Verwendung robuster DC/DC-Wandler mit großem Eingangsbereich für Anwendungen im Schienenverkehr

Der Schienenverkehr wird zunehmend elektrifiziert, vom Antriebsstrang bis hin zu den Funktionen in den Fahrzeugen und den Annehmlichkeiten für die Fahrgäste. Dazu gehören Kommunikation, Sicherheit, Internetzugang und Beschilderung an Bord. Um diese Leistung zu erbringen, werden mehrere DC/DC-Wandler benötigt. Entwicklungsteams sind jedoch oft nicht dafür ausgerüstet, kundenspezifische Leistungswandler zu entwickeln, die unter den anspruchsvollen elektrischen, mechanischen und thermischen Bedingungen einer Bahn funktionieren und gleichzeitig die strengen Anforderungen der Industrie, der Behörden, des Formfaktors und der Kosten erfüllen.

Die Lösung liegt in vielseitigen, handelsüblichen DC/DC-Wandlern, die die unterschiedlichsten Spannungsanforderungen und Betriebsbedingungen erfüllen.

Dieser Artikel befasst sich mit den besonderen Anforderungen, die an Entwickler von DC/DC-Stromrichtern in Bahnanwendungen gestellt werden. Anschließend werden DC/DC-Wandler von TRACO Power für 150 W und 200 W vorgestellt und gezeigt, wie sie zur Erfüllung dieser Normen eingesetzt werden können.

Energieverteilung im Schienenverkehr

Ein typischer Stromverteilungspfad für eine Elektrolokomotive oder einen Oberleitungswagen bietet viele Niederspannungsquellen, die von der primären Gleichstrom-Oberleitung abgeleitet werden müssen; bei Diesellokomotiven kommt die primäre Gleichstromversorgung vom eingebauten Generator/Gleichrichter.

Wie bei jeder kritischen Anwendung gibt es vorgeschriebene Industriestandards, die die Leistungsanforderungen aus verschiedenen Perspektiven definieren. Die wichtigste Produktnorm 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 Normen sind:

• EN 61373, Schock- und Vibrationsprüfung
• EN 61000-4, Prüfung und Messung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV)
• EN 50121-3-2, Grenzwerte für Emission und Störfestigkeit
• EN 45545-2, Brandsicherheit
• Britischer Verband der Eisenbahnindustrie (Railway Industries Association), Norm RIA 12, Allgemeine Spezifikation für den Schutz elektronischer Ausrüstungen von Traktions- und Schienenfahrzeugen vor Transienten und Überspannungen in Gleichstromsteuerungssystemen

Die Einhaltung dieser Normen ist eine große Herausforderung für die Entwicklung, selbst wenn der Stromrichter in der Simulation und als Prototyp auf dem Prüfstand die gewünschte Leistung erbringt.

Glücklicherweise gibt es Standard-DC/DC-Wandler, die den Anforderungen der Eisenbahn entsprechen, so dass der Hersteller von Eisenbahnwaggons keine kundenspezifischen Versionen entwickeln und bauen muss.

Die Familien TEP 150UIR und TEP 200UIR beispielsweise sind zwei ähnliche Serien von platinenmontierbaren 1/2-Brick-Wandlern für eine Leistung von 150 bzw. 200 Watt und einem Wirkungsgrad von etwa 90%. Diese vollständig gekapselten Wandler verfügen über eine verstärkte Eingangs-/Ausgangsisolierung (I/O) von 3000 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), arbeiten im Temperaturbereich von -40°C bis +105°C und erfüllen die genannten Normen.

Abbildung 1: Alle Mitglieder der Familien TEP 150UIR und TEP 200UIR haben die gleiche Anschlusskonfiguration und Gehäusegröße (60 mm × 60 mm × 13 mm). (Bildquelle: TRACO Power)

Die Serie TEP 150UIR arbeitet mit einem extrem breiten Eingangsspannungsbereich von 14 V_DC bis 160 V_DC und ist in fünf Ausgangspaarungen von 5 V/30 A bis 48 V/3,2 A erhältlich. Das Mitglied dieser Familie mit der niedrigsten Spannung und dem höchsten Strom ist der TEP 150-7211UIR, der 5 V bei bis zu 30 A liefert.

