„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.

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.

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.