Modulare DC/DC-Stromversorgungssysteme

Modulares System – flexible Stromversorgung

Die Handlungs- und Wandlungsfähigkeit modular versorgter Betriebe oder anderer Einrichtungen beschränkt sich nicht allein auf ein starres Konstrukt, eine feste Unternehmensstruktur oder immer gleichbleibende Produktionsabläufe. Sowohl langfristig betrachtet als auch hinsichtlich fluktuierender Umstände am Markt oder im Betriebsumfeld gewinnt die Flexibilität und Anpassungsfähigkeit durch modulare Stromversorgungssysteme enorm an Bedeutung. 

Als Lösungsanbieter mit mehr als 40 Jahren Erfahrung, breitgefächertem Know-how und tiefgreifender Fachexpertise entwickelt EMTRON individuelle sowie vollumfänglich anwendungsorientierte Modul-Systeme. Getreu den Anforderungen moderner Systemdesigns kann eine zentrale AC/DC-Versorgungsspannung mithilfe mehrerer nachgelagerter Gleichspannungswandler genau nach Bedarf verteilt und angepasst werden. Die unterschiedlichen, im modularen System eingebundenen DC/DC-Wandler sind dabei in der Lage, die Eingangsspannung in eine niedrige, höhere oder invertierte Ausgangsspannung zu wandeln. 

Anforderungen kennen, Systemaufbau planen

Um die modulare DC/DC-Stromversorgung in ein maßgeschneidertes, bedarfsgerechtes und wandlungsfähiges System zu bringen, sollten im ersten Schritt zunächst die angestrebten Basisspezifikationen in den Fokus gesetzt werden. Welche grundlegenden Anforderungen bestehen in puncto Eingangsspannung sowie Ausgangsspannung, Ausgangsstromstärke und Ausgangsleistung? Auch Effizienzvorgaben sowie die physischen Abmessungen der DC/DC-Wandler und des gesamten Systems sind hier bei Bedarf zu berücksichtigen. 

In erster Linie entscheiden die Branche und das konkrete Anwendungsgebiet über die Wahl der passenden Gleichstromwandler. EMTRON arbeitet herstellerunabhängig, baut aber auf ein festes Partnernetzwerk aus etablierten Lieferanten. Zum Pool der professionellen Komponenten zählen u. a. die Produkte von Cincon Electronics, deren Gleichstromwandler sich in die Bereiche Industrie und Schienenverkehr gliedern. Gibt es darüber hinaus spezifische Anforderungen wie ein besonders weiter Eingangsspannungsbereich oder eine hohe Spannung, so sollten auch diese Faktoren die Vorauswahl geeigneter Module frühzeitig beeinflussen. Ebenfalls ein wichtiger Aspekt beim Abgleich der richtigen Systemkomponenten sind branchenspezifische Prüfnormen. Für spätere Zulassungsverfahren oder die zielgerichtete Auswahl geeigneter Netzteile können schon beim Design des Systems wertvolle Vorkehrungen getroffen werden. 

Ist der Rahmen der Systemvoraussetzungen abgesteckt, können verfügbare DC/DC-Module mit unterschiedlichen Eigenschaften und ggf. zusätzlichen Features abgeglichen und ausgewählt werden. Beispielhaft wird angenommen, das Anforderungsprofil eines zu installierenden DC/DC-Stromversorgungssystems soll bei einer Eingangsspannung U_ein zwischen 24 V und 110 V sowie bei einer Ausgangspannung U_aus von 12 V und 24 V liegen. Selbstredend sind dann auch solche Module geeignet, deren Eingangs- und Ausgangsbereich diese Anforderungen übersteigen, bspw. mit einer Eingangsspannung von 14 V bis 160 V. Wenn auch die Leistung sowie der Wirkungsgrad des Moduls den gesetzten Anforderungen entsprechen, gilt es ferner, die gewünschte Bauform zu berücksichtigen. Zusätzliche Faktoren, die eine Wahl von Gleichstromwandler-Modulen beeinflussen können, stellen z. B. die Kapazitätsbelastung, die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), die Hold-Up- und die Start-Up-Zeit oder auch die Betri ebstemperatur dar. 

Systemaufbau rund um den zentralen DC/DC-Hauptwandler

Sind alle Komponenten gemäß den individuellen Anforderungen zusammengestellt, gilt es den Grundaufbau der Stromversorgung sowie etwaige Besonderheiten genauer zu beleuchten. Im Regelfall ist von einer Versorgung über die Netzspannung und damit auch über ein vorgeschaltetes AC/DC-Netzteil auszugehen. Doch auch Systeme mit mehreren Versorgungsquellen sind gängige Modelle, so z. B. bei zusätzlich vorhandenen Anlagen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung. 

