Der Bedarf an DC/DC-Wandler mit extra großem Eingangsbereich
24.07.2019
DC/DC-Wandler kommen praktisch überall in Industrie, Medizin und Transportwesen zum Einsatz, von Tests und Messungen mit geringer Leistung bis hin zu Motorsteuerungen mit hoher Leistung.
Drei Hauptgründe erklären den Bedarf an DC/DC-Wandlern:
Die Mehrheit der Industrie-Wandler hat einen Eingangsspannungsbereich von 2:1 oder 4:1 je nach Spezifikation für das minimale bis maximale Eingangsspannungsverhältnis. Beispielsweise kann ein 2:1 Wandler mit nominal 24V im Bereich von 18-36V Gleichspannung arbeiten (das passt zum Spannungsbereich einer 24V Blei-Säure-Batterie vom entladenen Zustand bis zur Spannung des Batterieladegeräts bei offenem Stromkreis), während ein 4:1 Wandler von 9-36V arbeiten kann (dem Spannungsbereich für entweder eine 12V oder eine 24V Blei-Säure-Batterie).
Es gibt nur wenige isolierte Wandler mit einem Eingangsspannungsbereich von mehr als 4:1. Dafür gibt es zwei Gründe: erstens ist bei einer festen Last die Eingangsstromstärke bei der minimalen Eingangsspannung erheblich höher als die Eingangsstromstärke bei der maximalen Eingangsspannung und die Konstruktion einer Eingangsstufe, die sowohl mit der hohen Eingangsspannung an einem Ende des Bereichs als auch mit der hohen Eingangsstromstärke am anderen Ende umgehen kann, ist schwierig. Zweitens nutzen isolierte Wandler üblicherweise eine Steuerung über PWM (Pulsweitenmodulation), um die Ausgangsspannung unabhängig von der Eingangsspannung und Ausgangslast zu regeln, wobei die Modulation nur einen Wirkbereich von 4:1 hat, der durch das Verhältnis zwischen minimaler Ein-Zeit und maximaler Aus-Zeit definiert ist.
Abb. 1: Funktionsprinzip eines DC/DC-Wandlers mit PWM-Steuerung
Der Grund für eine minimale Ein-Zeit ist die Reaktionszeit der Leistungsstufe. Falls die Impulsweite zu stark verringert wird, kann der Leistungsschalttransistor einfach nicht schnell genug reagieren. Außerdem wird jede Schwankung in diesem sehr schmalen Impuls von der Leistungsstufe verstärkt und bewirkt somit eine weniger gut geregelte Ausgangsspannung (wenn beispielsweise ein nur 1ms langer Impuls eine Schwankung von 100µs hat, schwankt die Ausgangsspannung um 10%, selbst wenn Eingangsspannung und Ausgangslast stabil sind). Am anderen Ende des Bereichs kann der Treiber-Transistor bei der minimalen Eingangsspannung nicht die gesamte Zeit eingeschaltet bleiben, sondern muss zumindest mit einer minimalen Aus-Zeit ausgeschaltet werden. Diese Aus-Zeit muss lang genug sein und dem Transformator genügend Zeit geben, um die auf der Primärseite gespeicherte Energie zur Sekundärseite zu übertragen. Die dem Magnetkern gewährte Zeit zur Erholung muss länger sein als die Ein-Zeit, um eine Sättigung des Kerns zu vermeiden, was praktisch zu einem maximalen Impulstastverhältnis von etwa 45% führt. Das bedeutet, dass die PWM-Steuerung üblicherweise nur von 5% bis 45% des theoretischen Bereichs arbeitet. Diese Beschränkungen des Impulsweitenverhältnisses (minimale Ein-Zeit, minimale Aus-Zeit und ein Arbeitsbereich, der nur 40% der Zykluszeit nutzt) bedeuten, dass die PWM-Steuerung nicht über deutlich mehr als ein Eingangsspannungsverhältnis von 4:1 arbeiten kann, um dabei präzise über alle Bedingungen von Last, Eingangsspannung und Betriebstemperatur zu regeln.
