspannungen für Autos sind gut definiert
In Straßenfahrzeugen sind die Versorgungsspannungen durch die gängige Spezifikation für 12V-Systeme LV124 ziemlich gut definiert, einem 2013 durch deutsche Autohersteller festgelegten Standard. Die in Abbildung 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, kann der Standard ISO 7637-2 auch für transiente hohe Spannungen angewendet werden. Negative Transienten können 2ms lang bis zu -150V zusammen mit positiven Werten wie beispielsweise +150V für 150ns angewendet werden. Negative Impulse entstehen durch das Entladen paralleler induktiver Lasten. Die Transienten haben relativ geringe Energie und können durch LC-Filter und Überspannungsbegrenzer gedämpft werden.
In der Automobilbranche wächst das Interesse an DC-Systemen mit 48V für Hybrid-Fahrzeuge, um die bevorstehende Anforderung zu erfüllen, dass neu zugelassene PKW ab 2021 weniger als 95 g CO2 pro km 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 12V und 48V ermöglicht eine bessere Kraftstoffausnutzung und verminderte Emissionen, weil die 48V-Batterie für mehr Beschleunigung und Leistung für Zubehör wie Öl- und Wasserpumpe sorgt, die beim elektrischen Antrieb effizienter sind.
48V-Systeme haben ähnliche Prozentsätze der Über- und Unterspannungen wie 12V-Systeme, aber die zusätzliche Randbedingung, die Spannung unterhalb der sicheren 60V zu halten, um teure zusätzliche Isolationssysteme zu vermeiden. Der Standard VDA 320 definiert die Spannungswerte (Abbildung 4).
Abbildung 4: Werte der Systemspannungen für 48V-Systeme im Automobilbereich
Falls in diesen Systemen ein modularer DC/DC-Wandler eingesetzt wird, etwa für Anwendungen von Infotainment oder Navigation, kann ein 4:1 Eingangsspannungsbereich (18 - 72V) 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 haben passende Spezifikationen für den Transportsektor
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 von RECOM garantieren durch ihre gründliche Designüberprüfung und Validierung eine lange Lebensdauer und optimale Leistung. Tests umfassen eine vollständige Leistungscharakterisierung, HALT, Temperaturzyklen und Tests bei hohen Temperaturen.
Referenzen
[1] RECOM www.recom-power.com [2] Power Control Systems www.powercontrolsystems.com [3] RIA 12 ‘Surge stopper’ and EMI filter R-REF04-RIA12
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