專用 DC／DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)對(duì)鐵路供電的獨(dú)特挑戰(zhàn)

現(xiàn)代鐵路系統(tǒng)中的車載電子設(shè)備越來越多，例如乘客互聯(lián)網(wǎng)接入點(diǎn)、衛(wèi)星鏈路、對(duì)講機(jī)和公共廣播 (PA) 系統(tǒng)、導(dǎo)航子系統(tǒng)、應(yīng)急無線電設(shè)備、告示牌、LED 照明系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、座椅充電插座和其他配件。另外還有電池充電子系統(tǒng)，因?yàn)樵谒矔r(shí)斷電或長(zhǎng)時(shí)間斷電時(shí)，很多功能還需要供電。所有這些功能都有獨(dú)特的電壓要求，因而需要部署很多 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，用于將較高直流電壓轉(zhuǎn)換成多個(gè)低電壓。
然而，設(shè)計(jì)人員在指定用于鐵路的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器時(shí)，必須確保這些轉(zhuǎn)換器能夠耐受惡劣的電氣、機(jī)械和熱應(yīng)力條件，并在狹小空間內(nèi)可靠運(yùn)行。這些轉(zhuǎn)換器還必須滿足一系列的嚴(yán)格行業(yè)和法規(guī)要求，而且易于部署，從而節(jié)省時(shí)間。
本文簡(jiǎn)要探討了鐵路應(yīng)用對(duì) DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器的要求。然后介紹了 TRACO Power 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，并展示了如何應(yīng)用這些轉(zhuǎn)換器來滿足各種要求。
鐵路配電
電力機(jī)車或有軌電車的典型配電路徑有很多較低的電壓，它們來自初級(jí)直流架空接觸網(wǎng)電源。與任何關(guān)鍵應(yīng)用一樣，鐵路也有強(qiáng)制執(zhí)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從多個(gè)角度定義了性能要求。
鐵路電子設(shè)備的主要法定規(guī)范是 EN 50155 鐵路應(yīng)用 - 機(jī)車車輛上使用的電子設(shè)備。該標(biāo)準(zhǔn)定義了環(huán)境和服務(wù)條件、可靠性預(yù)期、安全性、設(shè)計(jì)和施工方法。另外還包括文檔和測(cè)試。
其他重要規(guī)范包括：
· EN 61373，鐵路應(yīng)用 - 機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)
· EN 61000-4，電磁兼容性 (EMC)
· EN 45545-2，歐洲鐵路消防安全標(biāo)準(zhǔn)
· 英國(guó)鐵路工業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) RIA 12，拖動(dòng)及運(yùn)載設(shè)備的直流控制系統(tǒng)中瞬態(tài)浪涌保護(hù)的通用規(guī)范
即便自己動(dòng)手 (DIY) 的電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)在仿真中和作為試驗(yàn)樣機(jī)能夠達(dá)到預(yù)期效果，滿足這些法規(guī)要求仍然是一個(gè)重大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，我們沒有必要自己動(dòng)手設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器。符合鐵路要求的現(xiàn)成專用標(biāo)準(zhǔn) DC/DC 轉(zhuǎn)換器已經(jīng)面世。
例如，TEP 150UIR/TEP 200UIR 系列是兩個(gè)類似的半磚貼裝型轉(zhuǎn)換器系列，額定功率分別為 150 W 和 200 W。它們提供增強(qiáng)的 3,000 VAC 輸入/輸出 (I/O) 隔離，以及內(nèi)置的短路、過壓和過溫保護(hù)功能。
這兩個(gè)系列的所有成員均具有相同的連接配置，且封裝尺寸均為 60 mm × 60 mm × 13 mm（圖 1）。它們的效率約為 90%。

圖 1：TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列的所有成員具有相同的外殼尺寸和外形。（圖片來源：TRACO Power）

TEP 150UIR 系列具有極寬的輸入電壓范圍，從 14 到 160 VDC，并提供五種輸出配對(duì)，從 5 V/30 A 到 48 V/3.2 A（圖 2）。

