為機(jī)車車輛應(yīng)用指定功率轉(zhuǎn)換器

現(xiàn)代軌道車輛都裝滿了用于通信和控制的電子設(shè)備，乘客也越來越期望蜂窩中繼器和Wi-Fi服務(wù)具有“干凈”的交流電源和每個(gè)座位上的USB DC電源。由于環(huán)境和連接設(shè)備的多樣性，電源轉(zhuǎn)換變得越來越分散。在原始直流母線、列車電子設(shè)備和乘客昂貴的便攜式設(shè)備之間接口的每個(gè)轉(zhuǎn)換器都必須設(shè)計(jì)為滿足總線電壓的電氣規(guī)格以及鐵路應(yīng)用的惡劣物理環(huán)境。

機(jī)車車輛需要專用設(shè)備電源

鐵路機(jī)車車輛的動(dòng)力最初都是關(guān)于牽引、照明和基本信號(hào)，通常來自連接到一切的車載電池的原始 110VDC。直流母線上的開關(guān)設(shè)備沒有浪涌和瞬態(tài)限制器，因?yàn)樗鼈儠?huì)隨著時(shí)間的推移而退化，并且不能保證始終正常工作，因此單個(gè)設(shè)備必須承受由此產(chǎn)生的全部過壓、壓降和浪涌。雖然燈光偶爾變亮或變暗并不重要。

今天，情況大不相同 - 現(xiàn)代軌道車輛充滿了用于通信和控制的電子設(shè)備，乘客也越來越期望蜂窩中繼器和Wi-Fi服務(wù)具有“干凈”的交流電源和每個(gè)座位上的USB DC電源。由于環(huán)境和連接設(shè)備的多樣性，電源轉(zhuǎn)換變得越來越分散。在原始直流母線、列車電子設(shè)備和乘客昂貴的便攜式設(shè)備之間接口的每個(gè)轉(zhuǎn)換器都必須設(shè)計(jì)為滿足總線電壓的電氣規(guī)格以及鐵路應(yīng)用的惡劣物理環(huán)境。

指定質(zhì)詢

EN 50155是國(guó)際公認(rèn)的軌道車輛電氣設(shè)備的歐洲標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了特定鐵路環(huán)境條件下的功能和性能。電氣應(yīng)力與EMC、安全和機(jī)械條件（如振動(dòng)、沖擊、顛簸、水密性等）一起涵蓋。電源制造商特別關(guān)注的是輸入電壓規(guī)格，該規(guī)格具有幾種可能的標(biāo)稱值，包括驟降、壓差、浪涌和瞬變。圖 1 總結(jié)了 EN 50155 中的規(guī)范，并與其他舊鐵路標(biāo)準(zhǔn)、英國(guó) RIA-12、法國(guó) NFF 01-510 和美國(guó)進(jìn)行了比較。高kV瞬變未顯示，并由TranzorbsTM或類似器件衰減。標(biāo)準(zhǔn)商用DC-DC轉(zhuǎn)換器（9 – 36V和18 – 72V）的“寬”輸入范圍作為參考，表明與電源軌要求的重疊較差。例如，Bel Power Solutions 系列中專為鐵路設(shè)計(jì)的一些商用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器也涵蓋了所有標(biāo)稱值。

幸運(yùn)的是，對(duì)于通信和控制設(shè)備中功率相對(duì)較低的分布式轉(zhuǎn)換器，持續(xù)長(zhǎng)達(dá)一秒的高能量浪涌和高壓尖峰通常由預(yù)調(diào)節(jié)級(jí)處理，只剩下寬連續(xù)工作電壓來應(yīng)對(duì)。例如，110 VDC、EN 50155 標(biāo)稱輸入的范圍為 77 至 137.5 VDC。如果需要符合 RIA-12 標(biāo)準(zhǔn)，浪涌為 3.5 倍標(biāo)稱，持續(xù) 20 ms，高達(dá) 385 VDC，通常需要有源預(yù)穩(wěn)壓器或類似設(shè)備，因?yàn)槟芰刻撸瑹o法簡(jiǎn)單地吸收瞬態(tài)限制器組件。

EN 50155：2017還包括某些應(yīng)用中10毫秒的總電源中斷規(guī)范，稱為“S2類”和20毫秒的中斷，稱為“S3類”。

圖1.電源輸入電壓范圍

商用電源轉(zhuǎn)換器不太可能符合規(guī)格的另一種方式是符合環(huán)境測(cè)試。EN 50155 參考 EN 61373 針對(duì)沖擊、振動(dòng)和顛簸，要求分為三類：車身（A 級(jí)和 B 級(jí)）、轉(zhuǎn)向架和軸安裝，最后一類最為嚴(yán)苛。根據(jù)預(yù)期位置的不同，可能適用其他規(guī)格，例如抗進(jìn)水和鹽霧。EMC當(dāng)然是一個(gè)額外的考慮因素，適用于ESD，浪涌和瞬態(tài)抗擾度的規(guī)格，以及RF敏感性以及符合EN 50121-3-2的傳導(dǎo)和輻射發(fā)射。干熱和濕熱規(guī)格也適用，典型工作溫度額定值為 -40 至 +85°C，但可能是瞬態(tài)的。

電源轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商還必須通過廣泛的測(cè)試記錄、構(gòu)建文檔和預(yù)測(cè)以及硬件和任何嵌入式軟件的可靠性證明來證明合規(guī)性。所有這些都與任何特定于應(yīng)用的要求一起，例如可能為 30 年的“使用壽命”。

