Skalierbare Energielösungen für Bahnanwendungen

Autor: Technische Abteilung von P-DUKE

Übersetzung: OLFER Electronics Marketingabteilung

Obwohl sich das äußere Design von Zügen über die Jahre kaum verändert hat, entwickelt sich ihr Innenraum stetig weiter. Die Elektrifizierung und die Integration neuer Technologien schreiten rasant voran, um Sicherheit, Zuverlässigkeit und Bedienbarkeit zu verbessern. Mechanische Komponenten werden zunehmend durch wirtschaftlichere und weniger störungsanfällige elektronische Geräte ersetzt; Überwachungssysteme ermöglichen die Kontrolle aller Zugfunktionen, und die Kommunikation mit der Leitstelle wird kontinuierlich ausgebaut.

Dieser Wandel ist besonders in den Führerständen sichtbar, wo Monitore analoge Anzeigen und Warnleuchten ersetzt haben und weniger Schalter und Hebel zum Einsatz kommen. Selbst in weniger sichtbaren Bereichen werden zahlreiche Computer, GPS-Systeme, GSM-Kommunikationseinheiten und Bussysteme verwendet, um die vielen Steuersignale im gesamten Zug zu verarbeiten.

Eine der größten Herausforderungen bei der zunehmenden Elektrifizierung ist der verfügbare Platz. Die mechanische Konstruktion eines Zuges lässt sich nicht ohne Weiteres ändern, und Geräte mit mehr Funktionen und höherem Leistungsbedarf müssen in den durch das bestehende System vorgegebenen Raum passen. Für Stromversorgungen und DC/DC-Wandler bedeutet dies den Bedarf an deutlich höherer Leistungsdichte und Effizienz.

Deshalb suchen Hersteller nach einheitlichen Lösungen, die Entwicklungskosten senken und die Anzahl der Leistungsvarianten minimieren. Entscheidend sind Module, die sich ohne Neuentwicklung der gesamten Elektronik problemlos an die unterschiedlichen Spannungs- und Leistungsanforderungen jeder Anwendung anpassen lassen.

Die neue QBE-Familie von DC/DC-Wandlern von P-DUKE im Standard-Viertel-Brick-Format (57,9 x 36,8 mm oder 2,28 x 1,45 Zoll) ermöglicht es Kunden, kompaktere und leistungsstärkere Lösungen zu entwickeln, die durch einfaches Austauschen des Moduls und Modifizieren einiger externer Komponenten an verschiedene Anwendungen angepasst und skaliert werden können.

In einem konkreten Fall wünschte ein Kunde die Neugestaltung der zentralen Türsteuerungseinheit eines Zuges, um neue Sicherheitsfunktionen zu integrieren, darunter ASDO (Automatic Selective Door Opening), ein automatisches, selektives Türöffnungssystem, das GPS-Informationen nutzt. Aufgrund dieser neuen Funktionen verdoppelte sich der Leistungsbedarf von 12 V/35 W auf 12 V/70 W. Darüber hinaus wollte der Kunde die Entwicklungskosten senken, indem er für einen Türöffnungskreis mit 24 V/95 W das gleiche Netzteil verwendete.

Das vorherige System verwendete einen 40-W-Wandler im 2 x 1 Zoll-Format mit einem Wirkungsgrad von 86 % bei einer Ausgangsleistung von 35 W.

Die Verluste im Wandler betragen:

Die erzeugte Wärme wurde über die Oberfläche des Moduls und einen zusätzlichen Kühlkörper in das System abgeführt.

Das neue Modul P-DUKE QBE75W, das für den Einsatz unter den anspruchsvollen Umgebungsbedingungen von Bahnanwendungen konzipiert wurde, nutzt fortschrittliche Leistungswandlungstechnologien und erreicht einen Wirkungsgrad von 91 % bei einer Last von 70 W und erzeugt Verluste von nur 6,9 W.

Obwohl sich die Leistung verdoppelte, erhöhten sich die Verluste nur um 20 % (1,2 W).

Dank des verbesserten Wärmedesigns dieses Moduls kann der größte Teil der Wärme über das Motherboard an das Metallgehäuse des Geräts abgeleitet werden, wodurch die thermische Belastung der übrigen elektronischen Bauteile reduziert wird.

Die QBE-Familie ist mit verschiedenen Eingangsspannungsbereichen erhältlich:

• 24V (9-36V)
• 48V (18-75V)
• 110V (40-160V)

Diese Bereiche ermöglichen die Abdeckung der in Bahnanwendungen verwendeten Hauptspannungen, einschließlich Unterspannungen und Transienten.

Warum nicht ein einzelnes Modul verwenden, das den gesamten Spannungsbereich abdeckt?

Bei einer Auslegung mit einem Eingangsverhältnis von 8:1 oder 12:1 ist es schwierig, über den gesamten Betriebsbereich einen optimalen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten, da alle Komponenten sowohl den hohen Strömen bei niedrigen Eingangsspannungen als auch den höheren Betriebsspannungen bei hohen Eingangsspannungen standhalten müssen.

Der Eingangsstrom wird anhand der folgenden Formel berechnet:

Dieses Diagramm zeigt die unterschiedlichen Eingangsströme für verschiedene Betriebsspannungen bei einem Wirkungsgrad von 91 % und einer Ausgangsleistung von 70 W.

Es ist offensichtlich, dass ein universelles Design nicht ideal ist, wenn maximale Leistungsdichte und Effizienz angestrebt werden, da die meisten Bahnsysteme für eine spezifische Zuganwendung konzipiert und konfiguriert sind, bei der die Versorgungsspannung konstant bleibt. Dies ermöglicht die Optimierung externer Komponenten wie z. B. EMV-Filter, Sicherungen und Steckverbinder speziell für jeden Zug. Auf diese Weise muss die Leiterplatte nur so ausgelegt werden, dass sie die maximal zu erwartenden Ströme und die verschiedenen Bauteilvarianten unterstützt.

Wie bei nahezu allen aktuellen CPU-Platinen ist auch die im Türöffnungssteuerungssystem verwendete Platine mit einem Spannungsreglermodul (VRM) ausgestattet. Dieses erzeugt die für den Mikroprozessor benötigten Niederspannungen aus dem 12-V-Bus, während die restlichen Spannungen für Speicher und Schnittstellen von energiesparenden DC/DC-Wandlern bereitgestellt werden. Aufgrund der hohen Isolationsanforderungen der Schnittstellen wurde ein P-DUKE-Modul mit 3000 V DC-Isolation gewählt.

Für das elektrische Türöffnungssystem, das 24V/95W benötigt, kann der Kunde das bisher verwendete Halbziegelmodul durch das neue QBE100W ersetzen, das ein Viertelziegelformat aufweist, 40% kompakter ist und eine um 4% höhere Effizienz besitzt, wodurch die Verluste um 33% reduziert werden.

Die QBE-Familie bietet Ausgangsspannungen von 3,3 V bis 54 V und weist in den Versionen mit 75 W und 100 W identische elektrische Eigenschaften, EMV-Verträglichkeit und Leiterplattendesign auf. Dadurch konnte die 100-W-Lösung innerhalb weniger Stunden statt Wochen oder Monate entwickelt werden, ohne dass umfangreiche Zusatztests oder kostspielige Zertifizierungsverfahren erforderlich waren.

Was ist, wenn eine Anwendung eine andere Ausgangsspannung erfordert? Ersetzen Sie einfach das Modul durch ein anderes Modell derselben Familie und passen Sie einige externe Komponenten an.

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