Hitze und Kälte zum Trotz
DC/DC-Wandler für die Bahntechnik
Kommen elektronische Baugruppen im Freien zum Einsatz, sind sie weit höheren Anforderungen ausgesetzt als in Heim oder Büro. Hitze, Kälte und Vibration stellen eine besondere Belastung für Bauteile und Materialien dar. Auch DC/DC-Wandler, die in Bahntechnik oder Luftfahrt zum Einsatz kommen, müssen unter extremen Bedingungen langfristig zuverlässig funktionieren.
Hitze und Kälte sind die natürlichen Feinde der Elektronik. Dennoch müssen sie direkter Sonneneinstrahlung – im Sommer bei Temperaturen von über 60°C – und im Winter bei klirrender Kälte bis unter -30°C trotzen. Kommen dann noch starke Vibrationen hinzu, z.B. beim ‚On Bord‘-Betrieb auf Zügen, sind durchschnittliche DC/DC-Wandler überfordert. Hier sind Produkte gefragt, die speziell für den Bahnbereich zertifiziert sind. Doch bereits viele Standard-Wandler sind serienmäßig bis +65°C spezifiziert. Und auf den ersten Blick stellen die durch Sonneneinstrahlung hervorgerufenen Gehäusetemperaturen von bis zu +60°C keine wirkliche Herausforderung dar. Allerdings darf nicht vergessen werden, was durch Eigenerwärmung von Prozessoren, Leistungshalbleitern oder DC/DC-Wandler im Inneren eines hermetisch abgeschlossenen Gehäuses passiert: Insbesondere dann, wenn der Wirkungsgrad eines Wandlers nicht genügend optimiert ist, können schnell Temperaturen nahe 100°C erreicht werden. Beispielsweise haben vier diskret aufgebaute DC/DC-Wandler mit jeweils 50W Nennleistung einen nur mäßigen Wirkungsgrad von 83%. Bei Volllast nimmt jeder Wandler rund 60W Leistung auf. Die Differenz von 10W wird als Wärme abgestrahlt – insgesamt also 40W. Dies führt in der wasserdichten Steuerung bei direkter Sonneneinstrahlung zu Überhitzung. Es muss also für zusätzlich Kühlung gesorgt oder der Wirkungsgrad der Wandler verbessert werden. Als Alternative zu einem zeitraubenden Re-Design bietet sich ein speziell für die Bahntechnik entwickeltes Modul an. Die RPR50-Serie beispielsweise beansprucht weniger Platz auf der Leiterplatte und erreicht bei Volllast einen Wirkungsgrad von 90%. Der auf den ersten Blick geringe Unterschied von sieben Prozentpunkten halbiert den Energieverlust. Denn bei 50W Nennleistung gehen statt 10 nur 5W pro Wandler verloren. Die Temperatur im Gehäuse reduziert sich dabei im Extremfall um rund 15°C. Da Wandler nicht immer unter voller Nennlast betrieben werden, lohnt sich auch ein Blick auf ihr Verhalten bei niedrigerer Auslastung. Im Normalfall fällt der Wirkungsgrad bis ca. 20% Last langsam ab und tendiert dann schnell gegen Null. Dies führt gerade im Leerlauf zu Energieverlusten und gefährlich hohen Gehäusetemperaturen. Nicht so bei den Wandlern der RPR-Familie: Sie fallen im Leerlaufbetrieb in einen Schlafmodus und entnehmen dabei der Versorgung nur einen Strom von wenigen mA. Während herkömmliche Wandler kritische Gehäusetemperaturen erreichen können, kühlen sich die RPR-Wandler im Leerlauf selbstständig ab.
Mechanische Spannungen bei niedrigen Temperaturen
Bei niedrigen Temperaturen sorgen die unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten für mechanische Spannungen, sowohl innerhalb einzelner Komponenten als auch zwischen Bauteilen und Leiterplatte. Ein Keramik-Kondensator z.B. liegt mit 6ppm/°C um Faktor 2 bis 3 niedriger als handelsübliches FR4-Material für Leiterplatten. Deshalb könnte die Kombination von niedriger Betriebstemperatur und mechanischem Schock zum Defekt führen. Um dies zu vermeiden, ist die Leiterplatte der RPR-Wandler aus einem speziellen Material gefertigt, dessen Temperaturkoeffizient sehr nahe an dem keramischer Kondensatoren liegt. Dadurch sollen sich Spannungsbrüche selbst bei zusätzlicher Belastung durch Vibration vermeiden lassen. Und auch die Elektronik kann Probleme bereiten: Bipolare Transistoren, wie sie in der Rückkopplung des Oszillators zu finden sind, zeigen eine erhebliche Temperaturabhängigkeit. Sinkt z.B. die Betriebstemperatur auf -30°C, halbiert sich der Verstärkungsfaktor, im Vergleich zur Raumtemperatur. Bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen kann es deshalb vorkommen, dass der Wandler nicht zuverlässig anschwingt. Auch hierfür haben die Entwickler von Recom eine Lösung gefunden: Eine spezielle Schaltungstechnik soll dafür sorgen, dass dies auch bei Temperaturen von -45°C und darunter zuverlässig vermieden wird.
