用于机车车辆应用的功率转换器加固

为机车车辆应用指定功率转换器

现代轨道车辆都装满了用于通信和控制的电子设备，乘客也越来越期望蜂窝中继器和Wi-Fi服务具有“干净”的交流电源和每个座位上的USB DC电源。由于环境和连接设备的多样性，电源转换变得越来越分散。在原始直流母线、列车电子设备和乘客昂贵的便携式设备之间接口的每个转换器都必须设计为满足总线电压的电气规格以及铁路应用的恶劣物理环境。

机车车辆需要专用设备电源

铁路机车车辆的动力最初都是关于牵引、照明和基本信号，通常来自连接到一切的车载电池的原始 110VDC。直流母线上的开关设备没有浪涌和瞬态限制器，因为它们会随着时间的推移而退化，并且不能保证始终正常工作，因此单个设备必须承受由此产生的全部过压、压降和浪涌。虽然灯光偶尔变亮或变暗并不重要。

今天，情况大不相同 - 现代轨道车辆充满了用于通信和控制的电子设备，乘客也越来越期望蜂窝中继器和Wi-Fi服务具有“干净”的交流电源和每个座位上的USB DC电源。由于环境和连接设备的多样性，电源转换变得越来越分散。在原始直流母线、列车电子设备和乘客昂贵的便携式设备之间接口的每个转换器都必须设计为满足总线电压的电气规格以及铁路应用的恶劣物理环境。

指定质询

EN 50155是国际公认的轨道车辆电气设备的欧洲标准，涵盖了特定铁路环境条件下的功能和性能。电气应力与EMC、安全和机械条件（如振动、冲击、颠簸、水密性等）一起涵盖。电源制造商特别关注的是输入电压规格，该规格具有几种可能的标称值，包括骤降、压差、浪涌和瞬变。图 1 总结了 EN 50155 中的规范，并与其他旧铁路标准、英国 RIA-12、法国 NFF 01-510 和美国进行了比较。高kV瞬变未显示，并由TranzorbsTM或类似器件衰减。标准商用DC-DC转换器（9 – 36V和18 – 72V）的“宽”输入范围作为参考，表明与电源轨要求的重叠较差。例如，Bel Power Solutions 系列中专为铁路设计的一些商用 DC-DC 转换器也涵盖了所有标称值。

幸运的是，对于通信和控制设备中功率相对较低的分布式转换器，持续长达一秒的高能量浪涌和高压尖峰通常由预调节级处理，只剩下宽连续工作电压来应对。例如，110 VDC、EN 50155 标称输入的范围为 77 至 137.5 VDC。如果需要符合 RIA-12 标准，浪涌为 3.5 倍标称，持续 20 ms，高达 385 VDC，通常需要有源预稳压器或类似设备，因为能量太高，无法简单地吸收瞬态限制器组件。

EN 50155：2017还包括某些应用中10毫秒的总电源中断规范，称为“S2类”和20毫秒的中断，称为“S3类”。

图1.电源输入电压范围

商用电源转换器不太可能符合规格的另一种方式是符合环境测试。EN 50155 参考 EN 61373 针对冲击、振动和颠簸，要求分为三类：车身（A 级和 B 级）、转向架和轴安装，最后一类最为严苛。根据预期位置的不同，可能适用其他规格，例如抗进水和盐雾。EMC当然是一个额外的考虑因素，适用于ESD，浪涌和瞬态抗扰度的规格，以及RF敏感性以及符合EN 50121-3-2的传导和辐射发射。干热和湿热规格也适用，典型工作温度额定值为 -40 至 +85°C，但可能是瞬态的。

电源转换器供应商还必须通过广泛的测试记录、构建文档和预测以及硬件和任何嵌入式软件的可靠性证明来证明合规性。所有这些都与任何特定于应用的要求一起，例如可能为 30 年的“使用寿命”。