Die Standard-Eingangsspannungsbereiche von industriellen DC/DC-Wandlern wurden ursprünglich von der Telekommunikationsbranche definiert (auf Grundlage von batteriebasierten Versorgungen mit 12V, 24V oder 48V DC Nennspannung einschließlich der Leerlauf-Ausgangsspannungen der damals verwendeten primitiven Ladegeräte). Anwendungen für Schienenfahrzeuge verwenden jedoch auch die höheren Batteriespannungen 72V, 96V oder 110V DC; ein Bereich, der mit einem einzelnen DC/DC-Wandler mit 110V DC Eingang und einem 4:1 Eingangsspannungsverhältnis abgedeckt werden kann, das von 40-160V DC reicht. Die am weitesten verbreitete Versorgungsspannung an Bord von Eisenbahnen ist 110V DC, aber Kleinbahnen und Straßenbahnen verwenden häufig geringere Batteriespannungen von 24V oder 48V DC. In der Schweiz sind 36V DC für Bergbahnen gebräuchlich.
Die neueste Ausgabe des Standards EN50155 für Elektronische Einrichtungen auf Schienenfahrzeugen enthält auch die Optionen 28V und 36V:
Abb. 2: DC-Eingangsspannungsbereich inklusive Transienten gemäß EN50155:2017
Das Problem mit dem Eingangsspannungsbereich des Standards EN50155 sowie den herkömmlichen Spezifikationen für die DC/DC-Eingangsspannung ist sofort ersichtlich. Traditionell würden drei DC/DC-Wandler (nominal 24V, 48V und 110V) alle standardisierten Versorgungsspannungen für Schienenfahrzeuge inklusive Transienten abdecken, aber die Ergänzung einer Batteriespannungsoption von 28V unterbricht dieses Muster. Die minimale Versorgungsspannung eines 28V-Systems liegt im Eingangsspannungsbereich eines 24V DC/DC-Wandlers, aber die maximale Versorgungsspannung ist zu hoch. Die maximale Ausgangsspannung bei 28V liegt im Bereich eines 48V DC/DC-Wandlers, aber das Minimum ist zu niedrig. Keiner passt!
Diese Zwickmühle hat zwei mögliche Lösungen: ein zusätzlicher DC/DC-Wandler mit 36V Nennspannung, so dass vier verschiedene Wandler erforderlich sind, um alle Optionen der Eingangsspannung abzudecken, oder die Konstruktion eines 10:1 Wandlers, der alle möglichen Fällen in einem Wandler abdeckt.
An dieser Stelle mag man denken, “Halt! Anfangs hieß es, 4:1 ist die Grenze und nun wird eine Lösung mit 10:1 vorgeschlagen!” Gut, es gibt keinen Ausweg aus dem 4:1 Problem des Eingangsspannungsbereiches, aber man kann zwei Wandler in einer Konstruktion kombinieren: eine Boost-Stufe für geringe Eingangsspannungen gefolgt von einem isolierten Wandler mit höherer Eingangsspannung.
Ein Aufwärtswandler verwendet eine Induktivität und eine Diode mit einem Leistungstransistor, der über ein PWM-Steuersignal geschaltet ist. Immer beim Einschalten des Transistors liegt die volle Eingangsspannung über der Induktivität an und der Stromfluss steigt an. Die Diode hindert den Transistor am Kurzschließen des Ausgangs. Wenn der Transistor ausgeschaltet wird, erscheint die in der Induktivität gespeicherte Energie als eine Spannung darüber. Da eine Seite der Induktivität weiterhin an Vin+ angeschlossen ist, ergibt sich die Ausgangsspannung als Eingangsspannung plus Induktorspannung. Jetzt leitet die Diode und lädt den Ausgangskondensator auf eine höhere Spannung als den Eingang. Durch ein geändertes PWM-Verhältnis kann die Ausgangsspannung auf einen gleichbleibend höheren Wert als die Eingangsspannung geregelt werden. Das Eingangs-/Ausgangs-Verhältnis eines Aufwärtswandlers ist nicht auf 4:1 beschränkt, da der volle Bereich der PWM-Steuerung genutzt werden kann (5% bis 100% Arbeitszyklus). Die wesentliche Beschränkung ist die sehr hohe Eingangsstromstärke. Wenn ein Aufwärtswandler zum Erhöhen einer 12V-Versorgung auf 48V verwendet wird, ist die Eingangsstromstärke mehr als viermal so hoch wie die Ausgangsstromstärke. Falls die Eingangsspannung auf 8V fällt, steigt die Eingangsstromstärke auf mehr als das Sechsfache der Ausgangsstromstärke. Daher ist es unerlässlich, dass Aufwärtswandler mit einer Abschaltsperre bei Unterspannung versehen sind, welche den Schalttransistor abschaltet, falls die Eingangsspannung zu gering wird, um ein Durchbrennen der Induktivität oder des Schalttransistors zu verhindern.
