„Ready to use” DC/DCs für Mobilitäts- und Bahnanwendungen finden

Von allen Umgebungen für elektronische Geräte sind die mobilen wohl die schwierigsten. Es handelt sich jedoch um einen wachsenden Markt in allen Sektoren, von der Bahntechnik bis zur Fördertechnik, von E-Fahrzeugen bis zu E-Scootern und vielem mehr. Bei Schienenfahrzeugen ist neben den fahrtechnischen Systemen und den Steuerungssystemen der Fahrgastkomfort parallel genauso im Fokus. Es ist Ziel, die Sicherheit und Effizienz zu erhöhen und Komfortfunktionen wie Datenkonnektivität und intelligente Fahrgastinformationen zu verbessern. All dies muss in der typischen Bahnumgebung mit hoher Verschmutzung, Schock/Vibrationen und unter sehr hohen und auch stark schwankenden Temperaturen zuverlässig funktionieren, wobei die Stromversorgung oft über die DC-Schiene mit 110 VDC oder 72V Nennspannung mit einigen globalen Abweichungen bis hinunter zu 36V oder 24VDC erfolgt. Es gilt die Norm EN 50155, derzeit in der Fassung vom Juli 2021, die nicht nur die elektrische und physikalische Umgebung, sondern auch technische Konstruktionsmerkmale, Zuverlässigkeit, Wartung, Lebensdauer, Dokumentation und Prüfung definiert.

Schienenversorgungsspannungen variieren stark

Die Stromversorgungsmodule, die die DC-Versorgung in eine saubere Schiene für die empfindliche Elektronik umwandeln, müssen nicht nur die Umwelt-, Isolations- und EMV-Spezifikationen erfüllen, sondern auch mit starken Schwankungen der Eingangsspannung zurechtkommen, die auch überlagerte Überspannungen, Einbrüche und Ausfälle aufweist. Abbildung 1 zeigt die in der Norm EN 50155 definierten Werte, die keine Auswirkungen auf die Leistung haben.


Die Versorgung kann, wie in Abbildung 1 dargestellt, für bestimmte Zeiträume, die in den Klassen S1, S2 und S3 definiert sind (Abbildung 2), auf Null sinken. S2 ist die Standardanforderung, und wie bereits erwähnt, müssen Unterbrechungen bis zu 10ms das Leistungskriterium A und über 10ms das Kriterium C erfüllen.

Das Leistungskriterium A' bedeutet, dass es keine Auswirkungen auf die Funktion der Stromversorgung gibt, das Kriterium B bedeutet, dass die Funktion während des Spannungseinbruchseingeschränkt ist, danach aber wieder normal zur Verfügung steht. Das Kriterium C bedeutet, dass ein Funktionsverlust zulässig ist, obwohl das Bauteil in der Lage sein muss, sich automatisch oder manuell zurückzusetzen. Die Auswirkungen von Unterbrechungen werden ausgehend von der Nennspannung der Versorgung geprüft.


Es gibt verschiedene Orte, an denen Module in einer Bahnanwendung, von relativ unbedenklichen Fahrgasträumen bis hin zu heißen Geräteschränken oder im Maschinenraum, eingebaut werden können. In der Norm EN 50155 sind Betriebstemperaturklassen festgelegt, die dies widerspiegeln: OT1 bis OT6 (Abbildung 3), wobei OT3 die Standardklasse ist, wenn nicht anders angegeben. Die Klassen OT5 und 6 werden nur in Ausnahmefällen verwendet.

Die Norm definiert auch, dass Geräte möglicherweise bei einer höheren als der „normalen“ Temperatur eingeschaltet werden müssen, bevor die niedrigere Dauertemperatur erreicht wird oder, dass während des Betriebs Übertemperaturen auftreten können. Diese Bedingungen werden in drei Klassen von Einschalttemperaturen ST0, ST1 und ST2 definiert (Abbildung 4), wobei ST1 die Standardeinstellung ist und ST1 und ST2 nicht für OT5 und OT6 gelten.

Der Zeitpunkt und die Geschwindigkeit der Temperaturänderung für jede Klasse sind in der Norm in Abschnitt 13.4.5 als Trockenhitze-Thermozyklustests A, B bzw. C definiert.

