Bordnetz Spannungswandler überbrücken Netzausfälle

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Kurzzeitige Netzausfallunterbrechungen auf Fahrzeugen können zu unliebsamen Störungen in der Elektronik führen. Insbesondere in sicherheitsrelevanten Anwendungen müssen diese unterdrückt werden. Welches die Ursachen sind und wie sich solche Spannungseinbrüche wirkungsvoll überbrücken lassen, lesen Sie in diesem Beitrag.

Firmen zum Thema

Bild 5: Eine Diode verhindert, dass die Energie im Störfall zur Batterie zurück oder in den temporären Kurzschluss fließt
Bild 5: Eine Diode verhindert, dass die Energie im Störfall zur Batterie zurück oder in den temporären Kurzschluss fließt
( Archiv: Vogel Business Media )

Ungewollte Spannungseinbrüche im Bordnetz können z.B. folgende Ursachen haben:

  • kurzzeitiges Öffnen oder Prellen eines Schalters in der Versorgungsleitung,
  • Zuschalten einer kapazitiven Last parallel zum Spannungswandler o. zur Elektronik,
  • Kurzschluss im Eingangsteil eines parallel geschalteten Verbrauchers bis zur Auslösung einer Schmelzsicherung,
  • Ansprechen der Ue,max,-Abschaltung durch induktive Schaltspitzen auf der Versorgungsleitung.

Bordnetzspannungen sind starken Schwankungen unterworfen. Auf Schienenfahrzeugen dürfen diese um ±40% vom Nennwert abweichen. Beim 72-V-Netz beträgt der Eingangsspannungsbereich eines DC/DC-Wandlers somit 43 101 V. Innerhalb dieses Bereiches muss die Spannung Ua vom Wandler stabil gehalten werden. Stromlastschwankungen auf der Elektronikseite sind zusätzlich auszuregeln. Spannungswandler haben also die Aufgabe aus dieser unstabilen, nicht geregelten Batteriespannung, eine stabilisierte Spannung zu gewinnen. Diese muss von solchen ein- und ausgangsseitigen Schwankungen weitestgehend unabhängig sein. Daneben treten jedoch auch dynamische Abweichungen der Bordnetzspannung auf. Ursachen dafür können unterschiedliche Belastungen der Batterie durch Ladegerätschwankungen sein, das Zuschalten hoher Stromverbraucher, lange Leitungen von 50 ... 100 m oder Teil-/Volllast einzelner Verbraucher, Störfälle usw. (Bilder 1 und 2).

Bildergalerie

Spannungseinbrüche auf dem Bordnetz von 1 ms lassen sich bei klassischen DC/DC-Wandlern mit Schaltfrequenzen zwischen 25 und 250 kHz meist mit der Glättungs-kapazität im Ausgang des jeweiligen Spannungswandlers überbrücken. Dazu nutzt man den zugelassenen Spannungsabfall an der Ausgangsspannung von max. Ua,nenn -5%, bei der die zu versorgende Elektronik noch sicher funktioniert (Bild 3).

Hochfrequenzwandler mit Taktfrequenzen von 400 kHz bis - 1 MHz, z.B. Resonanzwandler, haben meist eine sehr niedrige Ausgangskapazität von wenigen µF. Damit lässt sich keine nennenswerte Stützzeit gewinnen. Diese muss dann bei Bedarf extern dazugeschaltet werden.

Zeigen lässt sich dies am Beispiel eines 50-W-Wandlers mit Ua=12 V, Ia=4 A, C=8 mF. Die Energie in der Ausgangskapazität reicht in diesem Fall für die Zeitspanne

I = C du/dt

Δt = C ΔU/I

8 mF 0,6 V/4 A = 1,2 ms

Serienersatzwiderstand, Alterung der Kapazität(en) und Leitungswiderstand sind dabei vernachlässigt.