Unabhängig davon, ob es sich um eine zentrale Netzversorgung oder um mehrere Versorgungsquellen handelt, läuft die modulare Gleichstromversorgung nachgeschaltet zum AC/DC-Netzteil zunächst über einen zentralen DC/DC-Hauptwandler?(siehe Abbildung 1).?Durch diesen Hauptwandler müssen ein entsprechend weiter Eingangsspannungsbereich und eine ausreichende Überbrückungszeit (Hold-up-Time) gewährleistet sein. Dies bezieht sich vor allem auf übliche Schwankungen von AC/DC-Netzteilen und/oder Akkus sowie auf die Umschaltphase und kurzzeitige Unterbrechung zwischen Netzspannung und USV. 

Vom DC/DC-Hauptwandler können entweder direkt eine Last versorgt oder auch mehrere Ausgangsspannungen erzeugt werden. In diesem Fall wird dem Hauptwandler (siehe Abbildung 1) eine dem Bedarf entsprechende Anzahl von weiteren Gleichstromwandlern nachgeschaltet, die in dieser Funktion auch als Point-of-Load- bzw. POL-Wandler bezeichnet werden. Diese Gleichspannungswandler ermöglichen es nun, die DC/DC-Eingangsspannung des vorgeschalteten Hauptwandlers in Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder gar invertiertem Spannungsniveau zu konvertieren. Zur Erzeugung dieser unterschiedlichen Teillasten ist in vielen Fällen ein einfacher, kostengünstiger und nicht isolierter Konverter als POL ausreichend. 

Sicherheit, Steuerung und Status

Je nach Systemkomponenten und verwendeten Modulen sind Sicherheitsfunktionen, der Steuerung und des Status bereits integriert oder teilweise durch externe Beschaltung erforderlich. Um gegebene Normen zu erfüllen sind in der Regel durch die Hersteller entsprechende Referenzschaltungen in den Datenblättern der jeweiligen Module aufgeführt. Anforderungen wie Eingangsschutz, EMV-Filter, Eingangskondensatoren und Ausgangskondensatoren, aber auch optionale Schaltungen sind dabei berücksichtigt. 

Steuerungs- und Statusfunktionen sind weder Pflicht noch Erfordernis, jedoch in vielen Bereichen besonders vorteilhaft und ratsam. Als beispielhafte Funktionen sind hier das Remote-Ein-/Ausschalten, der Laststatus, oder die Spannungsregelung an der Last zu nennen (siehe Abbildung 2). Auch bei diesen Prüf- und Steuerungsfunktionen erfüllen einige Module die Voraussetzungen zum Teil selbst oder sie müssen im Bedarfsfall durch zusätzliche Maßnahmen erweitert werden.

EMV und Absicherung

Moderne Schaltnetzteile überzeugen durch entscheidende Vorteile: Mit einem Wirkungsgrad von mehr als 95 % bei kompakten Abmessungen, geringem Gewicht und weiten Eingangsspannungsbereichen sind sie aus der modernen Elektrotechnik längst nicht mehr wegzudenken. Geht es jedoch um elektromagnetische Störungen (EMI) bzw. elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) sind die zeitgemäßen Leistungswunder mit erheblichem Mehraufwand verbunden. Verglichen mit klassisch linear geregelten Netzteilen arbeiten Schaltnetzteile mit einer hohen Taktfrequenz, einhergehend mit entsprechend hohen EMI-Werten. An effektiven Entstörmethoden arbeiten die Hersteller der DC/DC-Module gezielt, sodass bestehende Systeme mitunter durch speziell entwickelte Filtermodule erweitert werden können. 

Um das modulare DC/DC-Stromversorgungssystem (siehe Abbildung 3) schließlich zuverlässig zu schützen und abzusichern, ist ein entsprechendes Design von Sicherheitsschaltungen oberstes Gebot. Die Auswahl der richtigen Sicherungen (F1) und Suppressordioden (TVS) sind dabei für den Aufbau passender Front-End-Sicherheitsschutzschaltungen entscheidend. Bei modular aufgebauten DC/DC-Stromversorgungssystemen ist eine eingangsseitige Platzierung der Sicherung erforderlich, um im Ernstfall das gesamte System von der Stromversorgung zu trennen. Hier gilt es, die richtige Balance auszuloten – zwischen rechtzeitigem Abschalten, um Systemschäden zu vermeiden, und gleichzeitig nicht allzu empfindlichem Reagieren der Sicherung, um den laufenden Betrieb nicht unnötig häufig zum Erliegen zu bringen.

Um Sicherheitserkennungsprobleme zu vermeiden, rät EMTRON grundlegend zur Auswahl von Produkten, die sowohl in Amerika als auch in Europa zertifiziert sind. Der Grund: Ein Großteil verfügbarer Sicherungen ist lediglich für den AC-Einsatz zertifiziert. Eine DC-zertifizierte Sicherung bringt ein wertvolles Plus an Sicherheit und Zuverlässigkeit und sollte aus Sicht der Experten jederzeit ernsthaft in Betracht gezogen werden. Abschließend bleibt zu bemerken, dass in speziellen Anwendungsfällen zusätzliche Schutzmaßnahmen auf Grundlage spezifischer Normen erforderlich werden können.

Das EMTRON Expertenteam unterstützt Sie bei Applikationsfragen gerne.