為機車車輛應用指定功率轉換器

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

機車車輛需要專用設備電源

鐵路機車車輛的動力最初都是關于牽引、照明和基本信號，通常來自連接到一切的車載電池的原始 110VDC。直流母線上的開關設備沒有浪涌和瞬態限制器，因為它們會隨著時間的推移而退化，并且不能保證始終正常工作，因此單個設備必須承受由此產生的全部過壓、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 - 現代軌道車輛充滿了用于通信和控制的電子設備，乘客也越來越期望蜂窩中繼器和Wi-Fi服務具有“干凈”的交流電源和每個座位上的USB DC電源。由于環境和連接設備的多樣性，電源轉換變得越來越分散。在原始直流母線、列車電子設備和乘客昂貴的便攜式設備之間接口的每個轉換器都必須設計為滿足總線電壓的電氣規格以及鐵路應用的惡劣物理環境。

指定質詢

EN 50155是國際公認的軌道車輛電氣設備的歐洲標準，涵蓋了特定鐵路環境條件下的功能和性能。電氣應力與EMC、安全和機械條件（如振動、沖擊、顛簸、水密性等）一起涵蓋。電源制造商特別關注的是輸入電壓規格，該規格具有幾種可能的標稱值，包括驟降、壓差、浪涌和瞬變。圖 1 總結了 EN 50155 中的規范，并與其他舊鐵路標準、英國 RIA-12、法國 NFF 01-510 和美國進行了比較。高kV瞬變未顯示，并由TranzorbsTM或類似器件衰減。標準商用DC-DC轉換器（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 系列中專為鐵路設計的一些商用 DC-DC 轉換器也涵蓋了所有標稱值。

幸運的是，對于通信和控制設備中功率相對較低的分布式轉換器，持續長達一秒的高能量浪涌和高壓尖峰通常由預調節級處理，只剩下寬連續工作電壓來應對。例如，110 VDC、EN 50155 標稱輸入的范圍為 77 至 137.5 VDC。如果需要符合 RIA-12 標準，浪涌為 3.5 倍標稱，持續 20 ms，高達 385 VDC，通常需要有源預穩壓器或類似設備，因為能量太高，無法簡單地吸收瞬態限制器組件。

EN 50155：2017還包括某些應用中10毫秒的總電源中斷規范，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

商用電源轉換器不太可能符合規格的另一種方式是符合環境測試。EN 50155 參考 EN 61373 針對沖擊、振動和顛簸，要求分為三類：車身（A 級和 B 級）、轉向架和軸安裝，最后一類最為嚴苛。根據預期位置的不同，可能適用其他規格，例如抗進水和鹽霧。EMC當然是一個額外的考慮因素，適用于ESD，浪涌和瞬態抗擾度的規格，以及RF敏感性以及符合EN 50121-3-2的傳導和輻射發射。干熱和濕熱規格也適用，典型工作溫度額定值為 -40 至 +85°C，但可能是瞬態的。

電源轉換器供應商還必須通過廣泛的測試記錄、構建文檔和預測以及硬件和任何嵌入式軟件的可靠性證明來證明合規性。所有這些都與任何特定于應用的要求一起，例如可能為 30 年的“使用壽命”。

常用的功率轉換器類型

根據功率水平和應用，軌道車輛中使用具有各種外形尺寸的 DC-DC 轉換器。機箱安裝部件通常在較高功率下具有適當的加固，以滿足任何開放 PCB 漆面的沖擊和振動要求。高達 600 W 左右，歐式磁帶風格非常受歡迎。這是一款使用標準 DIN 41612 H15 連接器的機架安裝產品，有多種功率級別和多種選擇。機箱安裝和盒式產品通常具有 12、24 或 48 V 的“總線”輸出，并且通常具有包括額外濾波、反極性保護和延長保持時間的選項。對于低標稱輸入電壓，“保持”或“穿越”可能非常具有挑戰性。例如，對于輸入范圍為100-80 V（標稱電壓約為10 V）的“2類”應用，要在16 ms內以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，因此還需要串聯輸入二極管來隔離保持電容器，這會導致額外的功率損耗和壓降，需要擴展轉換器的輸入范圍。其他保持解決方案可能是在內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，但無論如何，必須控制進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率限制在10秒左右的《》次。

某些產品能夠并聯轉換器輸出，以獲得額外的功率或冗余與相關的信號。轉換器的輸入電壓范圍通常很寬，以包含盡可能多的標稱電池電壓及其驟降和浪涌。

圖2.鐵路系統 EMC 區域，A、B、C

請注意，鐵路應用中的電源通常不允許使用可觸及的保險絲，因此可能需要外部保險絲或觸點斷路器。

板安裝產品也可用于高達 100 W 左右的功率，為數字和模擬電路提供嚴格調節的低壓輸出。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以及環境保護。

DC-DC轉換器通常需要隔離，其電平由應用定義，但通常是基本或增強的。

EN 50155包括一個圖表，用于識別系統EMC區域A，B和C，如圖2所示，以縮寫形式顯示DC-DC轉換器的典型位置。

實用解決方案

憑借美最時品牌的產品，Bel Power Solutions 成為符合 EN 50155 標準的 DC-DC 轉換器的主要供應商。RCM 系列提供 150 W 至 300 W 的隔離式機箱安裝部件，輸入范圍為 14.4 – 50.4 VDC 和 43.2 – 154 VDC，標稱值為 24 V、28 V、36 V、72 V、96 V 和 110 VDC，掉電至 0.6 x Vnom，浪涌高達 1.4 x Vnom。500 W 和 1000 W 器件的輸入為 43.2 – 100.8 VDC（標稱 72 VDC）和 66 – 154 VDC （110 VDC 標稱輸入）也涵蓋 0.6 x Vnom 欠壓和 1.4 x Vnom 浪涌。

歐盒式 DC-DC 轉換器是 Melcher 系列的主要特點，其隔離產品的額定功率從 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 385 VDC。PSK/PSS 系列提供高達 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。即使是板裝產品也提供PSA/PSR、PSB和IBX非隔離系列，具有寬輸入范圍，適用于鐵路應用。

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

在電氣和環境條件下，設計符合EN 50155并非易事，因為電氣和環境條件幾乎非常惡劣。商業“現成”解決方案通常根本不符合規范，特別是對于長期可靠性。

審核編輯：郭婷