作者：Bill Schweber

　　現(xiàn)代鐵路系統(tǒng)車載電子設(shè)備數(shù)量不斷增加，用于乘客互聯(lián)網(wǎng)接入、衛(wèi)星鏈路、對講機(jī)和公共廣播 (PA) 系統(tǒng)、導(dǎo)航子系統(tǒng)、緊急收音機(jī)、信號器招牌、LED 照明、信息系統(tǒng)、座椅定位等功能充電插座和其他配件。還有電池充電子系統(tǒng)，因?yàn)槠渲性S多功能必須在瞬時功率缺口或長時間斷電期間供電。這些功能中的每一個都有獨(dú)特的電壓要求，導(dǎo)致部署許多 DC/DC 轉(zhuǎn)換器來將較高電壓的直流電轉(zhuǎn)換為多個較低的電壓。

　　然而，指定用于鐵路的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計人員需要確保這些轉(zhuǎn)換器能夠在困難的電氣、機(jī)械和熱應(yīng)力條件下在有限的空間內(nèi)可靠地運(yùn)行。它們還必須滿足一長串嚴(yán)格的行業(yè)和監(jiān)管要求，并且易于部署以節(jié)省時間。

　　本文簡要探討了鐵路應(yīng)用 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器的要求。然后介紹TRACO Power的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，并展示如何應(yīng)用它們來滿足這些要求。

　　鐵路配電

　　電力機(jī)車或電車的典型配電路徑具有許多來自主直流架空接觸網(wǎng)源的較低電壓。與任何關(guān)鍵應(yīng)用程序一樣，都有強(qiáng)制性的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從多個角度定義性能要求。

　　鐵路電子設(shè)備的主要監(jiān)管規(guī)范是 EN 50155，鐵路應(yīng)用 - 機(jī)車車輛 - 電子設(shè)備。這定義了環(huán)境和服務(wù)條件、可靠性預(yù)期、安全性以及設(shè)計和施工方法。它還涵蓋文檔和測試。

　　其他關(guān)鍵規(guī)格包括：

　　EN 61373，鐵路應(yīng)用 - 機(jī)車車輛設(shè)備 - 沖擊和振動測試

　　EN 61000-4，電磁兼容性 (EMC)

　　EN 45545-2，歐洲鐵路消防安全標(biāo)準(zhǔn)

　　英國鐵路工業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn) RIA 12，保護(hù)牽引和機(jī)車車輛電子設(shè)備免受直流控制系統(tǒng)瞬態(tài)和浪涌影響的通用規(guī)范

　　滿足這些監(jiān)管要求是一項(xiàng)重大的設(shè)計挑戰(zhàn)，即使自助 (DIY) 電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計在仿真期間和作為工作臺原型時按預(yù)期工作。幸運(yùn)的是，沒有必要采取 DIY 的方式。滿足鐵路要求的現(xiàn)成、特定應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn) DC/DC 轉(zhuǎn)換器現(xiàn)已上市。

　　例如，TEP 150UIR/TEP 200UIR系列是兩個相似系列的半磚板裝轉(zhuǎn)換器，額定功率分別為 150 瓦和 200 瓦。它們具有增強(qiáng)型 3,000 伏交流 (VAC )輸入/輸出 (I/O) 隔離以及內(nèi)置短路、過壓和過熱保護(hù)。

　　這兩個系列的所有成員都具有相同的連接配置和 60 mm × 60 mm × 13 mm 的封裝尺寸(圖 1)。它們的效率約為 90%。

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

　　TEP 150UIR 系列可在 14 至 160 伏直流 (V DC ) 的極寬輸入電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，并提供 5 伏/30 安培 (A) 至 48 伏/3.2 A 范圍內(nèi)的五種輸出配對(圖 2) 。

　　楷模

　　TEP 200UIR 系列具有相同的輸入和輸出電壓范圍，但電流更高，范圍從 5 伏/40 A 到 48 伏/4.2 A(圖 3)。

　　楷模

　　圖 3：TEP 200UIR 系列的功率增加了 33%，輸出電壓值相同，但輸出電流更高。 (圖片來源：TRACO Power)

　　該系列中電壓最高/電流最低的成員是TEP 200-7218UIR，它在 48 伏電壓下可提供高達(dá) 4.2 A 的電流，而 150 瓦同類產(chǎn)品在該電壓下的電流為 3.2 A。

　　通過保持通用的尺寸和占地面積，用戶可以輕松升級電路來滿足不同的需求或使用不同的板，從而最大限度地減少布線和布局問題。他們還可以通過減少獨(dú)特型號的庫存來簡化庫存。

　　三大主要特點(diǎn)

　　TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 裝置具有三個突出的特性：寬輸入電壓范圍、延長的保持時間和有源浪涌電流限制。

　　1)寬輸入電壓范圍：典型的工業(yè)級電子產(chǎn)品可能滿足一般電壓/電流要求，但此應(yīng)用的 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器必須承受更寬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)用的直流輸入范圍非常寬，特別是在分析中考慮了與標(biāo)稱值的允許偏差時。 (圖片來源：TRACO Power)

　　這包括每個標(biāo)稱值周圍輸入電壓允許的變化：

　　連續(xù)范圍 = 0.7 至 1.25, × V NOM

　　掉電 = 0.6 × V NOM，持續(xù) 100 毫秒 (ms)

　　浪涌 = 1.4 × V NOM，持續(xù)一秒

　　設(shè)計一個能夠承受 100 毫秒斷電的電源轉(zhuǎn)換器非常困難，而持續(xù)一秒的浪涌則需要鉗制太多能量。因此，轉(zhuǎn)換器必須在圖 4 所示的完整范圍內(nèi)運(yùn)行，同時包含一些安全裕度。實(shí)際上，這意味著輸入范圍大于 2.33:1。