Die Serie TEP 200UIR hat denselben Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich, aber höhere Ströme, die von 5 V/40 A bis 48 V/4,2 A reichen. Das Mitglied dieser Familie mit der höchsten Spannung und dem niedrigsten Strom ist der TEP 200-7218UIR, der 48 V bei bis zu 4,2 A liefert, verglichen mit 3,2 A für sein 150W-Pendant bei dieser Spannung.

Durch die Beibehaltung einer gemeinsamen Größe und Grundfläche ermöglichen es die beiden Serien den Entwicklern, eine Schaltung aufzurüsten, um unterschiedliche Anforderungen zu erfüllen oder verschiedene Platinen mit minimalen Verkabelungs- und Layoutproblemen zu verwenden. Außerdem können sie die Lagerhaltung vereinfachen, indem sie weniger Einzelmodelle auf Lager haben.

Drei herausragende Merkmale der Serie

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

Breiter Eingangsspannungsbereich: Typische Industrieelektronik kann die allgemeinen Spannungs-/Stromanforderungen erfüllen, aber DC/DC-Leistungswandler für Bahnanwendungen müssen viel größeren DC-Eingangsspannungsschwankungen und einem Bereich möglicher Nennwerte (V_Nom) standhalten (Abbildung 2).

Abbildung 2: 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)

Diese Toleranz umfasst 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 ms
• Überspannung = 1,4 × V_Nom für 1 s

Es ist schwierig, einen Stromrichter zu entwickeln, der 100 ms lang einen Spannungsabfall überstehen kann, während Überspannungen von 1 s zu viel Energie haben, um sie abzufangen. Daher muss der Wandler über den gesamten in Abbildung 2 gezeigten Bereich mit einer gewissen Sicherheitsspanne arbeiten. 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 V bis 160 V) anbieten, um die meisten Anwendungen abzudecken. Ein einziger Konverter war jedoch in der Regel nicht in der Lage, alle diese Anforderungen zu erfüllen.

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

Verlängerte Überbrückungszeit: Die Gleichstromleitung ist schnellen Transienten von ±2 kV mit Anstiegszeiten von 5 ns, Abfallzeiten von 50 ns und einer Wiederholungsrate von 5 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 Störfestigkeit gegen Überspannungen, die 1,5 × V_Nom für 1 s und 3,5 × V_Nom für 20 ms bei einer extrem niedrigen Quellenimpedanz von 0,2 Ω erreichen. 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 Brownout-Minimum von 66 V_DC arbeiten muss.

Die große Energiemenge, die von einer derart niederohmigen Quelle zur Verfügung steht, bedeutet, dass die Spannung nicht allein durch einen TVS (Transient Voltage Suppressor) abgefangen werden kann. Je nach Leistungspegel ist entweder ein Vorregler am Versorgungseingang oder eine Schaltung erforderlich, die den Eingang während des Stromstoßes abschaltet. Im DC/DC-Wandler ist eine Haltefunktion erforderlich, um den Ausgang während dieser Zeit aufrechtzuerhalten.

Um dieses Problem zu lösen, verfügen die TRACO-Komponenten über ein wichtiges Merkmal: einen BUS-Pin-Ausgang (Abbildung 3). Dieser Ausgang liefert eine feste Spannung zum Aufladen des Kondensators (C_BUS), so dass dieser die für eine längere Überbrückungszeit erforderliche Energie liefern kann. Diese Kondensatoren sind wesentlich kleiner und preiswerter als die Kondensatoren, die in einem herkömmlichen Frontend-Kondensator-Haltekreis verwendet werden.

Abbildung 3: Die Abbildung zeigt die empfohlene Eingangsschaltung für den C_BUS, um die Implementierung einer verlängerten Haltezeit zu vereinfachen. (Bildquelle: TRACO Power)

Beachten Sie, dass eine Seriendiode (D4) im Eingangskreis nicht erforderlich ist, da diese Wandler über eine integrierte Diode verfügen, die Kurzschlüsse verhindert und die Energie aus dem Kondensator am Abfluss in die Stromversorgung hindert.