常用的功率轉(zhuǎn)換器類型

根據(jù)功率水平和應(yīng)用，軌道車輛中使用具有各種外形尺寸的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。機(jī)箱安裝部件通常在較高功率下具有適當(dāng)?shù)募庸蹋詽M足任何開放 PCB 漆面的沖擊和振動(dòng)要求。高達(dá) 600 W 左右，歐式磁帶風(fēng)格非常受歡迎。這是一款使用標(biāo)準(zhǔn) DIN 41612 H15 連接器的機(jī)架安裝產(chǎn)品，有多種功率級(jí)別和多種選擇。機(jī)箱安裝和盒式產(chǎn)品通常具有 12、24 或 48 V 的“總線”輸出，并且通常具有包括額外濾波、反極性保護(hù)和延長(zhǎng)保持時(shí)間的選項(xiàng)。對(duì)于低標(biāo)稱輸入電壓，“保持”或“穿越”可能非常具有挑戰(zhàn)性。例如，對(duì)于輸入范圍為100-80 V（標(biāo)稱電壓約為10 V）的“2類”應(yīng)用，要在16 ms內(nèi)以36%的效率將24 W電源保持8 ms，則需要在額定電壓為000 V（約40.2 cu-in或5 cu-cm）的輸入端安裝約40，50155 μF的電容。這是巨大的尺寸和成本，也是整體可靠性和壽命計(jì)算的主要因素。EN1將中斷描述為由輸入短路引起的，因此還需要串聯(lián)輸入二極管來隔離保持電容器，這會(huì)導(dǎo)致額外的功率損耗和壓降，需要擴(kuò)展轉(zhuǎn)換器的輸入范圍。其他保持解決方案可能是在內(nèi)部將輸入升壓到更高的電壓，以便較小的電容器可用于相同的能量存儲(chǔ)，但無論如何，必須控制進(jìn)入電容器的浪涌電流和充電速率，并且可能將允許壓差的重復(fù)率限制在10秒左右的《》次。

某些產(chǎn)品能夠并聯(lián)轉(zhuǎn)換器輸出，以獲得額外的功率或冗余與相關(guān)的信號(hào)。轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍通常很寬，以包含盡可能多的標(biāo)稱電池電壓及其驟降和浪涌。

圖2.鐵路系統(tǒng) EMC 區(qū)域，A、B、C

請(qǐng)注意，鐵路應(yīng)用中的電源通常不允許使用可觸及的保險(xiǎn)絲，因此可能需要外部保險(xiǎn)絲或觸點(diǎn)斷路器。

板安裝產(chǎn)品也可用于高達(dá) 100 W 左右的功率，為數(shù)字和模擬電路提供嚴(yán)格調(diào)節(jié)的低壓輸出。這些也可以直接從直流母線供電，因此通常需要浪涌和瞬態(tài)以及環(huán)境保護(hù)。

DC-DC轉(zhuǎn)換器通常需要隔離，其電平由應(yīng)用定義，但通常是基本或增強(qiáng)的。

EN 50155包括一個(gè)圖表，用于識(shí)別系統(tǒng)EMC區(qū)域A，B和C，如圖2所示，以縮寫形式顯示DC-DC轉(zhuǎn)換器的典型位置。

實(shí)用解決方案

憑借美最時(shí)品牌的產(chǎn)品，Bel Power Solutions 成為符合 EN 50155 標(biāo)準(zhǔn)的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的主要供應(yīng)商。RCM 系列提供 150 W 至 300 W 的隔離式機(jī)箱安裝部件，輸入范圍為 14.4 – 50.4 VDC 和 43.2 – 154 VDC，標(biāo)稱值為 24 V、28 V、36 V、72 V、96 V 和 110 VDC，掉電至 0.6 x Vnom，浪涌高達(dá) 1.4 x Vnom。500 W 和 1000 W 器件的輸入為 43.2 – 100.8 VDC（標(biāo)稱 72 VDC）和 66 – 154 VDC （110 VDC 標(biāo)稱輸入）也涵蓋 0.6 x Vnom 欠壓和 1.4 x Vnom 浪涌。

歐盒式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器是 Melcher 系列的主要特點(diǎn)，其隔離產(chǎn)品的額定功率從 M 系列的 50 W 到 HR 系列的 288 W。提供多種輸入電壓選擇，“K”系列的最小輸入電壓低至 8 VDC，最大值高達(dá) 385 VDC。PSK/PSS 系列提供高達(dá) 576 W 的非隔離暗盒，輸入電壓額定值低至 18 V，具體取決于型號(hào)。即使是板裝產(chǎn)品也提供PSA/PSR、PSB和IBX非隔離系列，具有寬輸入范圍，適用于鐵路應(yīng)用。

Bel Power Solutions 用于鐵路應(yīng)用的所有產(chǎn)品都經(jīng)過加固處理，并具有多種選項(xiàng)，可輕松組裝和認(rèn)證完整的系統(tǒng)解決方案。例如，RCM 系列器件提供可選的 10 ms 保持和“OR-ing”二極管，適用于冗余應(yīng)用。

在電氣和環(huán)境條件下，設(shè)計(jì)符合EN 50155并非易事，因?yàn)殡姎夂铜h(huán)境條件幾乎非常惡劣。商業(yè)“現(xiàn)成”解決方案通常根本不符合規(guī)范，特別是對(duì)于長(zhǎng)期可靠性。

審核編輯：郭婷