Auf der Suche nach einem „ready to use” DC/DC-Wandler für Bahnanwendungen

Es ist keine Überraschung, dass es nicht trivial ist, einen DC/DC-Wandler zu finden, der diese Spezifikationen erfüllt und für eine Bahnanwendung „ready to use” ist. Während ein Allzweck-DC/DC-Wandler mit einem weiten Eingangsbereich die „normalen“ Eingangsspannungsschwankungen im Bahnbereich abdecken kann, sind in der Praxis zur Erfüllung aller Anforderungen der EN 50155 unter Umständen erhebliche zusätzliche externe Schaltungen erforderlich. So sind z. B. ein Verpolungsschutz am Eingang und eine Einschaltstrombegrenzung sowie eine Überbrückungszeit von mindestens 10ms durch externe Kondensatoren erforderlich, um die Spezifikation für die Versorgungsunterbrechung zu erfüllen.

Ein typischer Standard-DC/DC-Wandler verfügt über einen geringen oder gar keinen internen Hold-up-Energiespeicher. Wenn er also extern bereitgestellt wird, muss der erforderliche Kondensator für die höchste Eingangsspannung ausgelegt sein und eine Kapazität aufweisen, die die erforderliche Überbrückungszeit ab dem niedrigsten Nenneingang bei Nennausgangsleistung gewährleistet. Dies kann dazu führen, dass das Bauteil groß und unpraktisch zu montieren ist und einen großen unkontrollierten Einschaltstrom verursachen kann. Die meisten DC/DCs haben auch begrenzte Isolationsspannungswerte, „Functional” oder „Basic”, aber in der Breite der Bahnanwendung wird von den Systementwicklern typischerweise „Reinforced” mit 3kVAC Isolationsspannung mit entsprechend hoher Luft-/Kriechstrecken gefordert.

Angenommen es würde eine kompakte open-frame DC-Stromversorgung geben, die die entsprechenden elektrischen Spezifikationen erfüllt, diese aber eine Zwangsbelüftung erfordert, um eine hohe Ausgangsleistung zu erzielen. In der Schienenanwendung sind Lüfter aufgrund von Wartungs-, Geräusch- und Lebensdauerproblemen nicht erwünscht, so dass reine natürliche Konvektion ohne zusätzliche Kühlkörper bei einfacher Chassis Montage auf einer Grundplatte bevorzugt wird, um die Vorteile einer verfügbaren „cold wall“ zu nutzen. DC/DCs in Brick-Formaten benötigen zwingend Kühlkörper, um gesamte Verlustleistungswärme abgeben zu können, erfordern dann aber die erwähnten umfangreichen externen Schaltungen und Verbindungen.

Eine Lösung

Die RMD-Familien sind „BEST-IN-CLASS“ DC/DC-Wandler, die explizit für die Anforderungen der EN 50155 entwickelt wurden. Der ultraweite Eingangsbereich deckt alle Batterie-Nennwerte, Überspannungen, Einbrüche und 10ms Netzausfall ab. Die „ready-to-use“ RMD-Baureihe (Abbildung 5) von RECOM ist beispielsweise mit einer Leistung von 40W, 75W, 150W, 300W und 500W erhältlich und kann auf Grund der exzellenten Wirkungsgrade bis >96% ohne zusätzliche Kühlkörper und unter Vollast, ohne Leistungsreduzierung und in jeder Einbaulage in den Temperaturklassen OT4 und ST2 von -40°C bis +85°C Umgebungstemperatur eingesetzt werden.

Die Leistungs-Anschlüsse erfolgen über Cage-Klemmen für eine bequeme Installation. Der Eingangsbereich für die Modelle 40W, 75W, 150W und 300W beträgt 16,8VDC bis 137,5VDC (14,4VDC bis 154VDC für 100ms bzw. 1 Sekunde Dieser 12:1-Bereich deckt die Extremwerte von 1,4 x Vnom bei 110VDC Nenneingang und 0,6 x Vnom bei 24VDC Eingang ab, während das 500W-Modell über 50,4VDC bis 137,5VDC (170VDC/3 Sekunden) für 72VDC und 110VDC Nenneingänge arbeitet. Alle Modelle verfügen über einen Single 24VDC-Ausgang (andere Ausgangsspannungen bis 110V sind möglich).

ORing Dioden für redundanten und verlustarmen Parallelbetrieb, Eingangsverpolungsschutz, Einschaltstrombegrenzung, 10ms Überbrückungszeit, Remote AN-AUS-Bedienung und Power Good Signal mit potentialfreiem Wechselkontakt sind integriert. Die Produkte halten alle EN50155-Vorgaben ein, EMV der EN 50121-3-2, Isolationskoordination nach EN50124 (OVC3/PD2), Umgebungsbedigungen/Temperatur nach EN50125, Schock/Vibration nach EN 61373 1B und die EN45545-2 Brandschutznorm (HL3).