Zuverlässigkeit und hohe Leistung.
Auf den ersten Blick, insbesondere angesichts ihrer grundlegenden Funktion – der Umwandlung einer variablen Wechsel- oder Gleichspannung in eine stabile, nutzbare Spannung –, könnte man meinen, dass die im Verteidigungssektor verwendeten Netzteile denen anderer Branchen wie Industrie und Telekommunikation ähneln. Doch der Unterschied ist enorm. Stromversorgungslösungen für den Militärbereich müssen robuster, langlebiger und zuverlässiger sein als in jeder anderen Branche. Im Verteidigungssektor müssen Stromversorgungsgeräte unter verschiedensten extremen klimatischen Bedingungen und in anspruchsvollem Gelände einwandfrei funktionieren. Sie müssen zudem viele Jahre mit minimalem Wartungsaufwand zuverlässig arbeiten.
Militärische Netzteile werden in der Regel nach strengsten Standards gefertigt, um in unterschiedlichsten und oft anspruchsvollen Einsatzumgebungen höchste Leistung zu erbringen. Diese Netzteile halten Umgebungstemperaturen von bis zu 80 °C und bis zu -40 °C stand. Sie verfügen über spezifische Spannungsbereiche zur Stromversorgung verschiedener Flugzeuge und Militärfahrzeuge in unterschiedlichen Betriebsmodi. Diese Netzteile widerstehen erheblichen Vibrationen, Stößen und Erschütterungen, die weit über die Belastungen in zivilen Zügen und Flugzeugen hinausgehen. Daher besteht kein Zweifel: Die Zuverlässigkeitsanforderungen an Stromversorgungssysteme im Verteidigungssektor sind extrem hoch. Sie müssen in einem breiten Temperaturbereich sowie unter extremen Stoß- und Belastungsbedingungen einwandfrei funktionieren. Die meisten militärischen Stromversorgungseinheiten erfüllen die MIL-STD-Anforderungen und arbeiten auch unter rauen Umgebungsbedingungen tadellos.

Besonderheiten des Marktsegments Militär und Verteidigung:
Aufgrund der Natur des Militär- und Verteidigungssektors, dessen Endanwendungen größtenteils geheim sind und Geschäftsgeheimnissen unterliegen, ist es sehr schwierig, die Gesamtgröße des Stromversorgungsmarktes genau abzuschätzen. Marktanalysten gehen jedoch davon aus, dass der Markt, der Batterien, Generatoren, USV-Anlagen und Stromversorgungen umfasst, bis 2023 ein Volumen von rund 8 Milliarden US-Dollar erreichen wird. Der Marktforscher
Micro-Tech Consultants konzentriert sich in seinem neuesten Bericht auf Stromversorgungen (AC/DC, DC/DC) und schätzt deren Volumen auf etwa 3 Milliarden US-Dollar. Dieses Segment setzt sich zu 60 % aus intern von Herstellern militärischer Ausrüstung entwickelten Stromversorgungen (Captive) und zu 40 % aus dem kommerziellen Markt zusammen, wobei ein Teil kundenspezifisch und für eine bestimmte Anwendung entwickelt wird (Abbildung 1).

Abbildung 01 - Beispiel eines kundenspezifischen PRBX-Netzteils, das für strenge Umgebungsbedingungen ausgelegt ist (Quelle: PRBX)

Kundenspezifische Stromversorgungslösungen stellen jedoch nach wie vor einen großen Teil dieses Segments dar, und wie es auch in anderen Segmenten der Fall ist, berücksichtigen Militär- und Verteidigungshersteller bei der Entwicklung neuer Ausrüstung die Vorteile der Verwendung von handelsüblichen (COTS/MOTS) kommerziellen und militärischen Stromversorgungen (Abbildung 02) in den frühen Phasen ihrer Projekte, um Kosten, Ressourceneinsatz und Markteinführungszeit zu reduzieren.

Abbildung 02 - PRBX COTS/MOTS OFD1200A DC/DC-Wandler für Verteidigungs- und anspruchsvolle Industrieanwendungen (Quelle: PRBX)

Im Hinblick auf die Konstruktion, d. h. kundenspezifische oder standardisierte Stromversorgungslösungen, müssen Entwickler von Leistungselektronik eine Reihe von militär- und verteidigungsindustriespezifischen Normen berücksichtigen, was einen sehr interessanten Teil des Konstruktionsprozesses darstellt.

