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作者：GAIA Converter 車載鐵路應(yīng)用中使用的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器必須滿足具有挑戰(zhàn)性的供電和環(huán)境規(guī)范。作為歐洲鐵路交通管理系統(tǒng) (ERTMS) 核心的歐洲列車控制系統(tǒng) (ETCS) 的廣泛采用，對(duì)功率轉(zhuǎn)換設(shè)備提出了新的、更嚴(yán)格的要求。在本文中，克里斯蒂安·瓊格拉斯 (Christian Jonglas) 的 GAIA Converter，研究了最新的 DC-DC 電源架構(gòu)如何滿足快速發(fā)展的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的需求。 人們呼吁對(duì)鐵路機(jī)車車輛進(jìn)行大量進(jìn)一步投資，無(wú)論是新建還是更新現(xiàn)有資產(chǎn)[1]。這是為了滿足減少碳足跡的需要，同時(shí)提高跨境機(jī)車車輛的安全性、容量和互操作性。例如，在歐洲，正在進(jìn)行向單一歐洲信號(hào)和速度控制系統(tǒng)的過(guò)渡——所謂的歐洲軌道交通管理系統(tǒng) (ERTMS) – 幫助最大限度地提高鐵路系統(tǒng)的互操作性，提高鐵路運(yùn)輸?shù)乃俣取⑷萘亢桶踩浴?br /> 據(jù) Research and Markets 分析師稱，[2] 全球鐵路市場(chǎng)（包括客運(yùn)和貨運(yùn)）將從 2022 年的約 $500B 增至 2030 年的約 $846B。網(wǎng)絡(luò)電氣化是擴(kuò)張領(lǐng)域之一，反映了普遍的遷移來(lái)自化石燃料動(dòng)力。與此同時(shí)，遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化和通信正在被內(nèi)置。例如，歐洲列車控制系統(tǒng) (ETCS)列車自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng) (ATP) 取代了現(xiàn)有的國(guó)家 ATP 系統(tǒng)，持續(xù)監(jiān)控列車運(yùn)行以最大限度地提高安全性。此外，乘客期望更多的設(shè)施，例如信息娛樂(lè)和無(wú)線連接。 “鐵路網(wǎng)投資”將進(jìn)一步提振未來(lái)鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)（FRMCS）。 該數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)將取代現(xiàn)有的 GSM-R 系統(tǒng)，該系統(tǒng)非常成功，最終將通過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)營(yíng)超過(guò) 200,000 公里的軌道。然而，對(duì) GSM-R 的支持將于 2030 年終止，這促使 FRMCS 快速發(fā)展，其目標(biāo)是成為全球標(biāo)準(zhǔn)。 在所有鐵路環(huán)境中，客運(yùn)、貨運(yùn)、地上和地下，這些輔助功能都需要電力轉(zhuǎn)換設(shè)備，這些功能通常對(duì)安全至關(guān)重要，因此設(shè)備必須在惡劣的環(huán)境中可靠運(yùn)行。 軌道電力轉(zhuǎn)換設(shè)備面臨的挑戰(zhàn) 從歷史上看，各個(gè)市場(chǎng)的機(jī)車車輛輔助設(shè)備都有多個(gè)系統(tǒng)電池電壓標(biāo)稱值，從 24VDC 到 110VDC，其變化和容差也取決于地理位置。通常使用歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN 50155 以及有一些變化的法國(guó)標(biāo)準(zhǔn) NF-F 01-510，而源自英國(guó)的 RIA12 等舊標(biāo)準(zhǔn)仍然存在。在美國(guó)，24V 和 72V 電源軌的容差又不同。圖1 顯示了所見(jiàn)標(biāo)稱電壓的選擇、它們的靜態(tài)容差、驟降和浪涌。 
