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

Mobile Umgebungen gehören zu den schwierigsten für elektronische Geräte. 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. Insbesondere bei Schienenfahrzeugen wird die Automatisierung zunehmend zur Steigerung von Sicherheit und Effizienz sowie für Komfortfunktionen wie Datenkonnektivität und intelligente Beschilderung eingesetzt. All dies muss in der typischen Bahnumgebung mit hoher Verschmutzung, Schock und Vibrationen zuverlässig funktionieren, wobei die Stromversorgung zumeist über die traditionelle DC-Stromschiene mit 110 VDC Nennspannung erfolgt, mit einigen globalen Abweichungen bis hinunter zu 24 VDC. Die Bahn-Norm, die typischerweise Anwendung findet, ist die EN 50155, derzeit in der Fassung vom Juli 2021, die die elektrische und physikalische Umgebung, technische Konstruktionsmerkmale, Zuverlässigkeit, Wartung, Lebensdauer, Dokumentation und Prüfung definiert.

Die Stromversorgungsmodule, die die DC-Versorgung in eine stabile Ausgangsspannung 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 wirklich „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 erforderlich, zusammen mit einer Überbrückungszeit von mindestens 10ms durch externe Kondensatoren, um die Spezifikation für die Versorgungsunterbrechung zu erfüllen.

Ein typisches Standard-Leistungsmodul verfügt über einen geringen oder gar keinen internen Hold-up-Energiespeicher. Wenn dieser 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/DC-Wandler haben auch begrenzte Isolationsspannungsfestigkeiten, „Funktional“ oder bestenfalls „Basisisolation“, aber in der Bahnanwendung wird von den Systementwicklern typischerweise eine „verstärkte Isolation“ mit 3kVAC gefordert.

Wenn ein universeller Open-Frame-DC/DC-Wandler gefunden werden könnte, der die elektrischen Spezifikationen erfüllt, wäre er vielleicht kompakt für hohe Ausgangsleistungen, würde aber Zwangsluftkühlung benötigen, um dies zu erreichen. In Bahnanwendungen sind Lüfter aufgrund von Wartungs-, Geräusch- und Lebensdauerproblemen nicht erwünscht, so dass Konvektionskühlung mit einer Grundplatte bevorzugt wird, um eine verfügbare „cold wall“ zu nutzen. In der Praxis geben DC/DC-Wandler in grundplattengekühlten Brick-Formaten die gesamte Wärme an die „cold wall“ ab, benötigen dann aber die erwähnten umfangreichen externen Schaltungen und Verbindungen.