Entwickelt für höchste Ansprüche:
Von der Erde bis zum Weltraum müssen Stromversorgungen spezifische Standards erfüllen, die die erforderliche Robustheit für die Anforderungen der Endnutzer definieren. Aufgrund der extremen Bandbreite an Anwendungsbereichen müssen Entwickler von Stromversorgungen den jeweils geeignetsten Standard berücksichtigen, der alle Anwendungsbereiche abdeckt. Standards spezifizieren alle möglichen Umgebungsbedingungen, denen die Endgeräte ausgesetzt sein können, beispielsweise extreme Temperaturen von -40 bis +80 Grad Celsius, die Notwendigkeit der Geräuschreduzierung aufgrund taktischer Anforderungen sowie Stöße und Vibrationen durch Handhabung, Transport und Betrieb.
Die Militär- und Verteidigungsindustrie verwendet den sogenannten Militärstandard (MIL-STD) (Abbildung 03). Dieser Standard wurde nach dem Zweiten Weltkrieg eingeführt, um einheitliche Standardanforderungen zu schaffen und die Interoperabilität für das Militär und seine Zulieferindustrien zu gewährleisten. Er konzentriert sich explizit auf technische und ingenieurwissenschaftliche Anforderungen, Prozesse, Verfahren, Praktiken und Methoden. Die MIL-STD-Zertifizierung, ursprünglich von den Teilstreitkräften genutzt, steht heute für die Fähigkeit, extremen Bedingungen standzuhalten, und dient als Maßstab für andere anspruchsvolle Branchen. Es wäre zwar unmöglich, alle diese Normen aufzulisten, aber wir können einige Beispiele dafür geben, was Entwickler von Stromversorgungen bei der Entwicklung von Produkten für militärische und Verteidigungsanwendungen berücksichtigen sollten.

Abbildung 03 - Das Militär und die Verteidigungsindustrie verwenden den sogenannten Militärstandard (MIL-STD) (Quelle: PRBX/DoD)

Wenn absolute Stille gefragt ist, gilt der MIL-STD-461-Standard.
Das Grundprinzip eines Netzteils besteht darin, Gleichspannung (DC) in Wechselspannung (AC) umzuwandeln und diese anschließend wieder in nutzbare Gleichspannung umzuwandeln. Dieser Prozess wird durch Schalten der Gleichspannung erreicht, wodurch Funkstörungen und leitungsgebundenes Rauschen entstehen. Diese sind in Verteidigungsanwendungen kritisch, da sie erkannt werden oder kritische Systeme stören können. Um diese Störungen zu reduzieren, setzen Netzteilhersteller verschiedene Technologien ein, von Soft-Switching bis hin zur Rauschunterdrückung – ähnlich wie bei Kopfhörern zum Musikhören in lauten Umgebungen.
Um sicherzustellen, dass Netzteile keine hohen Pegel an leitungsgebundenem oder abgestrahltem Rauschen erzeugen und dass das Netzteil selbst nicht durch externe Signale beeinträchtigt oder beschädigt wird, muss es gemäß MIL-STD-461 geprüft werden. Dieser Standard legt die Anforderungen an elektromagnetische Störungen (EMI) und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) für robuste militärische Netzteile fest. Die Einhaltung des Standards ist entscheidend für die einwandfreie Funktion aller Komponenten eines Systems. Die nach MIL-STD-461 durchgeführten Prüfungen umfassen: leitungsgebundene Störaussendungen, Störfestigkeit gegenüber leitungsgebundenen Störaussendungen, Störfestigkeit gegenüber abgestrahlten Störaussendungen und Störfestigkeit gegenüber abgestrahlten Störaussendungen.
Je nach Anwendung – beispielsweise terrestrisches, luftgestütztes, maritimes oder U-Boot-Frequenzspektrum – können die Störfestigkeitsanforderungen und die Prüfverfahren gemäß den Tabellen IV und V von MIL-STD-461 (Abbildung 4) variieren.

