Wie in den meisten Industriezweigen gibt es auch im Eisenbahnbereich zahlreiche Normen, die erfüllt werden müssen. Diese Geräte arbeiten unter extremen elektrischen Bedingungen. Die Stromversorgung kann über einen Stromabnehmer, einen Generator oder ein Batteriemanagementsystem erfolgen, und der Eingangsspannungsbereich ist außergewöhnlich groß. So müssen beispielsweise Systeme für Stadtbahnwagen mit Nenngleichspannungen von 24 V, 48 V, 96 V oder 110 V betrieben werden. Lieferanten solcher elektrischer Geräte sollten dies mit einem einzigen Stromrichter mit breitem Eingangsspannungsbereich abdecken.
Eine weitere Herausforderung ist die allgemeine elektrische Umgebung. Die Versorgungsspannung kann zwischen 0,6 und 1,4 des Nennwerts schwanken. Daher muss ein einzelner Stromversorgungsansatz eine Eingangsspannung zwischen 14 V und 154 V unterstützen. Hinzu kommen Versorgungsunterbrechungen, wie sie in EN50155 - Bahnanwendungen - Schienenfahrzeuge - Elektronische Geräte - definiert sind. Wenn die Klasse S3 spezifiziert ist, muss das Gerät wie angegeben funktionieren, wenn die Eingangsspannung für 20 ms auf 0 V abfällt. Dies bedeutet, dass eine Überbrückungsschaltung erforderlich ist, um solche Unterbrechungen zu überbrücken.
Typische Stromversorgung mit Überbrückungsansatz
Heutzutage würden die meisten Ingenieure ein EN50155-geprüftes 12:1-DC/DC-Netzteil mit ultraweitem Eingangsspannungsbereich beziehen. Dadurch wird sichergestellt, dass nur ein einziges Produkt getestet, zugelassen und auf Lager gehalten werden muss, um alle Kundenanforderungen zu erfüllen. Um die erforderliche Überbrückungszeit von 20 ms zu erreichen, wird dem Eingang eine einfache Schaltung hinzugefügt.
In einem Anwendungsbeispiel wird angenommen, dass ein Stromrichter für ein Fahrgastinformationssystem benötigt wird (Abbildung 1). Dieses umfasst einen kleinen Bildschirm, eine eingebettete Computerplattform und eine industrielle Netzwerkschnittstelle. Die Nennleistung dieses Systems beträgt 40 W.
Das erste Bauteil, C1, ist ein Kondensator (Abbildung 2). Außerdem ist ein Vorwiderstand erforderlich, um den Einschaltstrom zu minimieren (R1). Dieses Bauteil muss jedoch auch so dimensioniert sein, dass sich der Kondensator in angemessener Zeit wieder aufladen kann, um auf spätere Versorgungsunterbrechungen vorbereitet zu sein. Außerdem werden zwei Dioden benötigt. Die erste, D2, sorgt dafür, dass die im Kondensator gespeicherte Energie im Falle einer Unterbrechung der Stromversorgung zugeführt wird. Die zweite, D1, verhindert eine zufällige Beschädigung im Falle einer Verpolung der Eingangsspannung.
Minimale Überbrückungskapazität
Die minimale Überbrückungskapazität kann nun, wie in Abbildung 3 gezeigt, berechnet werden. Ein Faktor von 1,5 ist enthalten, um Komponententoleranzen auszugleichen. Zusätzlich werden der ungünstigste Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung (ηwc), die Nennleistungsaufnahme der Anwendung (Pnom), die Nennversorgungsspannung (Vnom) und die niedrigste Betriebseingangsspannung (VUVLO) benötigt. Die Überbrückungszeit (Thold) vervollständigt die erforderlichen Informationen.
Unter der Annahme einer Nennversorgungsspannung von 24 V, einer Unterspannungsabschaltung (UVLO) von 14,4 V und einem Wirkungsgrad des Wandlers von 93 Prozent erfordert dieser Ansatz eine Mindestkapazität von etwa 7.200 µF.
Da sich der Kondensator jedoch am Eingang des Stromrichters befindet, muss eine potenzielle maximale Transientenspannung von bis zu 154 V in Kauf genommen werden. Um die Lösung kosteneffektiv zu halten, würden mehrere 200-V-Kondensatoren kombiniert werden, um die erforderliche Kapazität zu erreichen, zum Beispiel sechzehn 470-µF-Komponenten. Dies erfordert einen erheblichen Platz- und Volumenbedarf auf der Leiterplatte, um so viele Komponenten unterzubringen, und verursacht erhebliche Mehrkosten.
Stromrichter mit integrierter Überbrückungsunterstützung
In Anerkennung dieser Herausforderungen bei Bahnanwendungen haben einige DC/DC-Leistungswandler den Großteil der Überbrückungsschaltung integriert, was die Implementierung vereinfacht. Die TEP-40UIR-Serie von Traco Power beinhaltet beispielsweise spezielle DC/DC-Eisenbahnstromrichter mit einem 12:1-Eingangsspannungsbereich von 14 V bis 160 V. Sie verfügen auch über einen Bus-Pin für Überbrückungskondensatoren, die entsprechend den Anforderungen der Anwendung dimensioniert werden können. Da der Bus-Pin jedoch nur eine vordefinierte Spannung von 21,4 V benötigt, können Kondensatoren mit einer Nennspannung von 25 V unabhängig von der angelegten Eingangsspannung verwendet werden. Da die Überbrückungsschaltung integriert ist, entfallen außerdem die externe Diode (D2) und der Einschaltwiderstand (Abbildung 4).
Die gleiche Formel wird verwendet, um einen Vergleich der beiden Ansätze zu vereinfachen. Man kann von demselben Stromrichterwirkungsgrad (93 Prozent) und UVLO (14,4 V) ausgehen und nur die nominale Versorgungsspannung auf 21,4 V ändern. Dies führt zu einer geringfügig höheren Überbrückungskapazität von etwa 10.600 µF. Es müssen jedoch nur zwei kostengünstige 25-V-Kondensatoren mit 6.800 µF beschafft werden, die deutlich weniger Platz auf der Platine benötigen und etwa fünfzehnmal weniger Volumen beanspruchen.
Überbrückungsunterstützung vereinfacht das Design von Bahnstromversorgungen
Die Auswahl von Stromrichtern für Bahnanwendungen ist eine Herausforderung. Trotz des breiten Eingangsspannungsbereichs möchten Anwendungsentwickler ihren Entwicklungsaufwand und ihre Beschaffungsprobleme vereinfachen, indem sie eine extrem breite Eingangsversorgung wählen, die alle Eventualitäten abdeckt. Die nächste Komplikation ist jedoch die Einhaltung der erforderlichen Überbrückungszeit.
Der Aufbau einer Überbrückungsschaltung, die direkt mit dem Eingang des Stromrichters verbunden ist, bedeutet die Auswahl von Kondensatoren mit hoher Spannungsfestigkeit. Glücklicherweise gibt es Stromrichter mit integrierter Überbrückungsunterstützung, wie zum Beispiel die Serie TEP 40UIR. Diese ermöglichen den Einsatz von Kondensatoren mit niedrigerem Spannungswert (25 V), die den Anforderungen der Anwendung entsprechen und gleichzeitig niedrigere Kondensatorkosten und ein kompakteres Design bieten.