Ein großer Vorteil der Topologie eines Aufwärtswandlers ist es, dass der Leistungstransistor stets ausgeschaltet ist und die Eingangsspannung abzüglich des Spannungsabfalls an der Diode direkt durchfließt, sofern die Eingangsspannung höher als die geforderte Ausgangsspannung ist (Abb. 3).
Abb. 3: Topologie des Aufwärtswandlers. Die Ausgangsspannung folgt der Eingangsspannung, wenn Vin>Vout.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Aufwärtswandler-Stufe nicht isoliert werden muss, so dass es keine Transformatorenverluste gibt. Daher können mit Aufwärtswandlern Wirkungsgrade von über 90% realisiert werden. Der Eingangsspannungsbereich der Kombination aus Aufwärtswandler + DC-DC-Wandler ist nun nicht mehr auf 4:1 beschränkt, sondern kann 8:1 (2:1 gefolgt von 4:1), 10:1 (2,5:1 gefolgt von 4:1) oder sogar 12:1 (3:1 gefolgt von 4:1) erreichen.
Abb. 4: Blockschaltbild eines DC/DC-Wandlers mit 10:1 Eingangsspannungsbereich. Nach der nicht isolierten Vorverstärkerstufe folgt ein herkömmlicher isolierter DC/DC-Wandler.
Die zwischengeschaltete Bus-Spannung des oben gezeigten Wandlers ist auf 72V eingestellt. Das ermöglicht das Anbringen zusätzlicher externer Kondensatoren, um die Zeit für Leistungsunterbrechung oder Versorgungsübernahme zu verlängern. Da die in einem Kondensator gespeicherte Energie proportional zum Quadrat der Spannung ist, ermöglicht die hohe Boost-Spannung die Verwendung neunmal kleinerer Kondensatoren im Vergleich zu einer Versorgung mit 24V, ohne die Überbrückungszeit zu beeinträchtigen.
RECOM bietet vier verschiedene DC/DC-Wandler-Komplettlösungen mit ultragroßem Eingangsbereich an, die auf diesem Prinzip basieren und Eingangsspannungsverhältnisse von 10:1 oder 12:1 sowie Ausgangsleistungen von 40W bis zu 200W bieten:
Jede Wandler-Baureihe kann mit Versorgungsnennspannungen von 24V, 28V, 36V, 48V, 72V, 96V oder 110V DC einschließlich der Über- und Unterspannungs-Transienten gemäß Standard EN50155 betrieben werden. Die Wandler haben einen konsistenten Wirkungsgrad über den gesamten Eingangsspannungsbereich, so dass für alle möglichen Schienenfahrzeug-Versorgungsspannungen nur ein Produkt erforderlich ist, was Logistik und Dokumentation vereinfacht und Kosten für technischen Support bei der endgültigen Installation verringert. Zudem kann die gleiche Stromversorgung für Schnellzüge, Kleinbahnen oder kombinierte Straße-Schiene-Anwendungen eingesetzt werden, was die Kosten für Entwicklung und Produktion senkt.