　　使情況更加復(fù)雜的是，標(biāo)稱電壓可以是 24 V DC到 110 V DC之間的任何電壓。許多 DC/DC 轉(zhuǎn)換器制造商通過提供具有更寬 4:1 輸入范圍(通常為 43 至 160 伏)的轉(zhuǎn)換器來滿足這些要求，以覆蓋大多數(shù)應(yīng)用，但單個轉(zhuǎn)換器通常無法滿足所有這些要求。

　　為了解決這個問題，TRACO 裝置支持 14 至 160 V DC的超寬 12:1 輸入。該范圍使系統(tǒng)應(yīng)用工程師能夠利用單個電源實(shí)現(xiàn)一系列標(biāo)稱系統(tǒng)電壓。

　　2)延長的保持時間：直流線路可承受 ±2 kV 的快速瞬變，上升時間為 5 納秒 (ns)，下降時間為 50 ns，重復(fù)率為 5 kHz。此外，還存在 ±2 kV 線對地浪涌和 ±1 kV 線對線浪涌，其上升時間為 1.2 微秒 (μs)，下降時間為 50 μs(從定義的交流耦合源阻抗開始)。

　　某些要求超出了 EN 50155 的要求，要求能夠抵抗來自 0.2 歐姆 (Ω) 極低源阻抗的1.5 x V NOM一秒和 3.5 × V NOM 20 毫秒的浪涌。對于 110 V DC (標(biāo)稱值)的系統(tǒng)，這對應(yīng)于 385 V DC的峰值，這超出了轉(zhuǎn)換器的正常范圍，特別是當(dāng)它需要降至 66 V DC最低電壓時。

　　這種低阻抗源提供的能量意味著瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 無法鉗位電壓。根據(jù)功率水平，需要在電源輸入上安裝預(yù)調(diào)節(jié)器或在浪涌持續(xù)期間關(guān)閉輸入的電路。 DC/DC 轉(zhuǎn)換器需要保持功能，以在此期間維持輸出。

　　為了解決這個問題，TRACO 裝置配備了總線引腳輸出這一重要功能。該輸出提供固定電壓來為電容器充電，使電容器能夠提供較長保持時間所需的能量(圖 5)。與傳統(tǒng)前端電容器保持方案中使用的電容器相比，這些電容器明顯更小且更便宜。

　　圖 5：這是與總線電容器 C BUS一起使用的推薦輸入電路，以簡化延長保持時間的實(shí)施。 (圖片來源：TRACO Power)

　　請注意，不需要在輸入電路中添加串聯(lián)二極管，因?yàn)檫@些轉(zhuǎn)換器具有集成二極管，可以避免短路并保持電容器的能量流入電源。

　　當(dāng)電源電壓中斷發(fā)生時，輸入電壓將在電容器開始放電之前降至總線電壓，為電源模塊提供能量。由于功率密度相對較高，TEP 150UIR 系列和 TEP 200UIR 系列可以在高達(dá) 80 伏的輸入電壓下提供固定總線電壓。輸入電壓較高時，總線電壓隨實(shí)際輸入電壓線性增加(圖 6)。

　　圖 6：轉(zhuǎn)換器在高達(dá) 80 伏的輸入電壓下提供固定總線電壓;輸入電壓較高時，總線電壓隨實(shí)際輸入電壓線性增加。 (圖片來源：TRACO Power)

　　3)有源浪涌電流限制：這解決了電源轉(zhuǎn)換器的一個常見問題：當(dāng)輸入電壓開始斜坡上升時，輸入端的保持電容器將導(dǎo)致高浪涌電流。這可能會燒斷保險絲或使電路跳閘，并導(dǎo)致連接設(shè)備出現(xiàn)錯誤和故障。

　　為了避免這種情況，TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列的脈沖引腳提供了 12 V、1 kHz 方波信號，可用于浪涌電流限制電路(圖 7)。

　　圖 7：TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列提供了一種簡單的方法，使用帶有方波信號的脈沖引腳來限制啟動時的浪涌電流。 (圖片來源：TRACO Power)

　　通過將有源浪涌電流限制電路連接到脈沖引腳，可以有效限制浪涌電流(圖 8)。在沒有限制的情況下，浪涌電流約為 120 A(左)，而在限制的情況下，浪涌電流降至約 24.5 A(右)。

　　圖 8：使用脈沖引腳驅(qū)動轉(zhuǎn)換器的有源浪涌電流限制電路，可將浪涌電流降低五倍。所示示例的輸入電壓為72 伏。左側(cè)的水平刻度為 50 伏/格，右側(cè)為 10 伏/格，傳感器刻度系數(shù)為 1 伏 = 1 A。(圖片來源：TRACO Power)

　　結(jié)論

　　用于低壓鐵路應(yīng)用的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器必須不僅僅提供可靠、一致的電源性能。它們必須結(jié)構(gòu)緊湊、易于管理和部署、適應(yīng)各種應(yīng)用、能夠在惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，并且能夠滿足一系列具有挑戰(zhàn)性的電氣、熱和機(jī)械監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)和要求。如圖所示，TRACO Power TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列能夠勝任這項(xiàng)任務(wù)，其功能包括 14 至 160 V DC的寬 12:1 輸入電壓范圍、用于在電壓下降期間為電容器充電以提供能量的保持引腳、承受浪涌的能力以及多種輸出電壓/電流配對，全部采用單一外形尺寸。