Spezialisierte DC/DC-Wandler erfüllen die einzigartigen Herausforderungen der Energieversorgung im Schienenverkehr

Moderne Eisenbahnsysteme verfügen über immer mehr Elektronik an Bord für Funktionen wie Internetzugang für Fahrgäste, Satellitenverbindungen, Gegensprechanlagen und Beschallungssysteme (PA), Teilsysteme für die Navigation, Notfunkgeräte, LED-Beleuchtung, Informationssysteme, Steckdosen an den Sitzplätzen und anderes Zubehör. Es gibt auch Subsysteme zum Aufladen von Batterien, da viele dieser Funktionen während vorübergehender Stromausfälle oder längerer Perioden von Stromausfällen mit Strom versorgt werden müssen. Jede dieser Funktionen stellt besondere Anforderungen an die Spannung, was zum Einsatz vieler DC/DC-Wandler führt, die eine höhere Gleichspannung in mehrere niedrigere Spannungen umwandeln.

Entwickler, die DC/DC-Wandler für den Einsatz in Eisenbahnen spezifizieren, müssen jedoch sicherstellen, dass diese Wandler in engen Räumen unter schwierigen elektrischen, mechanischen und thermischen Belastungsbedingungen zuverlässig arbeiten können. Außerdem müssen sie eine lange Liste strenger Branchen- und regulatorischen Anforderungen erfüllen und einfach und zeitsparend eingesetzt werden können.

In diesem Artikel werden die Anforderungen an DC/DC-Leistungswandler für Bahnanwendungen kurz untersucht. Anschließend werden DC/DC-Wandler von TRACO Power vorgestellt und gezeigt, wie sie zur Erfüllung dieser Anforderungen eingesetzt werden können.

Energieverteilung für Eisenbahnen

Ein typischer Stromverteilungspfad für eine elektrische Lokomotive oder einen Oberleitungswagen hat viele niedrigere Spannungen, die von der primären Gleichstrom-Oberleitungsquelle abgeleitet werden. Wie bei jeder kritischen Anwendung gibt es vorgeschriebene Industriestandards, die die Leistungsanforderungen aus verschiedenen Perspektiven definieren.

Die vorherrschende Spezifikation für elektronische Bahnausrüstungen ist EN 50155, Bahnanwendungen - Fahrzeuge - Elektronische Ausrüstung. Darin werden Umwelt- und Betriebsbedingungen, Zuverlässigkeitserwartungen, Sicherheit sowie Entwurfs- und Konstruktionsmethoden festgelegt. Sie umfasst auch Dokumentation und Tests.

Weitere wichtige Spezifikationen sind:

• EN 61373: Bahnanwendungen, Schienenfahrzeug-Ausrüstung, Stoß- und Vibrationstests
• EN 61000-4, für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)
• EN 45545-2, europäische Eisenbahnnorm für den Brandschutz
• Norm RIA 12 des britischen Verbands der Eisenbahnindustrie (Railway Industries Association), Allgemeine Spezifikation für den Schutz elektronischer Ausrüstungen von Traktions- und Schienenfahrzeugen vor Transienten und Überspannungen in Gleichstromsteuerungssystemen

Die Einhaltung dieser Vorschriften stellt eine große Herausforderung für die Entwicklung dar, selbst wenn der selbstentwickelte Stromrichter in der Simulation und als Prototyp auf dem Prüfstand wie vorgesehen funktioniert. Zum Glück muss man nicht zum Heimwerker werden. Es gibt bereits anwendungsspezifische Standard-DC/DC-Wandler, die den Anforderungen für den Schienenverkehr entsprechen.

Die Familien TEP 150UIR/TEP 200UIR zum Beispiel sind zwei ähnliche Serien von Wandlern im 1/2-Brick-Format für die Leiterplattenmontage mit einer Leistung von 150 bzw. 200 Watt. Sie verfügen über eine verstärkte Eingangs-/Ausgangsisolierung (I/O-Isolierung) von 3000 Volt Wechselstrom (V_AC) und einen integrierten Kurzschluss-, Überspannungs- und Übertemperaturschutz.

Alle Mitglieder dieser beiden Familien haben die gleiche Anschlusskonfiguration und Gehäusegröße von 60 mm × 60 mm × 13 mm (Abbildung 1). Ihr Wirkungsgrad liegt bei etwa 90 %.

Abbildung 1: Alle Mitglieder der Familien TEP 150UIR und TEP 200UIR haben die gleiche Gehäusegröße und den gleichen Formfaktor. (Bildquelle: TRACO Power)

Die Serie TEP 150UIR arbeitet mit einem extrem breiten Eingangsspannungsbereich von 14 bis 160 Volt Gleichspannung (V_DC) und ist in fünf Ausgangspaarungen von 5V/30A bis 48 V/3,2A erhältlich (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Serie TEP 150UIR ist mit Spannungs-/Stromstärken von 5 V/30 A bis 48 V/3,2 A erhältlich. (Bildquelle: TRACO Power)

Das Mitglied dieser Familie mit der niedrigsten Spannung und dem höchsten Strom ist der TEP 150-7211UIR, der bis zu 30 A bei 5 Volt liefern kann.