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References
1, Please refer to the DC/DC Book of Knowledge,
RECOM: We Power your Products
- Zum Anpassen inkompatibler Lastspannungen an Versorgungsspannungen (um beispielsweise eine 3,3V DC Mikroprozessor-Platine aus einer Quelle mit 110V DC zu versorgen oder um eine 48V-Batterie aus einer 12V-Quelle zu laden)
- Zum Isolieren des Ausgangs vom Eingang (um beispielsweise eine galvanisch getrennte Versorgung zu realisieren und damit einen Patienten vor gefährlichen Spannungen zu schützen oder um Erdschleifen zu trennen)
- Zum Fehlerschutz (geregelte DC/DC-Wandler können einem dauerhaften Kurzschluss auf der Ausgangsseite standhalten).
Die Mehrheit der Industrie-Wandler hat einen Eingangsspannungsbereich von 2:1 oder 4:1 je nach Spezifikation für das minimale bis maximale Eingangsspannungsverhältnis. Beispielsweise kann ein 2:1 Wandler mit nominal 24V im Bereich von 18-36V Gleichspannung arbeiten (das passt zum Spannungsbereich einer 24V Blei-Säure-Batterie vom entladenen Zustand bis zur Spannung des Batterieladegeräts bei offenem Stromkreis), während ein 4:1 Wandler von 9-36V arbeiten kann (dem Spannungsbereich für entweder eine 12V oder eine 24V Blei-Säure-Batterie).
Es gibt nur wenige isolierte Wandler mit einem Eingangsspannungsbereich von mehr als 4:1. Dafür gibt es zwei Gründe: erstens ist bei einer festen Last die Eingangsstromstärke bei der minimalen Eingangsspannung erheblich höher als die Eingangsstromstärke bei der maximalen Eingangsspannung und die Konstruktion einer Eingangsstufe, die sowohl mit der hohen Eingangsspannung an einem Ende des Bereichs als auch mit der hohen Eingangsstromstärke am anderen Ende umgehen kann, ist schwierig. Zweitens nutzen isolierte Wandler üblicherweise eine Steuerung über PWM (Pulsweitenmodulation), um die Ausgangsspannung unabhängig von der Eingangsspannung und Ausgangslast zu regeln, wobei die Modulation nur einen Wirkbereich von 4:1 hat, der durch das Verhältnis zwischen minimaler Ein-Zeit und maximaler Aus-Zeit definiert ist.
Abb. 1: Funktionsprinzip eines DC/DC-Wandlers mit PWM-Steuerung
Der Grund für eine minimale Ein-Zeit ist die Reaktionszeit der Leistungsstufe. Falls die Impulsweite zu stark verringert wird, kann der Leistungsschalttransistor einfach nicht schnell genug reagieren. Außerdem wird jede Schwankung in diesem sehr schmalen Impuls von der Leistungsstufe verstärkt und bewirkt somit eine weniger gut geregelte Ausgangsspannung (wenn beispielsweise ein nur 1ms langer Impuls eine Schwankung von 100µs hat, schwankt die Ausgangsspannung um 10%, selbst wenn Eingangsspannung und Ausgangslast stabil sind). Am anderen Ende des Bereichs kann der Treiber-Transistor bei der minimalen Eingangsspannung nicht die gesamte Zeit eingeschaltet bleiben, sondern muss zumindest mit einer minimalen Aus-Zeit ausgeschaltet werden. Diese Aus-Zeit muss lang genug sein und dem Transformator genügend Zeit geben, um die auf der Primärseite gespeicherte Energie zur Sekundärseite zu übertragen. Die dem Magnetkern gewährte Zeit zur Erholung muss länger sein als die Ein-Zeit, um eine Sättigung des Kerns zu vermeiden, was praktisch zu einem maximalen Impulstastverhältnis von etwa 45% führt. Das bedeutet, dass die PWM-Steuerung üblicherweise nur von 5% bis 45% des theoretischen Bereichs arbeitet. Diese Beschränkungen des Impulsweitenverhältnisses (minimale Ein-Zeit, minimale Aus-Zeit und ein Arbeitsbereich, der nur 40% der Zykluszeit nutzt) bedeuten, dass die PWM-Steuerung nicht über deutlich mehr als ein Eingangsspannungsverhältnis von 4:1 arbeiten kann, um dabei präzise über alle Bedingungen von Last, Eingangsspannung und Betriebstemperatur zu regeln.