圖 2：TEP 150UIR 系列的額定電壓/電流范圍為 5 V/30 A 至 48 V/3.2 A（圖片來源：TRACO Power）

該系列中電壓最低/電流最大的是 TEP 150-7211UIR，在 5 V 電壓下可提供高達(dá) 30 A 的電流。
TEP 200UIR 系列的輸入和輸出電壓范圍相同，但電流更大，額定電壓/電流范圍為 5 V/40 A 至 48 V/4.2 A（圖 3）。

圖 3：TEP 200UIR 系列的功率提高了 33%，輸出電壓值相同，但輸出電流更大。（圖片來源：TRACO Power）

該系列中電壓最高/電流最小的產(chǎn)品是 TEP 200-7218UIR，在 48 V 電壓下可提供最高 4.2 A 的電流，而 150 W 的同類產(chǎn)品在該電壓下的電流為 3.2 A。
通過保持相同的尺寸和基底面，用戶可以輕松升級(jí)電路，以滿足不同的需求或使用不同的電路板，同時(shí)最大程度地減少布線和布局問題。它們還可以減少獨(dú)特型號(hào)的庫(kù)存量，從而簡(jiǎn)化庫(kù)存。
三大重要特性
TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 設(shè)備具有三個(gè)突出特點(diǎn)：寬輸入電壓范圍、延長(zhǎng)的保持時(shí)間和主動(dòng)涌流限制。
1) 寬輸入電壓范圍：典型的工業(yè)級(jí)電子設(shè)備可能滿足一般的電壓/電流要求，但用于此應(yīng)用的 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器必須能夠耐受更寬范圍的輸入電壓變化和一系列可能的標(biāo)稱值（圖 4）。

圖 4：不同軌道應(yīng)用的直流輸入范圍跨度非常大，特別是在分析中考慮了與標(biāo)稱值的允許偏差時(shí)。（圖片來源：TRACO Power）

其中包括輸入電壓在每個(gè)標(biāo)稱值周圍的允許變化：
· 連續(xù)范圍 = 0.7 至 1.25，× VNOM
· 欠壓 = 0.6 × VNOM，持續(xù) 100 ms
· 浪涌 = 1.4 × VNOM，持續(xù) 1 秒
要設(shè)計(jì)一個(gè)可以故障穿越 100 ms 斷電的電源轉(zhuǎn)換器非常困難，而持續(xù)一秒鐘的浪涌會(huì)產(chǎn)生太多能量，無法鉗位。因此，轉(zhuǎn)換器必須在圖 4 所示的整個(gè)范圍內(nèi)工作，同時(shí)留出一些安全余量。實(shí)際上，這意味著輸入范圍超過 2.33:1。
標(biāo)稱電壓可能是 24 VDC 至 110 VDC 的任何值，這使得問題變得更為復(fù)雜。很多 DC/DC 轉(zhuǎn)換器制造商提供更寬的 4:1 輸入范圍轉(zhuǎn)換器（通常為 43 至 160 V），以涵蓋大多數(shù)應(yīng)用，從而滿足這些需求，但單個(gè)轉(zhuǎn)換器通常無法滿足所有需求。
為了解決這個(gè)問題，TRACO 設(shè)備支持 14 至 160 VDC 的超寬 12:1 輸入。由于輸入范圍寬，系統(tǒng)應(yīng)用工程師能夠使用單個(gè)電源，提供一系列的標(biāo)稱系統(tǒng)電壓。
2) 延長(zhǎng)的保持時(shí)間：該直流線路需要承受 ±2 kV 的快速瞬態(tài)電壓，上升時(shí)間為 5 ns，下降時(shí)間為 50 ns，重復(fù)頻率為 5 kHz。此外，還有 ±2 kV 的線對(duì)地浪涌和 ±1 kV 的線對(duì)線浪涌，上升時(shí)間為 1.2 μs，下降時(shí)間為 50 μs，來自指定的交流耦合源阻抗。
有些要求超出了 EN 50155 標(biāo)準(zhǔn)，要求抗浪涌能力達(dá)到 1.5 x VNOM（持續(xù) 1 秒）和 3.5 x VNOM（持續(xù)20 ms），浪涌源阻抗極低，僅為 0.2 Ω。對(duì)于 110 VDC（標(biāo)稱值）的系統(tǒng)來說，這相當(dāng)于 385 VDC 的峰值，超出了轉(zhuǎn)換器的正常范圍，尤其是當(dāng)轉(zhuǎn)換器需要在 66 VDC 的最小欠壓電壓下工作時(shí)。
這種低阻抗源產(chǎn)生很大能量，意味著瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 無法鉗位電壓。根據(jù)功率水平，需要在電源輸入端使用預(yù)調(diào)節(jié)器，或者使用在浪涌期間關(guān)閉輸入端的電路。DC/DC 轉(zhuǎn)換器必須具備保持功能，以便在此期間維持輸出。
為了解決這個(gè)問題，TRACO 設(shè)備提供了一個(gè)重要功能，即總線引腳輸出。該輸出提供一個(gè)固定電壓，為電容器充電，使電容器能夠提供更長(zhǎng)的保持時(shí)間所需的能量（圖 5）。與在傳統(tǒng)前端電容器保持方案中使用的電容器相比，這些電容器體積更小，成本更低。