常用的功率转换器类型

根据功率水平和应用，轨道车辆中使用具有各种外形尺寸的 DC-DC 转换器。机箱安装部件通常在较高功率下具有适当的加固，以满足任何开放 PCB 漆面的冲击和振动要求。高达 600 W 左右，欧式磁带风格非常受欢迎。这是一款使用标准 DIN 41612 H15 连接器的机架安装产品，有多种功率级别和多种选择。机箱安装和盒式产品通常具有 12、24 或 48 V 的“总线”输出，并且通常具有包括额外滤波、反极性保护和延长保持时间的选项。对于低标称输入电压，“保持”或“穿越”可能非常具有挑战性。例如，对于输入范围为100-80 V（标称电压约为10 V）的“2类”应用，要在16 ms内以36%的效率将24 W电源保持8 ms，则需要在额定电压为000 V（约40.2 cu-in或5 cu-cm）的输入端安装约40，50155 μF的电容。这是巨大的尺寸和成本，也是整体可靠性和寿命计算的主要因素。EN1将中断描述为由输入短路引起的，因此还需要串联输入二极管来隔离保持电容器，这会导致额外的功率损耗和压降，需要扩展转换器的输入范围。其他保持解决方案可能是在内部将输入升压到更高的电压，以便较小的电容器可用于相同的能量存储，但无论如何，必须控制进入电容器的浪涌电流和充电速率，并且可能将允许压差的重复率限制在10秒左右的《》次。

某些产品能够并联转换器输出，以获得额外的功率或冗余与相关的信号。转换器的输入电压范围通常很宽，以包含尽可能多的标称电池电压及其骤降和浪涌。

图2.铁路系统 EMC 区域，A、B、C

请注意，铁路应用中的电源通常不允许使用可触及的保险丝，因此可能需要外部保险丝或触点断路器。

板安装产品也可用于高达 100 W 左右的功率，为数字和模拟电路提供严格调节的低压输出。这些也可以直接从直流母线供电，因此通常需要浪涌和瞬态以及环境保护。

DC-DC转换器通常需要隔离，其电平由应用定义，但通常是基本或增强的。

EN 50155包括一个图表，用于识别系统EMC区域A，B和C，如图2所示，以缩写形式显示DC-DC转换器的典型位置。

实用解决方案

凭借美最时品牌的产品，Bel Power Solutions 成为符合 EN 50155 标准的 DC-DC 转换器的主要供应商。RCM 系列提供 150 W 至 300 W 的隔离式机箱安装部件，输入范围为 14.4 – 50.4 VDC 和 43.2 – 154 VDC，标称值为 24 V、28 V、36 V、72 V、96 V 和 110 VDC，掉电至 0.6 x Vnom，浪涌高达 1.4 x Vnom。500 W 和 1000 W 器件的输入为 43.2 – 100.8 VDC（标称 72 VDC）和 66 – 154 VDC （110 VDC 标称输入）也涵盖 0.6 x Vnom 欠压和 1.4 x Vnom 浪涌。

欧盒式 DC-DC 转换器是 Melcher 系列的主要特点，其隔离产品的额定功率从 M 系列的 50 W 到 HR 系列的 288 W。提供多种输入电压选择，“K”系列的最小输入电压低至 8 VDC，最大值高达 385 VDC。PSK/PSS 系列提供高达 576 W 的非隔离暗盒，输入电压额定值低至 18 V，具体取决于型号。即使是板装产品也提供PSA/PSR、PSB和IBX非隔离系列，具有宽输入范围，适用于铁路应用。

Bel Power Solutions 用于铁路应用的所有产品都经过加固处理，并具有多种选项，可轻松组装和认证完整的系统解决方案。例如，RCM 系列器件提供可选的 10 ms 保持和“OR-ing”二极管，适用于冗余应用。

在电气和环境条件下，设计符合EN 50155并非易事，因为电气和环境条件几乎非常恶劣。商业“现成”解决方案通常根本不符合规范，特别是对于长期可靠性。