Die Standard-Eingangsspannungsbereiche von industriellen DC/DC-Wandlern wurden ursprünglich von der Telekommunikationsbranche definiert (auf Grundlage von batteriebasierten Versorgungen mit 12V, 24V oder 48V DC Nennspannung einschließlich der Leerlauf-Ausgangsspannungen der damals verwendeten primitiven Ladegeräte). Anwendungen für Schienenfahrzeuge verwenden jedoch auch die höheren Batteriespannungen 72V, 96V oder 110V DC; ein Bereich, der mit einem einzelnen DC/DC-Wandler mit 110V DC Eingang und einem 4:1 Eingangsspannungsverhältnis abgedeckt werden kann, das von 40-160V DC reicht. Die am weitesten verbreitete Versorgungsspannung an Bord von Eisenbahnen ist 110V DC, aber Kleinbahnen und Straßenbahnen verwenden häufig geringere Batteriespannungen von 24V oder 48V DC. In der Schweiz sind 36V DC für Bergbahnen gebräuchlich.
Die neueste Ausgabe des Standards EN50155 für Elektronische Einrichtungen auf Schienenfahrzeugen enthält auch die Optionen 28V und 36V:
Abb. 2: DC-Eingangsspannungsbereich inklusive Transienten gemäß EN50155:2017
Das Problem mit dem Eingangsspannungsbereich des Standards EN50155 sowie den herkömmlichen Spezifikationen für die DC/DC-Eingangsspannung ist sofort ersichtlich. Traditionell würden drei DC/DC-Wandler (nominal 24V, 48V und 110V) alle standardisierten Versorgungsspannungen für Schienenfahrzeuge inklusive Transienten abdecken, aber die Ergänzung einer Batteriespannungsoption von 28V unterbricht dieses Muster. Die minimale Versorgungsspannung eines 28V-Systems liegt im Eingangsspannungsbereich eines 24V DC/DC-Wandlers, aber die maximale Versorgungsspannung ist zu hoch. Die maximale Ausgangsspannung bei 28V liegt im Bereich eines 48V DC/DC-Wandlers, aber das Minimum ist zu niedrig. Keiner passt!
Diese Zwickmühle hat zwei mögliche Lösungen: ein zusätzlicher DC/DC-Wandler mit 36V Nennspannung, so dass vier verschiedene Wandler erforderlich sind, um alle Optionen der Eingangsspannung abzudecken, oder die Konstruktion eines 10:1 Wandlers, der alle möglichen Fällen in einem Wandler abdeckt.
An dieser Stelle mag man denken, “Halt! Anfangs hieß es, 4:1 ist die Grenze und nun wird eine Lösung mit 10:1 vorgeschlagen!” Gut, es gibt keinen Ausweg aus dem 4:1 Problem des Eingangsspannungsbereiches, aber man kann zwei Wandler in einer Konstruktion kombinieren: eine Boost-Stufe für geringe Eingangsspannungen gefolgt von einem isolierten Wandler mit höherer Eingangsspannung.
Ein Aufwärtswandler verwendet eine Induktivität und eine Diode mit einem Leistungstransistor, der über ein PWM-Steuersignal geschaltet ist. Immer beim Einschalten des Transistors liegt die volle Eingangsspannung über der Induktivität an und der Stromfluss steigt an. Die Diode hindert den Transistor am Kurzschließen des Ausgangs. Wenn der Transistor ausgeschaltet wird, erscheint die in der Induktivität gespeicherte Energie als eine Spannung darüber. Da eine Seite der Induktivität weiterhin an Vin+ angeschlossen ist, ergibt sich die Ausgangsspannung als Eingangsspannung plus Induktorspannung. Jetzt leitet die Diode und lädt den Ausgangskondensator auf eine höhere Spannung als den Eingang. Durch ein geändertes PWM-Verhältnis kann die Ausgangsspannung auf einen gleichbleibend höheren Wert als die Eingangsspannung geregelt werden. Das Eingangs-/Ausgangs-Verhältnis eines Aufwärtswandlers ist nicht auf 4:1 beschränkt, da der volle Bereich der PWM-Steuerung genutzt werden kann (5% bis 100% Arbeitszyklus). Die wesentliche Beschränkung ist die sehr hohe Eingangsstromstärke. Wenn ein Aufwärtswandler zum Erhöhen einer 12V-Versorgung auf 48V verwendet wird, ist die Eingangsstromstärke mehr als viermal so hoch wie die Ausgangsstromstärke. Falls die Eingangsspannung auf 8V fällt, steigt die Eingangsstromstärke auf mehr als das Sechsfache der Ausgangsstromstärke. Daher ist es unerlässlich, dass Aufwärtswandler mit einer Abschaltsperre bei Unterspannung versehen sind, welche den Schalttransistor abschaltet, falls die Eingangsspannung zu gering wird, um ein Durchbrennen der Induktivität oder des Schalttransistors zu verhindern.