Abbildung 04 - MIL-STD-461 Tabellen IV und V mit der Klassifizierung von EMI- und EMS-Tests nach Anwendungen (Quelle: PRBX/DoD MIL-STD-461G)

Stromversorgung von Militärfahrzeugen: Der MIL-STD-1275-Standard.
Die meisten auf Fahrzeugen montierten Militärgeräte werden über eine interne 28-V-Verteilerspannung von der Hauptbatterie oder dem Stromgenerator versorgt. MIL-STD-1275 ist der Standard für Stromverteilungssysteme in bodengestützten Militärfahrzeugen. Dieser Standard definiert die Betriebsspannungsgrenzen und das Verhalten transienter Spannungen der 28-V-Gleichstromversorgung am Eingang der angeschlossenen Geräte. Das DC/DC- oder DC/AC-Wandlersystem muss auch bei den definierten Spannungsspitzen und -überspannungen zuverlässig funktionieren und die angeschlossenen Geräte mit sauberer, geregelter Spannung versorgen können. Dieser Standard deckt alle möglichen Störungen ab, denen die Stromversorgung im Betrieb ausgesetzt sein kann, und gewährleistet so die einwandfreie Funktion.

MIL-STD-810, oder Umwelttechnische Aspekte und Labortests:
Der erstmals im Juni 1962 eingeführte Standard MIL-STD-810 wurde mehrfach überarbeitet. Die achte Version, MIL-STD-810H, erschien im Januar 2019. MIL-STD-810H beschreibt detaillierte Testverfahren zur Bestimmung der Beständigkeit von Geräten unter verschiedenen Bedingungen wie Temperatur, Stößen, Vibrationen und Luftfeuchtigkeit, denen Geräte während des Betriebs, Transports und der Lagerung ausgesetzt sein können. Obwohl MIL-STD-810H ein Militärstandard ist, werden viele robuste Industrieprodukte nach ihm geprüft. MIL-STD-810H umfasst über 20 verschiedene Testmethoden, von Niederdruck (Höhe) und mechanischen Vibrationen von Bordgeräten bis hin zu Beschuss und sauren Atmosphären. Die meisten Netzteile müssen nicht nach allen Testmethoden geprüft werden; die Entwickler wählen die relevanten Komponenten für die jeweilige Anwendung aus. Einige Prüfverfahren sind allgemein üblich und werden häufig angewendet, beispielsweise Prüfverfahren 516.8 für Stoßfestigkeit und Prüfverfahren 514.8 für Vibrationsfestigkeit. Diese Prüfungen simulieren die Auswirkungen von Stößen, Stürzen und ähnlichen Einwirkungen, die während des Transports und des Betriebs auftreten können.

Bei der Entwicklung von Netzteilen stehen sowohl der kommerzielle als auch der militärische Markt im Fokus.
Da COTS/MOTS-Netzteile in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden können, müssen Netzteilentwickler ein breites Spektrum an Umgebungsfaktoren berücksichtigen.
In einigen Verteidigungsanwendungen ist der Betrieb von Netzteilen mit reduzierter oder gar keiner Lüfterkühlung erforderlich. Dies betrifft vor allem Netzteile, die in rauen Umgebungen eingesetzt werden, beispielsweise in geschlossenen Gehäusen, in Funkkommunikationssystemen unter widrigen Witterungsbedingungen, in Überwachungs- und Zutrittskontrollsystemen im Außenbereich sowie in Innenräumen mit strengen Lärmschutzbestimmungen. Neben den Umgebungsanforderungen veranlassen Zuverlässigkeit und Wartungskosten Systementwickler dazu, auf Lüfter und Abluftventilatoren zu verzichten und stattdessen auf Konduktionskühlung zu setzen.
Konduktionskühlung erfordert spezielle Konstruktionsmethoden. Netzteile müssen so ausgelegt sein, dass eine optimale Wärmeübertragung von den Kühlkörperkomponenten auf das Motherboard gewährleistet ist, um in einem extrem hohen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +95 °C auf dem Motherboard eine hohe Leistung zu erzielen. In solchen Anwendungen kann das Motherboard das Netzteil bei hohen Betriebstemperaturen kühlen, bei niedrigen Temperaturen aber auch beheizen. Tatsächlich verfügen einige Netzteile über ein Pelletier-Element, das von einer kleinen Batterie gespeist wird und während der Startphase oder bei maximaler Kühlung zum Einsatz kommt.
Bei der Auswahl von COTS/MOTS-Netzteilen fordern Kunden typischerweise hohe Flexibilität und die Fähigkeit, ein breites Anwendungsspektrum zu versorgen. Beispielsweise benötigen manche Anwendungen im Verteidigungsbereich, wie etwa Ladegeräte, ein Netzteil mit konstantem Strom. Dieser Strom muss nicht nur einfach einstellbar sein, sondern das Netzteil muss unter Umständen auch weitere Funktionen erfüllen, wie die Überwachung des Ladezustands und die Umschaltung von Konstantstrom auf Konstantspannung. Häufig werden diese Geräte in Umgebungen eingesetzt, in denen elektronische Bauteile gekapselt und vor Gefahren geschützt sein müssen. Daher muss das Netzteil eine externe Steuerung ermöglichen, um die Ausgangsspannung und/oder den Ausgangsstrom vom maximal zulässigen Wert bis nahezu null einzustellen. Je nach Anforderung können diese Funktionen über einen analogen oder digitalen Kommunikationsbus gesteuert werden. Flexibilität ist auch für Anwendungen mit Redundanzbedarf oder für Kunden mit höherem Leistungsbedarf erforderlich, die Netzteile für Parallelschaltung benötigen. Hierbei wird häufig eine aktive ODER-Gliederung eingesetzt, um einen hohen Wirkungsgrad zu gewährleisten.
All dies, ohne die Notwendigkeit zu vergessen, höchste Anforderungen an Stoß- und Vibrationsfestigkeit zu erfüllen, die über die von herkömmlichen Netzteilen geforderten Werte hinausgehen, sowie eine hocheffiziente EMV-Filterung gemäß MIL-STD 461E CE102, MIL-STD 1399-300A und MIL-STD 810H zu gewährleisten.

