Stromversorgungen Zuverlässigkeit von Gleichspannungswandlern bewerten

Gleichspannungswandler
Gleichspannungswandler

Spannungswandler werden zunächst nach Ausgangsleistung, Spannung, Strom, Temperaturbereich, EMV und Baugröße ausgewählt. Erst im zweiten Schritt folgen Anschaffungskosten, Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit als Kriterium. Die Auswahl des am besten geeigneten DC/DC-Wandlers ist nicht einfach, aber wer die Zusammenhänge versteht, trifft schneller die richtige Wahl.

Im Bahnbereich sind Nennspannungen von 24 V(DC) bis 110 V(DC) als Speisespannung mit  Toleranzen von ± 40 % nach der Bahnnorm EN 50155 spezifiziert. Das heißt, innerhalb dieses Eingangsspannungsbereiches müssen die DC/DC-Wandler dann über den spezifizierten Temperaturbereich funktionieren und die EMV-Vorgaben einhalten.

Weitere äußere Einflüsse, Feuchte, Betauung, Vibrations- und Schockbelastungen müssen über die gesamte vorgesehene Lebensdauer eingehalten werden. Im Bahnbereich sind dies zwischen 20 und 30 Jahre.

Mit einer täglichen Einsatzdauer von 16 h, ergeben sich über die projektierte Lebensdauer folgende Betriebsstunden:

LebendauerBetriebsstunden
20 a
116.800 h
25 a146.000 h
30 a175.000 h

Über die vom Hersteller eines DC/DC-Wandlers angegebene mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF, Mean Time Between Failure) lässt sich eine statistische Aussage treffen, mit wie vielen Ausfällen innerhalb der angestrebten Lebensdauer zu rechnen ist. Für einen Vergleich zwischen den Angaben unterschiedlicher Hersteller, sind die MTBF-Werte auf eine bestimmte Umgebungstemperatur, meistens + 40 °C zu referenzieren – bei gleicher Belastung.

Ein Beispiel:

Vergleich zweier DC/DC-Wandler mit 500 W Ausgangsleistung für 72 V und 110 V Nennspannung.

DC/DC-Wandler A: MTBF = 250.000 h, DC/DC-Wandler B: MTBF = 500.000 h – jeweils bei einer Umgebungstemperatur von + 40 °C und Nennleistung. Die zu erwartende Überlebenswahrscheinlichkeit R lässt sich nach folgender Formel errechnen: R = e-λt, mit λ = Ausfallrate = 1/MTBF und t = Betriebszeit. Für die Fehlerrate F eines DC/DC-Wandlers gilt: F = 1 – R.

Für eine Betriebsdauer von 10 Jahren, mit 16 Einsatzstunden pro Tag und 365 Tagen/Jahr, ergibt sich somit bei einer MTBF von 250.000 h eine statistische Verfügbarkeit von: R = e-10*365*16/250.000 = 0,7916. Das bedeutet, dass nach 10 Jahren die Wahrscheinlichkeit, dass ein DC/DC-Wandler fehlerfrei funktioniert, bei rund 80 % liegt.

Werden 500 Gleichspannungswandler eingesetzt, so ergeben sich folgende Zahlen für die Überlebenswahrscheinlichkeit und die Anzahl möglicher Ausfälle während der Einsatzzeit:

  DC/DC-Wandler A
 DC/DC-Wandler B
 
Zeit [a]
Einsatz- zeit (h)
Überlebenswahr-scheinlichkeit (R)
Fehler- rate (F)Überlebenswahr- scheinlichkeit (R)Fehler- rate (F)
529.2000,890,110,940,06
1058.4000,790,210,890,11
1587.6000,700,300,840,16
20116.8000,620,380,790,21
25146.000
0,56
0,440,750,25
Tabelle. Die DC/DC-Wandler A mit einer MTBF von 250.000 h haben im Vergleich zu den DC/DC-Wandlern B (MTBF = 500.000 h) ein fast doppelt so hohes Ausfallrisiko.

Für eine projektierte Lebensdauer von 20 Jahren ergibt sich damit folgender Vergleich:

  • DC/DC-Wandler A: in 20 Jahren dürfen 0,38 ´ 500 = 190 Stück ausfallen.
  • DC/DC-Wandler B: in 20 Jahren dürfen 0,21 ´ 500 = 105 Stück ausfallen.

