Schwerpunkte

DC/DC-Leistungswandlung

Stromversorgung, die bewegt

05. April 2019, 08:00 Uhr   |  Von Peter Kokot


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Stromversorgungen in der Bahntechnik

Anders als im Automotive-Bereich gibt es bei Bahnanwendungen keine zentral festgelegte Transienten- und Überspannungsbegrenzung, sodass die Elektronik auf Systemebene oft extrem hohen Belastungen standhalten muss. Der allgemein angewendete Standard ist die EN 50155, obwohl auch die britischen Standards RIA12 und RIA13 manchmal noch anzutreffen sind. Eine zusätzliche Anforderung gegenüber dem Automotive-Bereich besteht darin, dass die Ausrüstung regelmäßigen Spannungsaussetzern am Eingang standhält, die in Anwendungen der Klasse S3 bis zu 20 ms dauern können.

Anlagen für die Bahntechnik sind in ihrem Maßstab größer als für den Automotive-Bereich, daher werden häufig DC/DC-Wandler auf DIN-Schienen und in Chassis verbaut. Es gibt jedoch verschiedene Installationsarten, die von der Achse bis zum Waggongehäuse reichen und unterschiedliche Anforderungen bei Stößen, Vibrationen und Bodenwellen erfüllen müssen. Die Kategorie definiert den Grad der notwendigen Abdichtung gegenüber der Umgebung bis zur vollständigen Kapselung. Eine zusätzliche Herausforderung ist, dass die DC-Systemspannung von 24 bis 110 V (DC) reichen kann.

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Die Überspannungen können im schlimmsten Fall das 3,5-fache des Nenneingangs oder 385 V bei einem Nennwert von 110 V betragen und 20 ms lang sein. Transienten im Mikrosekundenbereich können mehrere kV betragen – definiert durch die Serie EN61000-4, die in der europäischen EMV-Richtlinie aufgeführt ist. Spannungseinbrüche können bis zu 70 % unter dem Nennwert liegen und sollten keinen Funktionsverlust verursachen. Alternativ sind 60 % Spannungseinbruch mit einigen Verlusten möglich.

Spannungseinbrüche und -ausfälle

Im Gegensatz zum Automotive-Bereich ist es in der Bahntechnik noch unpraktischer, die hohen Energiestöße abzuklemmen oder zu absorbieren, sodass DC/DC-Wandler entweder die höchste Spannung in ihrem normalen Eingangsbereich enthalten oder mit einer Vorkonditionierung versehen werden, die einen stabilisierten Eingang bereitstellt. In jedem Fall sollte der Wandler den breitest möglichen Betriebsbereich aufweisen, um Spannungseinbrüche abzudecken – wobei Eingangsbereiche von 10:1 nicht ungewöhnlich sind.

DC/DC-Wandler mit geschalteten Eingängen und automatischer Bereichswahl wären eine Möglichkeit, müssen jedoch dauerhaft und sicher arbeiten, wobei die Eingangsspannung über bzw. unter den Eingangsbereich hinaus schwankt. Als praktische Lösung erweist sich, dem DC/DC-Wandler einen linearen Regler voranzustellen, der die Überspannung während eines Spannungsstoßes abbaut. Seine Spitzenverlustleistung ist hoch, aber im Durchschnitt niedrig, da Überspannungen relativ selten sind.

Aufgrund der Energieniveaus ist die Handhabung von Spannungsaussetzern besonders problematisch. Ein großer Kondensator am Wandlereingang ist eine einfache Lösung – aber für niedrigere Eingangsnennspannungen unpraktisch. Man stelle sich vor, einen DC/DC-Wandler mit 200 W und einer Nennspannung von 24 V für 20 ms bei einem Spannungsrückgang auf 16 V in Betrieb zu halten. Die benötigte Kapazität würde 25.000 µF betragen. Schlimmer noch, die Kondensatorspannung müsste 75 V betragen, um die Überspannungen einer 24-V-Leitung abzudecken.

Dafür wäre ein Bauteil mit einem Durchmesser von etwa 50 mm und einer Länge von 150 mm erforderlich, vergleichbar mit der Größe des 200-W-DC/DC-Wandlers!
So wurden entsprechende Lösungen entwickelt, um den Eingang auf einen höheren Spannungspegel zu legen und Energie in einem Kondensator zu speichern, der dann auf den Eingang »geschaltet« wird, sobald die Eingangsspannung abfällt. Obwohl das die Komplexität und die Kosten erhöht, wiegt es die hohen Investitionen in einen großen Kondensator auf. Außerdem steigt die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Systems, wenn sich ein Elektrolytkondensator vermeiden lässt.

Gleichtaktstörungen und Rauschen

Gleichtakt-Rauschfilterung
© Avnet Abacus

Bild 5. Gleichtakt-Rauschfilterung.

Automotive-ähnliche Eingangsfilter (Bild 3) kommen auch in der Bahntechnik zum Einsatz, um vor Transienten und Verpolung zu schützen. Die Spezifikationen für den Automotive- und Bahnbereich beschränken jedoch auch die Störungen, die von einem DC/DC-Wandler erzeugt und behandelt werden müssen. Manchmal muss in beiden Anwendungsbereichen das Gleichtaktrauschen unterdrückt werden, insbesondere wenn der DC/DC-Wandler isolierte Ausgänge anbietet.

Diese Art von Rauschen wird durch eine Gleichtakt- oder stromkompensierte Drossel gedämpft, die in die DC/DC-Eingangsleitungen eingefügt ist. Die Wicklungen sind so angeordnet, dass der normale Stromfluss den Magnetfluss aufhebt, sodass Induktivitäten mit hoher Wicklungszahl ohne die Gefahr der Sättigung zum Einsatz kommen können. Die Drossel stellt stattdessen eine hohe Induktivität und somit eine hohe Impedanz gegenüber Rauschströmen dar, die beiden auf Masse umlaufenden Leitungen gemeinsam sind. Bild 5 beschreibt die Anordnung. L1 und L2 ergeben eine differenzielle Rauschminderung.

Der Autor

Peter-Kokot von Avnet-Abacus
© Avnet Abacus

Peter-Kokot von Avnet-Abacus.

Peter Kokot

ist Director Technical Marketing bei Avnet Abacus und verantwortet in seiner Position seit 2017 das technische Produktmarketing für Steckverbinder, E-Mech, passive Bauelemente, Stromversorgungen, Sensorik und Funktechnik in der DACH-Region. Zuvor hat Kokot seit 2008 das Team für passive Bauelemente geleitet. Seine Karriere startete er 1987 als Elektrotechniker bei Siemens.

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