Robustheit von Leistungswandlern für Schienenfahrzeuganwendungen

Spezifikation von Leistungswandler für Schienenfahrzeuganwendungen

Moderne Schienenfahrzeuge sind vollgepackt mit Elektronik für die Kommunikation und Steuerung, wobei die Fahrgäste auch zunehmend Mobilfunk-Repeater und WLAN-Dienste mit „sauberem“ Wechselspannungsnetz und USB-Gleichspannung an jedem Sitzplatz erwarten. Aufgrund der Umgebung und der vielfältigen Art der angeschlossenen Geräte wird die Spannungswandlung zunehmend verteilt. Jeder Wandler, der als Schnittstelle zwischen dem nicht geglätteten DC-Bus, der Zugelektronik und den teuren tragbaren Geräten der Fahrgäste dient, muss so entwickelt sein, dass dieser die elektrische Spezifikation der Busspannung und auch die raue physische Umgebung einer Bahnanwendung erfüllt.

Schienenfahrzeuge benötigen spezifisch ausgelegte Netzteile

Bei der Leistungsversorgung von Schienenfahrzeugen drehte sich ursprünglich alles um Antrieb, Beleuchtung und rudimentäre Signalisierung mit typischerweise nicht geglätteten 110 VDC aus den an alles angeschlossenen Bordbatterien. Schaltgeräte am DC-Bus besaßen keine Stoßspannungs- und Transientenbegrenzer, da diese sich mit der Zeit verschlechtern würden und nicht garantiert werden können, dass sie immer funktionierten, sodass einzelne Geräte dem vollen Ausmaß der daraus resultierenden Stoßspannungen, Ausfälle und Stoßspannungen standhalten mussten. Es spielte jedoch keine Rolle, dass die Lichter gelegentlich heller oder dunkler wurden.

Heutige Schienenfahrzeuge sind vollgepackt mit Elektronik für die Kommunikation und Steuerung, wobei die Fahrgäste auch zunehmend Mobilfunk-Repeater und WLAN-Dienste mit „sauberem“ Wechselspannungsnetz und USB-Gleichspannung an jedem Sitzplatz erwarten. Aufgrund der Umgebung und der vielfältigen Art der angeschlossenen Geräte wird die Spannungswandlung zunehmend verteilt. Jeder Wandler, der als Schnittstelle zwischen dem nicht geglätteten DC-Bus, der Zugelektronik und den teuren tragbaren Geräten der Fahrgäste dient, muss so entwickelt sein, dass dieser die elektrische Spezifikation der Busspannung und auch die raue physische Umgebung einer Bahnanwendung erfüllt.

Spezifizierung der Herausforderung

Die international anerkannte EN 50155 ist die europäische Norm für die elektrische Ausrüstung von Schienenfahrzeugen, die Funktionalität und Leistung unter den besonderen Umgebungsbedingungen der Bahn abdeckt. Elektrische Belastungen werden ebenso behandelt wie EMV, Sicherheit und mechanische Bedingungen wie Vibration, Stöße, Erschütterung, Wasserdichtigkeit und vieles mehr. Besonders wichtig für die Hersteller von Netzteilen ist die Spezifikation der Eingangsspannung, die mehrere mögliche Nennwerte mit Einbrüchen, Ausfällen, Stoßspannungen und Transienten aufweist. Abbildung 1 fasst die Spezifikation in EN 50155 mit einem Vergleich zu anderen älteren Bahnnormen, der britischen RIA-12, der französischen NFF 01-510 und den USA zusammen. Transienten mit hohen kV-Werten werden nicht angezeigt und werden durch TranzorbsTM oder ähnliches gedämpft. Die „breiten“ Eingangsbereiche handelsüblicher DC/DC-Wandler, 9 – 36 V und 18 – 72 V, werden als Referenz angegeben und zeigen eine geringe Überlappung mit den Bahnanforderungen. Als Beispiele werden auch einige kommerzielle DC/DC-Wandler aus dem Sortiment von Bel Power Solutions gezeigt, die speziell für den Schienenverkehr entwickelt wurden und alle Nennwerte abdecken.

