Die Bahntechnik ist einer der Hauptanwendungsbereiche für robuste Hochleistungs-DC/DC-Wandler, insbesondere für Schienenfahrzeuge. In der Vergangenheit reichte eine Stromleitung für die Beleuchtung und einen Signalanschluss aus, aber mit den steigenden Komfortansprüchen wurde die Entwicklung und Auswahl von Stromversorgungen immer anspruchsvoller.

Bei der Stromversorgung von Schienenfahrzeugen ging es früher nur um Traktion, Beleuchtung und rudimentäre Signalgebung, wobei alles mit 110 V Gleichstrom aus den Bordbatterien versorgt wurde. Die Schaltgeräte auf dem DC-Bus hatten keine Überspannungs- und Transientenbegrenzer, da sie sich mit der Zeit abnutzten und eine kontinuierliche Funktion nicht garantiert werden konnte. Daher mussten die einzelnen Geräte alle möglichen Überspannungen, Stromausfälle und Stromstöße verkraften, die auftraten. Es spielte dabei keine Rolle, dass die Leuchten gelegentlich heller oder dunkler wurden.

Da die Batterie auch mit Schaltgeräten, Relais und anderen schweren elektrischen Lasten wie Anlassermotoren verbunden war, kam es regelmäßig zu Spannungsabfällen und Spannungsspitzen sowie zu EMI- und Hochfrequenzstörungen (EMI/RFI). Die Fahrgäste bekamen von diesen Störungen kaum etwas mit, abgesehen von gelegentlichen Helligkeitsschwankungen in der Kabinenbeleuchtung.

Heute ist das ganz anders: Moderne Schienenfahrzeuge sind mit Kommunikations- und Steuerungselektronik ausgestattet, und die Fahrgäste erwarten immer häufiger auch Mobilfunk-Repeater und WLAN mit „sauberem“ Wechselstrom- und USB-Gleichstromanschluss an jedem Sitzplatz. Angesichts der Rahmenbedingungen und der Vielfalt der angeschlossenen Geräte wird die Stromumwandlung zunehmend dezentralisiert. Jeder Wandler, der als Schnittstelle zwischen dem reinen DC-Bus, der Zugelektronik und den teuren tragbaren Geräten der Fahrgäste dient, muss so konzipiert sein, dass er die elektrischen Spezifikationen der Bus-Spannung und die raue physikalische Umgebung eines Zuges erfüllt.

Wo liegt das Problem?

Die Norm EN 50155 - Bahnanwendungen - Schienenfahrzeuge - Elektronische Geräte - gilt für Elektrogeräte, die an die Bahnindustrie geliefert werden, und wurde von den meisten Schienenfahrzeugherstellern übernommen. Sie bezieht sich auf batteriebetriebene Systeme und Stromversorgungen im Niederspannungsbereich, die direkt (oder indirekt) mit dem Stromnetz verbunden sind, und deckt Anwendungen in den Bereichen Steuerung, Einstellung, Schutz und Versorgung ab. Gleichspannungswandler in Elektrogeräten für den Einsatz in Fahrzeugen müssen die EN 50155 in allen folgenden Punkten einhalten:

Eingangsspannungsbereich

Die im Schienenverkehr am häufigsten verwendeten Batteriespannungen sind 24 V, 48 V, 72 V, 96 V und 110 V. Aufgrund der unvermeidlichen Spannungseinbrüche und -spitzen, die durch den Strombedarf mehrerer Bordsysteme verursacht werden, schwanken diese Werte stark. Die EN 50155 legt fest, dass diese Werte zwischen dem 0,7- und 1,25-fachen ihres Nennwerts liegen dürfen, wobei auch stärkere transiente Schwankungen von 0,6 bis 1,4 Nennwerten (für eine Dauer von bis zu 100 ms) akzeptabel sind.

Elektromagnetische Verträglichkeit

Die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) von Elektrogeräten richten sich danach, wie sie mit der äußeren Umgebung verbunden sind. Diese Schnittstellen werden als Ports („Anschlüsse“) bezeichnet. Für verschiedene Anschlüsse gelten unterschiedliche EMV-Anforderungen. Für Batterieanschlüsse im Frequenzbereich von 9 kHz~150 kHz gibt es keine Emissionsgrenzwerte. Die gleichen EMV-Anforderungen gelten für batteriebezogene, Signal- und Kommunikations-, Prozessmess- und Steueranschlüsse. Sie sind in EN 50121-3-2 festgelegt.