Das heißt, bei Spannungseinbrüchen zwischen 0,1 ms ≤ t ≤ 1 ms auf der Primärseite, wenn der Wandler abschaltet, merkt die zu versorgende Elektronik von dieser Störung zunächst nichts. Voraussetzung dafür ist, dass die zu versorgende Elektronik einen Spannungseinbruch von -5% verträgt und beim DC/DC-Wandler keine verzögernden Einflüsse beim neuen Anlauf auftreten, z.B. Softstart. Die Abschaltreaktionszeit wird typisch bei 0,2 ms eingestellt. Damit reagiert der Wandler nicht bereits auf kleinste Netzstörungen, wird jedoch bei länger andauernden Einbrüchen zuverlässig geschützt.

Typische Spannungseinbrüche auf der Batterieleitung, z.B. durch das Ansprechen von Schutzelementen und dem damit verbundenen Auslösen von Schmelzsicherungen oder Sicherungsautomaten, können zwischen 0,1 ms und 25 ms betragen.

Damit Spannungswandler in definierten Arbeitsbereichen betrieben werden, verfügen sie über Einschalt- bzw. Ausschaltschwellen. Das heißt, wenn die Batteriespannung auf einen Wert unterhalb der spezifizierten Grenze sinkt, in unserem Beispiel 43 V, so schaltet der DC/DC-Wandler aus. Ansonsten würde er außerhalb seines spezifizierten Arbeitsbereichs betrieben. Das Tastverhältnis der Leistungshalbleiter würde dann unzulässig hoch werden, was auch aufgrund von unzulässig hohen Schaltströmen und Reversespannungen an den Halbleitern zur Zerstörung führen kann. Nach dem Abschalten des Wandlers beginnt sofort auch die Ausgangsspannung abzusinken. Ein Neustart des Wandlers bzw. der Elektronik kann, bedingt durch Softstart bzw. Bootvorgängen, zu deutlich längeren Systemunterbrechungen führen als die Dauer der Netzausfallzeit, die den Aus- und Einschaltvorgang verursacht hat.

In der Bahntechnik werden hierzu unterschiedliche Überbrückungszeiten für die jeweilige Nennleistung des DC/DC Wandlers klassifiziert:

  • S1: keine Überbrückungszeit gefordert,
  • S2: 10 ms.

Dabei wird die Ausfallzeit bezogen auf die jeweilige Batterienennspannung bemessen. Dies ist unter Umständen nicht ganz unproblematisch. Eine hohe Batteriespannung bedeutet dann eine lange Überbrückungszeit, eine niedrige Batteriespannung und eine dementsprechend kurze Speicherzeitreserve.

Diese Netzeinbrüche sind zudem in ihrem zeitlichen Auftreten und in ihrer Wiederholrate undefiniert. Sollen diese Störungen auch innerhalb der Nutzungsdauer von beispielsweise 20 Jahren eines Spannungswandlers gleich bleibend unterdrückt werden, muss die Überbrückungszeit unabhängig von Alterungsfaktoren wie der Wechselspannungsbeeinflussung von Aluminium-Elektroytkondensatoren oder dem Austrocknen des Elektrolyts konzipiert werden.

Müssen größere Zeitspannungen überbrückt werden, kann die Energie also nicht einfach aus den sekundärseitig zur Glättung der Ausgangsspannung erforderlichen Kondensatoren bereitgestellt werden. Die Überbrückungszeit wird dann z.B. mit Al-Elkos auf der Primärseite realisiert. Entsprechende Spanungswandler gibt es von Grau Elektronik je nach Leistung für Speicherzeiten zwischen 10 ms und 6 s.

Bezogen auf den 50-W-Wandler bei t=10 ms bedeutet das eine Eingangskapazität von

C ≥ 2 P/η t/[U2² - U1²] 2 50 W / 0,85 0,01 s/ [(72 V)² - (43 V)²] = 352 μF

Speicherzeit entspricht dem Aufladen der Elkos auf das Niveau der Bordnetzspannung. Diese Formel gilt nur annähernd, da sich der DC/DC-Wandler in der Stromaufnahme wie ein „negativer“ Widerstand verhält. Die Entladezeit errechnet sich genauer nach

U(t) = Uo e-t/RC

Mit Uo = Ladespannung für die Speicherkapazität, U(t) = Entladespannung ehe der Wandler abschaltet, R = u(t)²/P*, C = Kapazität des Ladeelkos, P* = Eingangsleistung des Wandlers.