圖 5：這是建議與母線電容器 CBUS 一起使用的輸入電路，可以簡(jiǎn)化長(zhǎng)保持時(shí)間的實(shí)現(xiàn)。（圖片來源：TRACO Power）

請(qǐng)注意，無需為輸入電路添加串聯(lián)二極管，因?yàn)檫@些轉(zhuǎn)換器帶有集成二極管，可以避免短路并讓電容器的能量持續(xù)流入電源。
當(dāng)電源電壓中斷時(shí)，輸入電壓將降至母線電壓，然后電容器開始放電，為電源模塊提供能量。由于功率密度相對(duì)較高，TEP 150UIR 系列和 TEP 200UIR 系列可在最高 80 V 的輸入電壓下提供固定的母線電壓。在更高的輸入電壓下，母線電壓隨實(shí)際輸入電壓線性增長(zhǎng)（圖 6）。

圖 6：在最高 80 V 的輸入電壓下，這些轉(zhuǎn)換器提供固定的母線電壓；在更高的輸入電壓下，母線電壓隨實(shí)際輸入電壓線性增長(zhǎng)。（圖片來源：TRACO Power）

3) 主動(dòng)涌流限制：這解決了電源轉(zhuǎn)換器的一個(gè)常見問題：當(dāng)輸入電壓開始升高時(shí)，輸入端的保持電容器會(huì)導(dǎo)致高涌流。這可能會(huì)燒斷保險(xiǎn)絲或讓電路跳閘，并導(dǎo)致連接設(shè)備出現(xiàn)錯(cuò)誤和故障。
為避免這種情況，TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列的脈沖引腳提供 12 V、1 kHz 的方波信號(hào)，可在涌流限制電路上使用（圖 7）。

圖 7：TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列提供了一種簡(jiǎn)單的方法，利用脈沖引腳和方波信號(hào)來限制啟動(dòng)時(shí)的涌流。（圖片來源：TRACO Power）

通過將主動(dòng)涌流限制電路連接到脈沖引腳，可以有效地限制涌流（圖 8）。不限制時(shí)，涌流大約為 120 A（左圖），有限制時(shí)，涌流降至大約 24.5 A（右）。

圖 8：利用脈沖引腳來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器的主動(dòng)涌流限制電路，將涌流減小至五分之一。在顯示的示例中，Vin 為 72 V。左圖的水平刻度為 50 V/格，右圖為 10 V/格，傳感器比例系數(shù)為 1 V = 1 A。（圖片來源：TRACO Power）

總結(jié)
用于低電壓鐵路應(yīng)用的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器不僅要提供可靠穩(wěn)定的電源性能，還必須具備更多特性。這些器件必須結(jié)構(gòu)緊湊、易于管理和部署、適應(yīng)各種不同的應(yīng)用、能夠在惡劣環(huán)境下工作，并能滿足很多具有挑戰(zhàn)性的電氣、熱力、機(jī)械監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)和強(qiáng)制要求。如上所述，TRACO Power 的TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列滿足所有這些要求，特性包括：14 至 160 VDC 的 12:1 寬輸入電壓范圍、保持引腳可為電容器充電以在電壓降低時(shí)提供能量、耐受浪涌的能力、多種輸出電壓/電流配對(duì)，所有這些產(chǎn)品均采用單一外形尺寸。