Die Brücke!
Wie bereits erwähnt, gewinnen COTS/MOTS-Netzteile für Militär und Verteidigung durch die Anwendung bewährter Verfahren für die Entwicklung robuster Stromversorgungslösungen, die die spezifischen Testanforderungen von MIL-STD-810H erfüllen, zunehmend an Bedeutung bei Endanwendern in anspruchsvollen Industrieanwendungen unter rauen Umgebungsbedingungen. Dieser Artikel behandelt bisher keine Extremanwendungen, beispielsweise solche mit hoher Strahlungsbelastung. Obwohl diese Anwendungen als Nischenanwendungen gelten mögen, treibt die steigende Anzahl von Kernkraftwerken, die zur Verlängerung ihrer Betriebsdauer nachgerüstet werden, die Nachfrage nach Netzteilen an, die hohen Strahlungsbelastungen standhalten und eine längere Lebensdauer als bisher erforderlich aufweisen. Basierend auf der Forschung an militärischen Netzteilen, die hohen Strahlungsbelastungen standhalten, und der Anwendung der neuesten Generation von Breitband-Halbleitern, die für raue Umgebungen entwickelt wurden, ist klar, dass anspruchsvolle Industrieanwendungen von dieser Forschung und der Verfügbarkeit von COTS/MOTS-Netzteilen profitieren werden.
Die Entwicklung von Netzteilen für Militär, Verteidigung und andere anspruchsvolle Branchen ist ein sehr interessantes Feld für Netzteilentwickler, um neue Technologien zu erforschen und zu entdecken, die sie noch robuster, vielseitiger und energieeffizienter machen
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Referenzen:
Powerbox (PRBX):
https://www.prbx.com/

Micro-Tech Consultants
Globaler Bericht über die Schaltnetzteilindustrie 2023
http://mtcpower.com/

Weitere Informationen
finden Sie unter www.prbx.com.
Kontaktieren Sie Patrick Le Fèvre, Marketing- und Kommunikationsdirektor,
unter +46 (0)158 703 00.

Über den Autor:
Patrick Le Fèvre, Marketing- und Kommunikationsdirektor bei Powerbox, ist Kommunikationsexperte und Diplom-Ingenieur mit 40 Jahren Erfahrung in der Leistungselektronikbranche. Er gilt als Pionier in der Kommerzialisierung neuer Technologien wie digitaler Energie und in technischen Initiativen zur Reduzierung des Energieverbrauchs. Le Fèvre hat zahlreiche Fachbücher und Artikel verfasst und auf führenden internationalen Leistungselektronikkonferenzen präsentiert. Diese wurden weltweit über 450 Mal in Medien veröffentlicht. Darüber hinaus engagiert er sich in verschiedenen Umweltforen und teilt dort seine Erfahrungen und sein Wissen im Bereich der sauberen Energie.