Hierzu sind dann zwei Elkos mit je 330 μF/160 V erforderlich. Die Anliefertoleranz der Kondensatoren beträgt typisch ±20%. Damit stehen für den worst Case C = 660 μF * 0,8 = 528 μF zur Verfügung.

t=-ln(43 V/72 V)*((72 V/0,81 A + 43 V/1,36 A))/2 * 660 µF = 20,1 ms

bei C=Cnenn-20% stehen noch 16 ms zur Verfügung. Diese Reserve wird für die Alterung der Kondensatoren und den Spannungsabfall an der Entkopplungsdiode und Serienersatzwiderstand benötigt. Die gespeicherte Energie ist aber auch eine Funktion von Ue und geringfügig vom temperaturabhängigen Serienersatzwiderstand des Elkos abhängig.

Wird der Elko nur auf 65 V aufgeladen (Ue,nenn - 10%) steht nur noch eine Speicherzeit von t=16,3 ms (660 μF) t=13,1 ms (528 μF) zur Verfügung.

Die Speicherzeit wird nach der Formel W=½ CU² bestimmt.

Damit ist es naheliegend, Kondensatoren auf ein Spannungsniveau über der Batteriespannung aufzuladen, da die Energie quadratisch mit der Spannung zunimmt. Damit lässt sich mit einem kleineren Volumen mehr Speicherzeit zur Verfügung stellen. Erzeugt man eine stabile und von der Eingangsspannung unabhängige Ladespannung von 100 V ergibt sich ein C von:

C = 2P/η t/[U2² - U1²] 2 * 50 W / 0,85 0,01 s/[ (100 V)² - (43 V)²] = 144 μF. Jetzt reicht schon ein Elektrolytkondensator mit 330 μF/160 V zur zuverlässigen Überbrückung eines Netzausfalls.

Mit U(t) = Uo * e-t/RC

folgt durch Umstellen der Formel für t:

t=-ln(43 V/100 V) ((72 V/0,81 A + 43 V/1,36 A))/2 330 μF = 16,7 ms

Selbst bei einer zulässigen Schwankung um -20% der Kapazität beträgt die Netzausfallüberbrückungszeit noch

t=-ln(43 V/100 V) ((72 V/0,81 A + 43 V/1,36 A))/2 264 μF=13,1 ms

Darüber hinaus ist sicherzustellen, dass die Energie im Störfall nicht zur Batterie zurück oder in den temporären Kurzschluss fließt und dort nutzlos verpufft. Mit einer Diode kann der Energiefluss in die falsche Richtung verhindert werden.

Für höhere Ausgangsleistungen von 150 W, 250 W oder 500 W machen sich die Einsparungen an der Speicherkapazität dem entsprechend noch stärker bemerkbar.

Beide Methoden haben Vor- und Nachteile. Beim Ausladen auf Netzspannungsniveau muss der Einschaltstromstoß von der Sicherung verarbeitet werden, ohne dass diese altern oder gar auslösen darf. Das Aufladen auf ein höheres Spannungsplateau erfordert dagegen etwas mehr schaltungstechnischen Aufwand, ist damit aber von der Eingangsspannung unabhängig.

Zuverlässige, ausfallsichere Spannungsversorgungen werden bei Grau Elektronik mit zwischenkreisgepufferter Überbrückungskapazität ausgeführt. Damit lassen sich temperatur- und spannungsunabhängige, zuverlässige Speicherzeiten bei optimierten Preis,- Leistungs und Raumverhältnissen realisiern.

Damit die Ausfallzeit optimal genützt werden kann, sollten die Wandler zudem über einen hohen Wirkungsgrad verfügen. Die von Grau Elektronik mit galvanischer Trennung arbeitenden Wandler der Serien WBB 50 W bis 150 W sowie DDB 250 W und 500 W weisen Wirkungsgrade zwischen 87% und 91% über den gesamten Ue-Betriebsbereich und Nennlast auf.

(ID:242553)