DC/DC-Leistungswandlung Stromversorgung, die bewegt

Die DC/DC-Wandler leisten in der digitalen und automatisieren Stromversorgung einiges um diese zuverlässig zu gewährleisten.
Die DC/DC-Wandler leisten in der digitalen und automatisieren Stromversorgung einiges um diese zuverlässig zu gewährleisten.

DC/DC-Wandler in Transportfahrzeugen müssen im Zuge der Digitalisierung einiges leisten: Sie versorgen alle an Bord befindlichen Systeme, haben dabei jedoch mit Spannungsschwankungen und Störungen zu kämpfen. Gewusst wie, kann dennoch eine zuverlässige Stromversorgung gewährleistet werden.

Fahrzeuge sind heute mit mobilen Rechenzentren vergleichbar. Neben dem automatisierten Fahren müssen sie noch weitere Aufgaben übernehmen, wodurch zusätzliche Anforderungen entstehen. Denn gibt der Fahrer seine Beteiligung an der Fahrzeugsteuerung ab, kann er seine neu gewonnene Freizeit nutzen. Das wiederum hat zur Folge, dass Vernetzung und Komfort im Transportwesen eine immer größere Rolle spielen werden.

Für die Stromversorgung von Transportfahrzeugen sieht ein mögliches Szenario wie folgt aus: DC/DC-Wandler versorgen an Bord befindliche Sensoren, Funkgeräte, Positionierungs- und Positionserfassungs-, Beleuchtungs- und Informationssysteme. Gleichzeitig müssen sie mit den großen Spannungsschwankungen und Störungen kämpfen, die durch Lastabfall, Starthilfe, leitungsgebundene und abgestrahlte Schaltstörungen und Spitzenspannungen/-ströme anderer Geräte auftreten.

Versorgt wird ein Fahrzeug mit einem typischen 12-V-(DC)-Bus, dessen Belastung jedoch weit darüber oder darunter liegen kann: von 3,2 V beim Kaltstart bis zu 42 V bei Lastabfall. An dieser Stelle wird häufig der Automotive-Standard LV124 angewendet, der 2013 von den deutschen Automobilherstellern eingeführt wurde. LV124 definiert unterschiedliche zulässige Werte in Abhängigkeit von den getesteten Systemen: vom Funktionsstatus A, wo keine Auswirkungen auftreten, bis zum Funktionsstatus E, der Reparaturarbeiten erfordert. Am anderen Ende des Spannungsspektrums spezifiziert die ISO 7637-2 verschiedene High-Voltage-Transienten mit unterschiedlichen Schweregraden.

Versorgt wird ein Fahrzeug mit einem typischen 12-V-(DC)-Bus, dessen Belastung jedoch weit darüber oder darunter liegen kann: von 3,2 V beim Kaltstart bis zu 42 V bei Lastabfall. An dieser Stelle wird häufig der Automotive-Standard LV124 angewendet, der 2013 von den deutschen Automobilherstellern eingeführt wurde. LV124 definiert unterschiedliche zulässige Werte in Abhängigkeit von den getesteten Systemen: vom Funktionsstatus A, wo keine Auswirkungen auftreten, bis zum Funktionsstatus E, der Reparaturarbeiten erfordert. Am anderen Ende des Spannungsspektrums spezifiziert die ISO 7637-2 verschiedene High-Voltage-Transienten mit unterschiedlichen Schweregraden.

Bild 1 beschreibt die Prüfspannungen unter Kaltstartbedingungen für ein 12-V-System. Der schwarze Grenzwert gilt für den Start mit einer schlechten Batterie. Die Autohersteller haben jeweils ihre eigenen speziellen Testauslegungen und Anforderungen, aber Transienten werden bis zu -220 V für 5 ns zusammen mit höheren Energieimpulsen bei niedrigeren Spannungen, z.B. 101 V für 400 ms, angelegt. Negative Pulse werden spezifiziert, da sie sich bei parallel geschalteten induktiven Lasten ergeben. Die Serieninduktivität – z.B. in der Verkabelung – verursacht beim Ausschalten positive Spannungsspitzen, zumeist mit niedrigerer Energie.

Verpolung und Lastabfall-Zustände müssen ebenfalls überstanden werden, wobei hochenergetische Spannungsspitzen bis zu 27 V für 300 ms auftreten können. Da die während der Lastabfall-Tests eingestellte Quellenimpedanz sehr niedrig ist, ist es unpraktisch, die Energie zu absorbieren. DC/DC-Wandler auf der Versorgungsschiene decken die Spitzenspannung über ihren normalen Eingangsbereich ab. Eine Zusammenfassung der statischen Spannungen, die ein 12-V-Wandler normalerweise aushalten sollte, ist in Bild 2 dargestellt.

Ein Merkmal der Spezifikationen für Automotive-Anwendungen ist, dass es tatsächlich keinen universellen Standard gibt. Autohersteller setzen häufig ihre eigenen Grenzwerte – oft auf einem höheren Niveau als die üblichen Standards. Zur Erleichterung trägt jedoch eine zentralisierte Transientenunterdrückung bei, beginnend mit TVS-Dioden (Transient Voltage Suppressor) oder ähnlichen Bausteinen, die in die Lichtmaschine integriert sind.

DC/DC-Eingangsfilterung im Automotive-Bereich

Damit ein isolierter oder nicht isolierter DC/DC-Wandler effektiv an einer Automotive-Spannungsschiene betrieben werden kann, sollte er einen möglichst breiten Eingangsbereich aufweisen, um den Überspannungen standzuhalten und tiefsten Spannungseinbrüchen zu widerstehen. Interne oder externe Filter für höhere Spannungsspitzen und ein Verpolungsschutz wie in Bild 3 sind dafür erforderlich. So bietet die serielle Diode einen Verpolungsschutz, der Metalloxidvaristor (MOV) stellt eine anfängliche »weiche« Spannungsklemme bereit, dann bildet die TVS-Diode nach einer EMI-Unterdrückungsspule eine härtere Klemme bei einer niedrigeren Spannung, die wie eine Zener-Diode wirkt.

Ein Nachteil der seriellen Diode besteht jedoch darin, dass ein gewisser Spannungsabfall stattfindet und Energie verbraucht wird. Eine parallele Diode ist eine verlustfreie Option, die mit umgekehrter Polarität leitet und die Sicherung auslöst. Besser geeignet ist jedoch ein serieller p-Kanal-MOSFET, der nur leitet, wenn der Eingang positiv ist. Die weiteren Optionen sind in Bild 4 ohne EMI-Filter dargestellt.