Gehäuse für unterschiedliche Aufgaben
Die Wandler des Elektronikherstellers sind durchweg flacher und mit 30,5mm wesentlich schmaler als vergleichbare Produkte auf dem Markt. Von einigen schaltungstechnischen Feinheiten abgesehen unterscheitet sich ihre Topologie primär durch mechanische Besonderheiten, die den thermischen Widerstand verbessern sollen. Die Wärme-aufbauenden Komponenten wie Schalt-FETs und Synchrongleichrichter befinden sich nahe am Metallgehäuse und erwärmen das Modul homogen. Auch die Bodenplatte ist aus Aluminium, sodass sowohl der Wärmetransfer zur Leiterplatte als auch die EMV-Abstrahlung verbessert werden. Der Trafokern sitzt nicht auf sondern in der Leiterplatte. Fertigungstechnisch zwar etwas problematisch, sorgt dies aber beidseitig für gute Kühlung des Kerns. Außerdem wurden die Anschlusskontakte extrem überdimensioniert, um die Wärmeleitung aus dem Inneren des Moduls zusätzlich zu unterstützen. Als Vergussmasse kommt ein hochgradiges Silikon zum Einsatz. Um den Wärmetransfer bei Konvektionskühlung zu verbessern, hat der Elektronikanbieter das Gehäuse der Basisversion als Kühlkörper mit genoppter Oberfläche konzipiert. Durch die Noppen wird die abstrahlende Oberfläche nahezu verdoppelt und die thermische Impedanz verbessert. Dennoch zeigen sich die Noppen nicht immer von Vorteil: Lassen sich nämlich größere Metallteile einer Baugruppe zur Kühlung nutzen, gilt es, möglichst die gesamte Oberfläche des Wandlers – unter Verwendung einer Wärmeleitpaste – thermisch anzukoppeln. Hierfür ist eine Version mit glattem, nur knapp 10mm hohem Flachgehäuse vorgesehen. Die dritte Variante der DC/DC-Wandlern verfügt über eine Montageplatte, die sich fest mit Leiterplatte oder Gehäuse verschrauben lässt. Dies soll zusätzlich zum optimalen Wärmetransfer auch für gute mechanische Stabilität bei Vibrationen sorgen, jenseits der gemäß EN61373 spezifizierten 10G für 15 Stunden in allen drei Achsen hinaus.
Für die Bahntechnik zertifiziert
Die mit 20, 30, 40 und 50W Nennleistung lieferbaren RPR-Wandler sind gemäß EN50155 und EN60950 für den Einsatz in der Bahntechnik zertifiziert. Sie können mit Eingangsspannungen von 12 bis 36V, 25 bis 75V und 40 bis 160V versorgt werden. Der obere Bereich deckt damit die Anforderungen für Nominalwerte von 72, 96 und 110V gemäß EN50155 komplett ab. Am Ausgang stehen wahlweise 3,3, 5, 12, 15, 24, ±12, ±15 und ±24V zur Verfügung. Alle Modelle sind gegen Überlast, Überspannung und Kurzschluss geschützt. Sinkt die Eingangsspannung unter den Grenzwert, schalten die Wandler automatisch ab. Alle Modelle sind serienmäßig bis 2kVDC/1Sek. isoliert und mit EMV-Filter entsprechend EN50121 Klasse A ausgestattet. Die Wandler dürfen bei Umgebungstemperaturen von -45 bis +85°C betrieben werden, ohne dass Abstriche bei Nennleistung oder Derating gemacht werden müssen. Wird die maximale Gehäusetemperatur von +120°C über längere Zeit überschritten, schaltet ein Sensorkreis den Wandler so lange ab, bis er sich auf einen zulässigen Wert abgekühlt hat. Die MTBF ist nach Bellcore mit bis zu 2,2Mio. Stunden spezifiziert. Doch robuste DC/DC-Wandler sind nicht nur in der Bahntechnik gefragt, sondern auch in Steuereinheiten großer Dieselaggregate, in Bordküchen der Flugzeugindustrie, bei Industrierobotern, in Windkraftanlagen, im Maschinenbau und in der Automatisierungstechnik.