Mechanische Stöße und Vibrationen

Elektrogeräte müssen in der Lage sein, den Stoß- und Vibrationsbelastungen, denen ein Zug im regulären Betrieb ausgesetzt ist, ohne Beeinträchtigung der Leistung standzuhalten. Der Zughersteller kann diese Werte festlegen. Ansonsten müssen sie die Anforderungen der EN 61373 Kategorie 1, Klasse B (Tabelle 1) erfüllen.

Tabelle 1: Stoß- und Vibrationstests

Temperatur und Feuchtigkeit

Elektrogeräte müssen so konzipiert sein, dass sie in verschiedenen Temperaturbereichen voll funktionsfähig sind (Tabelle 2).

• Fahrgast- und Lokführerräume fallen unter die Klassen OT1 und OT2 (mit einer Standard-Referenztemperatur von +25 °C).
• Die Klassen OT3 und OT4 gelten für Geräte in Schaltschränken (mit einer Standard-Referenztemperatur von +45 °C).
• OT3 ist die Standardklasse.

Tabelle 2: Temperaturtests

Isolationsspannung

Diese Spezifikationen stellen sicher, dass die Leiter in den Netzteilen ausreichend elektrisch isoliert sind und einen ausreichenden Abstand haben, sodass Leckströme und Lichtbogenbildung kein Problem darstellen. Dieser Test besteht aus zwei Teilen:

• Eine Messung des Isolationswiderstands, die bei 500 VDC durchgeführt wird. Der erforderliche Mindestwert für den Isolationswiderstand beträgt 20 Megaohm.
• Der zweite Teil ist ein Test der Spannungsfestigkeit (Tabelle 3). Die Spannung wird langsam (üblicherweise in 10-Sekunden-Intervallen) bis zum Maximalwert erhöht. Dabei wird die Spannung je nach Zweck des Tests zehn Sekunden oder eine Minute lang aufrechterhalten.

Tabelle 3: Tests zur Isolierung und Spannungsfestigkeit

Typische Leistungswandler

Je nach Leistungsstufe und Anwendung werden in Schienenfahrzeugen DC-DC-Wandler mit verschiedenen Formfaktoren verwendet. Bei höherer Leistung sind Gehäusebauteile typisch, die entsprechend robust sind, um die Stoß- und Vibrationsanforderungen zu erfüllen, wobei alle offenen Leiterplatten lackiert sind. Bis zu einer Leistung von etwa 600 W kommt die Eurocassette häufig zum Einsatz. Dieses Produkt für den Rackeinbau arbeitet mit dem Standardstecker DIN 41612 H15 und ist in vielen Leistungsstufen und mit vielen Optionen erhältlich. Sowohl die Produkte für den Rackeinbau als auch die Kassettengeräte haben in der Regel Bus-Ausgänge mit 12, 24 oder 48 V. Sie bieten häufig Optionen wie zusätzliche Filterung, Verpolungsschutz und verlängerte Haltezeit. Das „Hold-up“ oder „Ride-Through“ kann bei niedrigen Nenneingangsspannungen ziemlich schwierig sein. Wenn beispielsweise eine 100-W-Versorgung bei einem Wirkungsgrad von 80 % 10 ms lang für Anwendungen der Klasse 2 mit einem Eingangsbereich von 16 bis 36 V bei einer Nennspannung von 24 V aufrechterhalten werden soll, ist ein Kondensator am Eingang von etwa 8.000 µF bei 40 V erforderlich. Das entspricht einer Grundfläche von etwa 40 cm². Dies ist eine beträchtliche Größe, ein erheblicher Kostenfaktor und ein wichtiger Faktor bei der Berechnung der Gesamtzuverlässigkeit und Lebensdauer. Die EN 50155 definiert zudem Unterbrechungen, die durch Kurzschlüsse am Eingang verursacht werden. Daher ist auch eine Serien-Eingangsdiode notwendig, um den Hold-up-Kondensator zu isolieren. Das führt allerdings zu einem zusätzlichen Leistungsverlust und Spannungsabfall, sodass der Eingangsbereich des Wandlers erweitert werden muss. Andere Lösungen für den Hold-up könnten darin bestehen, den Eingang intern auf eine höhere Spannung anzuheben, damit ein kleinerer Kondensator für die gleiche Energiespeicherung verwendet werden kann. In jedem Fall müssen jedoch der Einschaltstrom und die Laderate des Kondensators kontrolliert werden, was wiederum die Häufigkeit der zulässigen Ausfälle auf etwa 1 in 10 Sekunden begrenzen kann.

Bei einigen Produkten können die Ausgänge der Wandler parallel geschaltet werden, um zusätzliche Leistung oder Redundanz mit entsprechender Signalisierung zu erhalten. Die Wandler haben häufig einen großen Eingangsspannungsbereich, um möglichst viele Batterie-Nennspannungen mit ihren Einbrüchen und Überspannungen abzudecken.