Für eine Bewertung sind nicht nur die reinen Anschaffungskosten, sondern auch die gesamten Lebenszykluskosten  zu beachten, also nicht nur die reinen Gerätestückkosten, sondern auch Sekundärkosten für Fahrzeugausfall, Wartungsaufwand, Kundenunzufriedenheit etc.

Worauf basieren nun die zwei so unterschiedlichen MTBF-Werte von 250.000 h und 500.000 h für DC/DC-Wandler vergleichbarer Leistung? Entscheidende Faktoren hierfür sind die vom jeweiligen Hersteller gewählte Schaltung, samt Dimensionierung und Auslastung der Bauelemente. Je höher der Wirkungsgrad des DC/DC-Wandlers, desto niedriger sind seine Verluste und die Verlustwärme.

Auch spielt die Bauweise und Wärmeableitung eine entscheidende Rolle. Al-Elkos beispielsweise sind die häufigste Ausfallursache. Ihre ohnehin recht kurze Lebensdauer halbiert sich pro 10 K Temperaturerhöhung. Daneben sind die Betriebs- und Umgebungsbedingungen sowie der Herstellprozess als weitere Stressfaktoren zu beachten, die die Lebensdauer reduzieren.

Um attraktive Preise zu erzielen, geht der Trend immer mehr zu sogenannten Weitbereichswandlern - ein Wandlertyp kann an verschiedenen Eingangsspannungen betrieben werden. Es leuchtet sofort ein, dass solche Gleichspannungswandler in höheren Stückzahlen produziert werden können. Damit die Ausfallrate solcher Weitbereichswandler aber nicht steigt, ist darauf zu achten, dass die MTBF nicht sinkt und der Wirkungsgrad auch bei niedrigen Eingangsspannungen gleichhoch bleibt. Um die Leistung konstant zu halten, müssen diese DC/DC-Wandler bei kleinerer Eingangsspannung höhere Eingangsstromstärken verarbeiten. Da die Verlustleistung aber proportional zum Quadrat der Stromstärke steigt, ist ein konstant hoher Wirkungsgrad über einen weiten Eingangsspannungsbereich kein leichtes Unterfangen.

 Eine weitere Herausforderung stellt die richtige Dimensionierung der Sicherung dar. Wer sich schon einmal die Auslösekennlinien solcher Bauelemente angeschaut hat, weiß wovon hier die Rede ist. Zum einen soll eine Sicherung im Fehlerfall schnell den Stromkreis zuverlässig trennen, zum anderen darf dieses Bauteil natürlich nicht zu empfindlich sein und schon beim Einschaltstromstoß auslösen. Bei einem Weitbereichswandler verschärfen sich diese Anforderungen.

Für die anfangs verglichenen 500-W-DC/DC-Wandler ergeben sich die folgenden maximalen Eingangsströme, unter der Annahme eines konstanten Wirkungsgrades von 90 %:

DC/DC-WandlerUE[V]IE [A]
A1105,05
 668,41
B727,71
 43,212,86

Bei einem Weitbereichswandler, der auch an 72 V betrieben werden kann, ist die Spannweite noch weitaus größer: 1,5 x 12,86 A = 19,29 A. Für ihn wird eine 20-A-Sicherung benötigt, die bei kleinen Fehlerströmen noch länger zum Auslösen benötigt. Hier ist dann das Know-how von Schaltungsentwicklern und Sicherungsherstellern gefragt, um Schaltung und Auslösecharakteristik der Sicherung aufeinander anzupassen.

Um eine zuverlässige Stromversorgung zu bekommen ist es also nicht damit getan DC/DC-Wandler von der Stange einzukaufen und einzusetzen. Im Laufe der in der Bahntechnik geforderten 20 bis 30 Betriebsjahre können selbst kleine Störungen zu kostspieligen Überraschungen werden. Eine höhere Qualität ist somit oft preiswerter als ein niedriger Anschaffungspreis.

 

 Wilhelm Spiesz
studierte Elektrotechnik in Karlsruhe und ist seit 2001 als Entwicklungsleiter und Geschäftsführer bei der Grau Elektronik GmbH tätig.
Willi.Spiesz@grau-elektronik.de