DC/DC-Wandler in Transportanwendungen

DC/DC-Wandler für Schienenfahrzeuge müssen häufig auch schnelle transiente Überspannungen vertragen, wie sie in der Normenreihe EN 61000-4-x definiert sind. Diese sind relativ energiearm, sodass einfache LC-Filter und Transientenunterdrücker 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 in der Regel einen externen Überbrückungskondensator.

Ausrüstung für Schienenfahrzeuge unterliegt auch stärkeren Stößen und Schwingungen als in den meisten anderen Anwendungen üblich. Der Standard EN 61373 definiert die Belastungsgrößen für verschiedene Bereiche – von Kategorie 3 (achsenmontiert) bis Kategorie 1 (am Fahrzeug montiert). In allen diesen Fällen erfordert die Konstruktion des Wandlers eine erhöhte Widerstandsfähigkeit, etwa durch konforme Beschichtung offener Leiterplatten und häufig auch durch eine Verkapselung zur Minimierung mechanischer Beanspruchung und zum Schutz vor Feuchtigkeit.

Die Produktpalette der DC/DC-Wandler von RECOM erfüllt viele Anforderungen für Schienenfahrzeuge – mit EN 50155-zertifizierten Produkten von SMD- und DIP24-Bauteilen mit 8W Nennleistung bis hin zu 240W-Brick-Typen mit extragroßem 12:1-Eingangsspannungsbereich, die alle Sollwerte der Norm abdecken. Das Unternehmen bietet außerdem Referenzdesigns an, die eine Filterung gemäß EN 50155 und RIA 12 beinhalten. Bauteile mit AC-Eingang sind bis 10kW Drehstrom erhältlich, wie er typischerweise in Streckenanwendungen verwendet wird.

In Straßenfahrzeugen sind die Versorgungsspannungen durch die gängige Spezifikation für 12V-Systeme LV124 klar definiert, einem 2013 von deutschen Autoherstellern festgelegten Standard. Die in Abbildung 3 gezeigten Spannungen sind typisch und erfordern Wandler, die mit einem Eingangsspannungsbereich von 4:1 arbeiten können. Obwohl verschiedene Hersteller eigene Interpretationen und Anforderungen haben, kann auch der Standard ISO 7637-2 für transiente hohe Spannungen angewendet werden. Negative Transienten können bis zu 2ms lang bei -150V auftreten, während positive Werte wie +150V für 150ns möglich sind. Solche negativen Impulse entstehen durch das Entladen paralleler induktiver Lasten. Die Transienten besitzen relativ geringe Energie und lassen sich mit LC-Filtern und Überspannungsbegrenzern wirksam dämpfen.

In der Automobilbranche wächst das Interesse an DC-Systemen mit 48V für Hybridfahrzeuge, um die Anforderung zu erfüllen, dass neu zugelassene Pkw ab 2021 weniger als 95g CO₂ pro km emittieren dürfen. Eine vollständige Umstellung des Marktes auf vollelektrische Fahrzeuge wird bis dahin nicht realisierbar sein, weshalb Hybridfahrzeuge die praktikable Lösung für größere Fahrzeuge darstellen. Ein System mit Versorgungsspannungen von 12V und 48V ermöglicht eine bessere Kraftstoffausnutzung und geringere Emissionen, da die 48V-Batterie zusätzliche Beschleunigung liefert und Nebenaggregate wie Öl- und Wasserpumpe versorgt, die im elektrischen Betrieb effizienter arbeiten.

48V-Systeme weisen ähnliche Über- und Unterspannungsprozentsätze auf wie 12V-Systeme, unterliegen jedoch zusätzlich der Randbedingung, die Spannung unterhalb der sicheren Grenze von 60V zu halten, um kostenintensive zusätzliche Isolationssysteme zu vermeiden. Der Standard VDA 320 definiert die entsprechenden Spannungswerte (Abbildung 4).

Wird in solchen Systemen ein modularer DC/DC-Wandler eingesetzt, etwa für Infotainment- oder Navigationsanwendungen, kann ein Eingangsspannungsbereich von 4:1 (18 bis 72V) ausreichend sein. Das Bauelement muss jedoch trotzdem den Anforderungen in Bezug auf Stoß- und Schwingungsfestigkeit entsprechen und auch bei großen Temperaturschwankungen zwischen einem geparkten Fahrzeug unter arktischen Bedingungen und Hitze in tropischen Regionen zuverlässig funktionieren.