Ein großer Vorteil der Topologie eines Aufwärtswandlers ist es, dass der Leistungstransistor stets ausgeschaltet ist und die Eingangsspannung abzüglich des Spannungsabfalls an der Diode direkt durchfließt, sofern die Eingangsspannung höher als die geforderte Ausgangsspannung ist (Abb. 3).
Abb. 3: Topologie des Aufwärtswandlers. Die Ausgangsspannung folgt der Eingangsspannung, wenn Vin>Vout.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Aufwärtswandler-Stufe nicht isoliert werden muss, so dass es keine Transformatorenverluste gibt. Daher können mit Aufwärtswandlern Wirkungsgrade von über 90% realisiert werden. Der Eingangsspannungsbereich der Kombination aus Aufwärtswandler + DC-DC-Wandler ist nun nicht mehr auf 4:1 beschränkt, sondern kann 8:1 (2:1 gefolgt von 4:1), 10:1 (2,5:1 gefolgt von 4:1) oder sogar 12:1 (3:1 gefolgt von 4:1) erreichen.
Abb. 4: Blockschaltbild eines DC/DC-Wandlers mit 10:1 Eingangsspannungsbereich. Nach der nicht isolierten Vorverstärkerstufe folgt ein herkömmlicher isolierter DC/DC-Wandler.
Die zwischengeschaltete Bus-Spannung des oben gezeigten Wandlers ist auf 72V eingestellt. Das ermöglicht das Anbringen zusätzlicher externer Kondensatoren, um die Zeit für Leistungsunterbrechung oder Versorgungsübernahme zu verlängern. Da die in einem Kondensator gespeicherte Energie proportional zum Quadrat der Spannung ist, ermöglicht die hohe Boost-Spannung die Verwendung neunmal kleinerer Kondensatoren im Vergleich zu einer Versorgung mit 24V, ohne die Überbrückungszeit zu beeinträchtigen.
RECOM bietet vier verschiedene DC/DC-Wandler-Komplettlösungen mit ultragroßem Eingangsbereich an, die auf diesem Prinzip basieren und Eingangsspannungsverhältnisse von 10:1 oder 12:1 sowie Ausgangsleistungen von 40W bis zu 200W bieten:
Jede Wandler-Baureihe kann mit Versorgungsnennspannungen von 24V, 28V, 36V, 48V, 72V, 96V oder 110V DC einschließlich der Über- und Unterspannungs-Transienten gemäß Standard EN50155 betrieben werden. Die Wandler haben einen konsistenten Wirkungsgrad über den gesamten Eingangsspannungsbereich, so dass für alle möglichen Schienenfahrzeug-Versorgungsspannungen nur ein Produkt erforderlich ist, was Logistik und Dokumentation vereinfacht und Kosten für technischen Support bei der endgültigen Installation verringert. Zudem kann die gleiche Stromversorgung für Schnellzüge, Kleinbahnen oder kombinierte Straße-Schiene-Anwendungen eingesetzt werden, was die Kosten für Entwicklung und Produktion senkt.
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References
1, Please refer to the DC/DC Book of Knowledge,
RECOM: We Power your Products
Anwendungen