Glücklicherweise werden bei den dezentralen Wandlern mit relativ geringer Leistung in Kommunikations- und Steuergeräten die bis zu einer Sekunde dauernden Stoßspannungen und die hohen Spannungsspitzen in der Regel durch eine Vorkonditionierungsstufe abgefangen, sodass nur die breite Dauerbetriebsspannung zu bewältigen ist. Zum Beispiel kann eine 110 VDC gemäß EN 50155 eine nominale Eingangsspannung von 77 bis 137,5 VDC erreichen. Bei Einhaltung der RIA-12-Norm sind Stoßspannungen von 3,5 x nominal für 20 ms mit bis zu 385 VDC zu erwarten. Deshalb wird normalerweise ein aktiver Vorregler oder ähnliches benötigt, da die Energie zu hoch ist, um sie einfach in transienten Begrenzerkomponenten zu absorbieren.

EN 50155:2017 enthält auch eine Spezifikation für die vollständige Unterbrechung der Versorgung für 10 ms in einigen Anwendungen, bezeichnet als „Klasse S2“, und Unterbrechungen für 20 ms, „Klasse S3“.

Ein weiterer Grund dafür, dass kommerzielle Leistungswandler die Spezifikationen wahrscheinlich nicht erfüllen, ist die Einhaltung von Umweltprüfungen. EN 50155 verweist auf EN 61373 für Erschütterung, Vibration und Stoß mit Anforderungen, die in drei Kategorien unterteilt sind: Karosserie (Klasse A und B), Drehgestell und achsenmontiert, wobei letzteres am strengsten ist. Abhängig von den beabsichtigten Standorten können andere Spezifikationen gelten, wie z. B. Unempfindlichkeit gegen das Eindringen von Wasser und Salznebel. EMV ist natürlich eine zusätzliche Überlegung mit Spezifikationen für ESD, Stoßspannungs- und transiente Immunität, auch HF-Empfindlichkeit zusammen mit leitungsgebundenen und abgestrahlten Emissionen gemäß EN 50121-3-2. Es gelten auch Spezifikationen für trockene und feuchte Hitze und typische Betriebstemperaturwerte sind -40 bis +85 °C, können aber vorübergehend sein.

Lieferanten von Leistungswandlern müssen die Konformität auch durch umfangreiche Prüfungsaufzeichnungen, Baudokumentation und Vorhersagen sowie einen Nachweis der Zuverlässigkeit sowohl der Hardware als auch jeglicher eingebetteter Software nachweisen. All dies ist zusammen mit allen anwendungsspezifischen Anforderungen wie der „Nutzungsdauer“, die 30 Jahre betragen kann.

Arten von typischerweise verwendeten Leistungswandlern

In Schienenfahrzeugen werden je nach Leistungsstufe und Anwendung DC/DC-Wandler mit unterschiedlichen Formfaktoren eingesetzt. Chassismontierte Teile sind typischerweise mit höherer Leistung und angemessener Robustheit ausgestattet, um die Erschütterungs- und Vibrationsanforderungen mit allen lackierten offenen Leiterplatten zu erfüllen. Bis zu einer Leistung von etwa 600 W ist der Typ Eurokassette sehr beliebt. Dies ist ein Rack-Montageprodukt mit dem Standard-DIN 41612 H15-Steckverbinder und ist in vielen Leistungsstufen und mit vielen Optionen erhältlich. Sowohl chassismontierte als auch Kassettenprodukte haben typischerweise „Bus“-Ausgänge von 12, 24 oder 48 V und besitzen oft Optionen für zusätzliche Filterung, Verpolungsschutz und verlängerte Überbrückungszeit. „Überbrückung“ oder „Ride Through“ können bei niedrigen Eingangsnennspannungen ziemlich herausfordernd sein. Um beispielsweise eine 100-W-Versorgung bei 80 % Wirkungsgrad für 10 ms für ‚Klasse 2'-Anwendungen mit einem Eingangsbereich von 16–36 V bei einer Nennspannung von 24 V aufrechtzuerhalten, wäre am Eingang ein Kondensator mit einer Nennleistung von etwa 8.000 µF mit 40 V – eine Größe von etwa 2,5 cu-in oder 40 cu-cm erforderlich. Dies ist eine erhebliche Größe und Kosten und ein wesentlicher Beitrag zu den Berechnungen der Gesamtzuverlässigkeit und Nutzungsdauer. EN50155 beschreibt Unterbrechungen als durch Eingangskurzschlüsse verursacht, sodass eine Eingangsdiode in Reihe geschaltet werden muss, um den Überbrückungskondensator zu isolieren. Dies verursacht zusätzliche Verlustleistung und einen Spannungseinbruch, was eine Erweiterung des Eingangsbereichs des Wandlers erfordert. Andere Lösungen für die Überbrückung könnten darin bestehen, die Eingangsspannung intern auf eine höhere Spannung zu erhöhen, sodass ein kleinerer Kondensator für die gleiche Energiespeicherung verwendet werden kann, aber in jedem Fall müssen der Einschaltstrom und die Ladungsrate in den Kondensator kontrolliert werden und können die Wiederholungsrate der zulässigen Ausfälle auf 1 in 10 Sekunden oder dergleichen begrenzen.