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 für Eingänge bis zu 80 V liefern. Bei höheren Eingangsspannungen steigt die BUS-Spannung linear mit der Eingangsspannung (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die Umrichter liefern eine feste BUS-Spannung für Eingangsspannungen bis zu 80 V; bei höheren Eingangsspannungen steigt die BUS-Spannung linear mit der Eingangsspannung. (Bildquelle: TRACO Power)

Aktive Einschaltstrombegrenzung: Damit wird ein häufiges Problem bei Stromrichtern gelöst: Wenn die Eingangsspannung ansteigt, können die Überbrückungskondensatoren an der Eingangsklemme einen hohen Einschaltstrom verursachen. Dieser Strom kann dazu führen, dass eine Sicherung durchbrennt oder ein Schutzschalter auslöst, und Fehler und Störungen in den angeschlossenen Geräten hervorrufen.

Um dies zu vermeiden, liefert ein Impuls-Pin der Serien TEP 150UIR und TEP 200UIR ein 12V-Rechtecksignal mit einer Frequenz von 1 kHz, das in einer Einschaltstrombegrenzungsschaltung verwendet werden kann (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die Baureihen TEP 150UIR und TEP 200UIR bieten eine einfache Möglichkeit zur Begrenzung des Einschaltstroms beim Einschalten über einen Impulse-Pin mit einem Rechtecksignal. (Bildquelle: TRACO Power)

Durch den Anschluss der aktiven Einschaltstrombegrenzungsschaltung an den Impulse-Pin wird der Einschaltstrom effektiv begrenzt. Ohne Begrenzung beträgt der Einschaltstrom etwa 120 A; mit Begrenzung sinkt er auf etwa 24,5 A.

Mechanische Überlegungen unterstützen die elektrische Leistung

Die Performance dieser TRACO-Wandler ist nicht nur auf ihr elektrisches, sondern auch auf ihr mechanisches Design zurückzuführen, da die mechanische Integrität entscheidend für die elektrische Robustheit ist.

Man bedenke, dass die verschiedenen Stellen eines Schienenfahrzeugs unterschiedlich starken Stößen, Vibrationen und Temperaturextremen ausgesetzt sind. Die Norm EN 61373 legt eine Reihe von unterschiedlichen Stellen und entsprechenden Toleranzkategorien für Schienenfahrzeuge mit ein- oder zweistufiger Federung fest, wobei letztere am häufigsten vorkommt (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die Norm EN 61373 definiert Schock- und Vibrationsnormen für verschiedene Stellen innerhalb und außerhalb des Schienenfahrzeugs, hier für Fahrzeuge mit zweistufiger Aufhängung, wobei die Stellen am Unterwagen die größten Herausforderungen darstellen. (Bildquelle: TRACO Power, geändert vom Autor)

Alle TRACO-Konverter erfüllen die Normen der Kategorie 1, Klasse A und der Kategorie 1, Klasse B für alle Bereiche oberhalb der Achse, des Drehgestells (LKW) und des Untergestells in Fahrzeugen mit zwei Federungsebenen. Dies wird u. a. durch eine Gehäusekapselung, hochbelastbare Stifte für die elektrischen Verbindungen auf der Leiterplatte, Montageanordnungen mit Halteschrauben, Temperaturschocktests, die über die einfachen Hoch- und Tieftemperaturtests hinausgehen, und die Beachtung der Kühlungsmodi erreicht.

Fazit

Entwickler von Bahnstromversorgungssystemen benötigen zuverlässige, vielseitige DC/DC-Wandler, die kompakt, einfach zu handhaben und einzusetzen sind und trotz einer langen Liste anspruchsvoller elektrischer, thermischer und mechanischer Normen und Vorschriften in rauen Umgebungen arbeiten können. Wie gezeigt, erfüllen die Familien TEP 150UIR und TEP 200UIR von TRACO Power diese Anforderungen dank eines weiten 12:1-Eingangsspannungsbereichs von 14 V_DC bis 160 V_DC, eines Holdup-Pins zum Aufladen von Kondensatoren zur Energieversorgung bei Spannungseinbrüchen, der Fähigkeit, Überspannungen zu widerstehen, und zahlreicher Ausgangsspannungs-/Ausgangsstrom-Paarungen - alles in einem einzigen Formfaktor.