Die Serie TEP 200UIR hat den gleichen Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich, aber höhere Ströme, die von 5 Volt/40 A bis 48 Volt/4,2 A reichen (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Familie TEP 200UIR bietet 33 % mehr Leistung, bei gleichen Ausgangsspannungswerten, aber höheren Ausgangsströmen. (Bildquelle: TRACO Power)

Das Mitglied dieser Familie mit der höchsten Spannung und dem niedrigsten Strom ist der TEP 200-7218UIR, der bis zu 4,2 A bei 48 Volt liefern kann, verglichen mit 3,2 A bei seinem 150-Watt-Pendant bei dieser Spannung.

Durch die Beibehaltung einer gemeinsamen Größe und eines gemeinsamen Footprints kann eine Schaltung leicht aufgerüstet werden, um unterschiedliche Anforderungen zu erfüllen oder verschiedene Boards mit minimalen Verkabelungs- und Layoutproblemen zu verwenden. Außerdem kann die Lagerhaltung vereinfacht werden, da weniger Einzelmodelle auf Lager gehalten werden müssen.

Drei Hauptmerkmale

Die Komponenten TEP 150UIR und TEP 200UIR bieten drei herausragende Merkmale: einen großen Eingangsspannungsbereich, eine verlängerte Überbrückungszeit und eine aktive Einschaltstrombegrenzung.

1) Großer Eingangsspannungsbereich: Typische Industrieelektronik mag die allgemeinen Spannungs-/Stromanforderungen erfüllen, aber DC/DC-Leistungswandler für diese Anwendung müssen viel größeren Eingangsspannungsschwankungen und einem Bereich möglicher Nennwerte standhalten (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die DC-Eingangsbereiche für verschiedene Bahnanwendungen umfassen einen extrem großen Bereich, insbesondere wenn die zulässigen Abweichungen von den Nennwerten in die Analyse einbezogen werden. (Bildquelle: TRACO Power)

Dazu gehören die zulässigen Schwankungen der Eingangsspannung um den jeweiligen Nennwert:

• Kontinuierlicher Bereich = 0,7 bis 1,25 × V_NOM
• Spannungseinbruch = 0,6 × V_NOM für 100 Millisekunden (ms)
• Überspannung = 1,4 × V_NOM für eine Sekunde

Die Entwicklung eines Stromrichters, der einen 100 ms langen Spannungseinbruch überstehen kann, ist schwierig, während Überspannungen von einer Sekunde Dauer zu viel Energie haben, um sie abzufangen. Daher muss der Wandler über den gesamten in Abbildung 4 gezeigten Bereich arbeiten und dabei eine gewisse Sicherheitsspanne berücksichtigen. In der Praxis bedeutet dies einen Eingangsbereich von mehr als 2,33:1.

Erschwerend kommt hinzu, dass die Nennspannung zwischen 24 V_DC und 110 V_DC liegen kann. Viele Hersteller von DC/DC-Wandlern erfüllen diese Anforderungen, indem sie Wandler mit einem breiteren 4:1-Eingangsbereich (typischerweise 43 bis 160 Volt) anbieten, um die meisten Anwendungen abzudecken, aber ein einziger Wandler war in der Regel nicht in der Lage, alle diese Anforderungen zu erfüllen.

Deshalb unterstützen die TRACO-Komponenten einen ultraweiten 12:1-Eingang von 14 bis 160 V_DC. Dieser Bereich ermöglicht es, mit einer einzigen Stromversorgung eine Reihe von Systemnennspannungen zu erreichen.

2) Verlängerte Überbrückungszeit: Die Gleichstromleitung ist schnellen Transienten von ±2 Kilovolt (kV) mit Anstiegszeiten von 5 Nanosekunden (ns), Abfallzeiten von 50 ns und einer Wiederholungsrate von 5 Kilohertz (kHz) ausgesetzt. Es gibt auch Überspannungen von ±2 kV Leitung-zu-Erde und ±1 kV Leitung-zu-Leitung mit Anstiegszeiten von 1,2 Mikrosekunden (μs) und Abfallzeiten von 50 μs von einer definierten, AC-gekoppelten Quellenimpedanz.

Einige Anforderungen gehen über die Norm EN 50155 hinaus und verlangen eine Störfestigkeit gegen Überspannungen von bis zu 1,5 x V_NOM für eine Sekunde und 3,5 x V_NOM für 20 ms bei einer extrem niedrigen Quellenimpedanz von 0,2 Ohm (Ω). Bei einem System mit 110 V_DC (Nennwert) entspricht dies einem Spitzenwert von 385 V_DC, was außerhalb des normalen Bereichs eines Konverters liegt, insbesondere wenn er bis zum Spannungseinbruchsminimum von 66 V_DC herunterarbeiten muss.