Einige Produkte haben die Möglichkeit, Wandlerausgänge für zusätzliche Leistung oder Redundanz mit zugehöriger Signalisierung parallel zu schalten. Der Eingangsspannungsbereich der Wandler wird oft breit sein, um einen weiten Bereich nominaler Batteriespannungen mit ihren Einbrüchen und Stoßspannungen zu umfassen.

Beachten Sie, dass zugängliche Sicherungen in Stromversorgungen in Bahnanwendungen oft nicht zulässig sind, sodass externe Sicherungen oder Unterbrecher erforderlich sein können.

Platinenmontierte Produkte werden auch bei bis zu etwa 100 W verwendet, um streng geregelte Niederspannungsausgänge für digitale und analoge Schaltungen zu konzipieren. Diese können auch direkt über den DC-Bus gespeist werden, sodass sie häufig Stoßspannungs- und Transienten- sowie Umgebungsschutzvorrichtungen benötigen.

Die Isolierung ist im Allgemeinen für DC/DC-Wandler mit von der Anwendung definierten Pegeln erforderlich, ist aber typischerweise GRUNDLEGEND (Basic) oder VERSTÄRKT (Reinforced).

EN 50155 enthält ein Diagramm, das die EMV-Bereiche A, B und C des Systems identifiziert, die in abgekürzter Form in Abbildung 2 mit der typischen Positionierung eines DC/DC-Wandlers gezeigt werden.

Praktische Lösungen

Mit den Produkten der Marke Melcher ist Bel Power Solutions ein bedeutender Anbieter von DC/DC-Wandlern, die der EN 50155 entsprechen. Isolierte, chassismontierte Teile sind in der RCM-Serie von 150 W bis 300 W mit Eingangsspannungsbereichen von 14,4 – 50,4 VDC und 43,2 – 154 VDC erhältlich, die Nennwerte von 24 V, 28 V, 36 V, 72 V, 96 V und 110 VDC abdecken, mit Spannungseinbrüchen von bis 0,6 x Vnom und Stoßspannungen von bis 1,4 x Vnom. 500-W- und 1000-W-Teile sind mit Eingängen von 43,2 – 100,8 VDC für 72 VDC nominal und 66 – 154 VDC für 110 VDC Nominaleingängen erhältlich und decken auch Spannungseinbrüche von 0,6 x Vnom und Stoßspannungen von 1,4 x Vnom ab.

Eurokassetten-DC/DC-Wandler sind ein Hauptmerkmal im Melcher-Sortiment, mit isolierten Produkten mit einer Nennleistung von 50 W in der M-Serie bis 288 W in der HR-Serie. Es wird eine große Auswahl an Eingangsspannungen mit einem Minimum von bis zu 8 VDC und einem Maximum von bis zu 385 VDC in der 'K'-Serie (C 3) angeboten. Nicht isolierte Kassetten sind mit bis zu 576 W in den Serien PSK/PSS mit einer Eingangsspannung von bis zu 18 V, abhängig von der Variante, erhältlich. Sogar platinenmontierte Produkte sind in den nicht isolierten Serien PSA/PSR, PSB und IBX mit breiten Eingangsbereichen, die für Bahnanwendungen geeignet sind, erhältlich.

Alle Produkte von Bel Power Solutions für Bahnanwendungen sind robust und verfügen über eine Vielzahl von Optionen, um die Montage und Zertifizierung einer kompletten Systemlösung zu vereinfachen. Teile in der RCM-Serie sind beispielsweise mit optionalen 10-ms-Überbrückung- und 'OR-ing'-Dioden für redundante Anwendungen erhältlich.

Das Entwerfen der Schaltung zur Einhaltung von EN 50155 ist keine leichte Aufgabe bei elektrischen und Umgebungsbedingungen, die so feindlich wie möglich sind. Handelsübliche Lösungen „von der Stange“ werden den Anforderungen meist nicht gerecht, insbesondere was die langfristige Zuverlässigkeit betrifft. Speziell entwickelte Wandler von einem Unternehmen wie Bel Power Solutions sind eine sichere Lösung mit langer Erfolgsgeschichte.