Es werden auch auf der Leiterplatte montierte Produkte mit bis zu etwa 100 W verwendet, die streng regulierte Niederspannungsausgänge für digitale und analoge Schaltungen liefern. Diese können auch direkt aus dem DC-Bus gespeist werden und benötigen daher häufig einen Überspannungs- und Transientenschutz sowie einen Schutz vor schädlichen Umgebungseinflüssen. Für DC-DC-Wandler ist in der Regel eine Isolierung erforderlich, deren Stärke von der Anwendung bestimmt wird, aber in der Regel BASIC oder REINFORCED ist.

Die Norm EN 50155 enthält ein Diagramm zur Bestimmung der EMV-Bereiche A, B und C, das in Abbildung 1 in verkürzter Form mit der typischen Anordnung eines DC/DC-Wandlers dargestellt ist.

Abbildung 1: EMV-Bereiche von Zugsystemen

Die isolierten Gleichspannungswandler der PRQE-Serie von CUI Inc. erfüllen die EMV-Prüfanforderungen der EN 50121-3-2 in vollem Umfang und wurden für Systeme entwickelt, die den Anforderungen der EN 50155 für Bahnanwendungen entsprechen müssen. Diese Quarter-Brick-Wandler sind ebenfalls nach EN 62368-1 zertifiziert und werden in verschiedenen Leistungsstufen angeboten, darunter 50 W und 75 W. Die Wandler sind in einem vollständig gekapselten Gehäuse aus einer Aluminiumlegierung mit schwarzem Kunststoffboden verbaut und entsprechen der Brennbarkeitsklasse UL 94V-0. Sie haben einen Wirkungsgrad von bis zu 94 %, einen extrem weiten Eingangsbereich von 4:1 und bieten einen Überstrom-, Überspannungs- und Kurzschlussschutz.

Die Wandler der PRQ-Serie sind in einem DIP-Gehäuse mit oder ohne Kühlkörper oder Grundplatte erhältlich. Sie eignen sich nicht nur für Bahnanwendungen, sondern auch für Daten-, Telekommunikations-, Robotik- und Industrieanwendungen und können überall dort eingesetzt werden, wo hohe Leistung aus einem Gerät in einem kompakten Gehäuse benötigt wird.

Die Quarter-Brick-Wandler der Serie 0RQB-50Y05x von Bel Power Solutions liefern eine Ausgangsleistung von 50 W aus einem breiten Eingangsbereich (24 V, 48 V, 72 V, 96 V, 110 V typisch). Sie bieten eine Hilfsversorgung von 5 V/5 mA und können bei Hinzunahme eines großen Hold-Up-Kondensators bis zu 12 ms weiterarbeiten, wenn die Eingangsversorgung unterbrochen wird. Die isolierten DC/DC-Wandler der Serie 0RQB-50Y05x von Bel Power Solutions besitzen zudem eine Remote-Ein/Aus-Funktion, einen Unterspannungsschutz am Eingang, einen Überspannungsschutz am Ausgang sowie einen Überstrom- und Kurzschlussschutz.

Die isolierten DC/DC-Wandler RQB-100Y 100W von Bel Power Solutions sind Hochleistungsgeräte, die speziell für Bahnanwendungen und die dazugehörigen Geräte entwickelt wurden. Die RQB-100Y DC/DC-Wandler zeichnen sich durch eine Einzelausgangsleistung von 100 W, einen weiten Eingangsspannungsbereich von 14 VDC bis 160 VDC und einen Betriebstemperaturbereich von -40 C bis +105°C aus. Sie verfügen über Schutzfunktionen gegen Eingangsunterspannung, Ausgangsüberspannung, Überstrom, Kurzschluss und Übertemperatur. Die isolierten DC/DC-Wandler RQB-100Y 100W von Bel Power Solutions besitzen außerdem eine Remote-Ein-/Aus-Funktion, eine Remote-Sense-Kompensation, eine programmierbare Unterspannungssperre, eine Hold-up-Funktion und eine Trimmfunktion für die Ausgangsspannung.

Fazit

Bei der Entwicklung ist die Einhaltung der Norm EN 50155 keine leichte Aufgabe, denn die elektrischen und umgebungsbedingten Anforderungen sind denkbar ungünstig. Kommerzielle Lösungen von der Stange entsprechen meist nicht der Spezifikation, insbesondere im Hinblick auf die dauerhafte Zuverlässigkeit. Speziell entwickelte Wandler von Herstellern wie Bel Power Solutions sind eine sichere Lösung mit einer langen Erfolgsgeschichte.