Die Energie, die von einer solchen niederohmigen Quelle zur Verfügung steht, bedeutet, dass die Spannung nicht durch einen Überspannungsschutz (TVS) abgefangen werden kann. Je nach Leistungspegel ist ein Vorregler am Versorgungseingang oder eine Schaltung erforderlich, die den Eingang für die Dauer des Stromstoßes abschaltet. Im DC/DC-Wandler ist eine Überbrückungsfunktion erforderlich, um den Ausgang während dieser Zeit aufrechtzuerhalten.

Um dieses Problem zu lösen, verfügen die TRACO-Komponenten über eine wichtige Funktion in Form eines BUS-Pin-Ausgangs. Dieser Ausgang liefert eine feste Spannung zum Laden eines Kondensators, so dass der Kondensator die für eine längere Überbrückungszeit benötigte Energie liefern kann (Abbildung 5). Diese Kondensatoren sind wesentlich kleiner und preiswerter als die Kondensatoren, die bei der herkömmlichen Überbrückung mit Frontend-Kondensator verwendet werden.

Abbildung 5: Dies ist die empfohlene Eingangsschaltung, die mit dem Buskondensator C_BUS verwendet werden sollte, um die Implementierung einer verlängerten Überbrückungszeit zu vereinfachen. (Bildquelle: TRACO Power)

Es ist zu beachten, dass der Eingangsschaltung keine Seriendiode hinzugefügt werden muss, da diese Wandler über eine integrierte Diode verfügen, die einen Kurzschluss verhindert und die Energie des Kondensators in die Stromversorgung fließen lässt.

Bei einer Unterbrechung der Versorgungsspannung fällt die Eingangsspannung auf die BUS-Spannung ab, bevor die Kondensatoren beginnen, sich zu entladen, um das Leistungsmodul mit Energie zu versorgen. Aufgrund ihrer relativ hohen Leistungsdichte können die Serien TEP 150UIR und TEP 200UIR eine feste BUS-Spannung bei bis zu 80 Volt Eingangsspannung liefern. Bei höheren Eingangsspannungen steigt die BUS-Spannung linear mit der tatsächlichen Eingangsspannung (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die Wandler liefern eine feste BUS-Spannung bei einer Eingangsspannung von bis zu 80 Volt; bei höheren Eingangsspannungen steigt die BUS-Spannung linear mit der tatsächlichen Eingangsspannung. (Bildquelle: TRACO Power)

3) Aktive Einschaltstrombegrenzung: Damit wird ein häufiges Problem bei Stromrichtern behoben: Wenn die Eingangsspannung ansteigt, verursachen die Überbrückungskondensatoren an der Eingangsklemme einen hohen Einschaltstromstoß. Dadurch kann eine Sicherung durchbrennen oder ein Stromkreis ausgelöst werden, was zu Fehlern und Störungen in den angeschlossenen Geräten führt.

Um dies zu vermeiden, liefert ein Impuls-Pin der Serien TEP 150UIR und TEP 200UIR ein 12-Volt-Rechtecksignal mit 1 kHz, das für die Einschaltstrombegrenzungsschaltung verwendet werden kann (Abbildung 7).

Abbildung 7: Die Serien TEP 150UIR und TEP 200UIR bieten eine einfache Möglichkeit zur Begrenzung des Einschaltstroms beim Einschalten über einen Impuls-Pin mit einem Rechtecksignal. (Bildquelle: TRACO Power)

Durch Anschluss der aktiven Einschaltstrombegrenzungsschaltung an den Impuls-Pin wird der Einschaltstrom effektiv begrenzt (Abbildung 8). Ohne Begrenzung beträgt der Einschaltstrom etwa 120 A (links), während er mit Begrenzung auf etwa 24,5 A (rechts) sinkt.

Abbildung 8: Die Ansteuerung der aktiven Einschaltstrombegrenzungsschaltung der Wandler mit dem Puls-Pin reduziert den Einschaltstrom um den Faktor fünf. Abgebildet ist ein Beispiel mit einem V_in von 72 Volt. Die horizontale Skala auf der linken Seite beträgt 50 Volt/Teilung und die rechte 10 Volt/Teilung, mit einem Skalenfaktor von 1 Volt = 1 A. (Bildquelle: TRACO Power)

Fazit

DC/DC-Wandler für Niederspannungsanwendungen im Schienenverkehr müssen mehr als nur eine zuverlässige, gleichmäßige Leistung erbringen. Sie müssen kompakt und einfach zu handhaben und einzusetzen sein, sich für eine Vielzahl von Anwendungen eignen, in rauen Umgebungen eingesetzt werden können und eine lange Liste anspruchsvoller elektrischer, thermischer und mechanischer Normen und Vorschriften erfüllen. Wie gezeigt, sind die Familien TEP 150UIR und TEP 200UIR von TRACO Power dieser Aufgabe gewachsen. Sie verfügen über einen weiten 12:1-Eingangsspannungsbereich von 14 bis 160 V_DC, einen Überbrückungs-Pin zum Aufladen von Kondensatoren zur Energieversorgung bei Spannungseinbrüchen, die Fähigkeit, Überspannungen zu widerstehen, und zahlreiche Ausgangsspannungs-/Strom-Paarungen - alles in einem einzigen Formfaktor.