圖 1：各種軌標(biāo)稱電壓、驟降和浪涌 RIA12 中需要滿足的一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的規(guī)范是，在 0.2 歐姆的相對(duì)較低源阻抗下，能夠承受 3.5 倍標(biāo)稱電壓，即 110VDC 系統(tǒng)中的 385V 電壓，持續(xù) 20 毫秒。壓敏電阻或 TransorbTM值 由于需要耗散能量，因此無(wú)法對(duì)其進(jìn)行鉗位，因此必須將其調(diào)節(jié)到設(shè)備的正常工作電壓范圍內(nèi)。除了列出的高能過(guò)電壓之外，還存在快速、高電壓但低能量的干擾，如鐵路 EMC 兼容性標(biāo)準(zhǔn) EN 50121-3-2 中所定義，該標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用了“EMC 指令”系列標(biāo)準(zhǔn)， IEC 61000-4。例如，必須能夠承受 +/-2kV、5/50ns 上升/下降波形和 5kHz 重復(fù)率，且不會(huì)中斷功能或損壞。 根據(jù) EN 50155，完全供電中斷可能發(fā)生在等級(jí)的另一端，等級(jí)為 S1、S2 和 S3，最嚴(yán)重，供電中斷 20 毫秒，且不允許性能下降。這些中斷被認(rèn)為是由電源瞬時(shí)短路引起的，因此任何電源轉(zhuǎn)換器都必須具有保護(hù)措施以避免反向輸入電流。設(shè)備還可能需要在“電源轉(zhuǎn)換”條件下不間斷地繼續(xù)運(yùn)行，例如，當(dāng)電源暫時(shí)開(kāi)路時(shí)，在冗余電源之間。在這種情況下，定義了兩個(gè)類別：C1，從標(biāo)稱電壓的 60% 中斷 100ms，沒(méi)有任何影響；C2，從標(biāo)稱電壓中斷 30ms，允許一定程度的性能下降。 標(biāo)準(zhǔn)還適用于 EN 50121-3、-4 和 -5 中確定的輻射和傳導(dǎo)射頻發(fā)射。 不同級(jí)別的抗擾度和允許的設(shè)備對(duì)浪涌、瞬變、驟降和中斷的響應(yīng)是終端設(shè)備功能所特有的。例如，與安全關(guān)鍵標(biāo)牌相比，它們對(duì)于信息娛樂(lè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不同的。 機(jī)械環(huán)境同樣嚴(yán)峻 機(jī)車車輛具有各種可能安裝電氣設(shè)備的環(huán)境。這些位置分為 1 級(jí)（最良性的位置，通常在乘客艙內(nèi)）到 7 級(jí)（可能是軸裝式的，通常會(huì)遭受高水平的沖擊、振動(dòng)、水以及污垢、制動(dòng)灰塵、燃料和液體的污染） 。 幸運(yùn)的是，大多數(shù)需要 DC-DC 電源轉(zhuǎn)換器的輔助電子設(shè)備安裝在室內(nèi)，主要是 1-3 級(jí)防風(fēng)雨位置。根據(jù) EN 50124-1，這些污染等級(jí)為 2 和 3 級(jí)；根據(jù) EN 61373，振動(dòng)和沖擊為 1B 類。此外，設(shè)備的工作環(huán)境空氣溫度等級(jí)（來(lái)自 OT1）為 -25°C -40°C 至 +85°C 時(shí)至 +55°C 至 OT6。例如，在穿過(guò)隧道時(shí)，溫度也可能會(huì)發(fā)生快速變化，最糟糕的情況預(yù)計(jì)為每秒 +/-3°C。 當(dāng)然，除了滿足嚴(yán)格的電氣和環(huán)境規(guī)范外，鐵路應(yīng)用中的電源轉(zhuǎn)換器還應(yīng)可靠且使用壽命長(zhǎng)，以確保最低的生命周期成本和最短的停機(jī)時(shí)間。保證十年以上的連續(xù)供應(yīng)也至關(guān)重要。 鐵路應(yīng)用的變流器選擇 考慮到典型的鐵路規(guī)格，“標(biāo)準(zhǔn)”商業(yè)零件很少是一個(gè)好的解決方案。盡管 COTS 或“商業(yè)現(xiàn)貨”產(chǎn)品可能滿足選定的性能參數(shù)，但它們通常沒(méi)有長(zhǎng)期支持保證，并且各種鐵路應(yīng)用需要多個(gè)零件。許多可用產(chǎn)品的隔離等級(jí)也有限——也許只是功能性的，而通常需要更高等級(jí)的隔離等級(jí)，無(wú)論是基本的還是增強(qiáng)的。 COT 部件通常還需要大量支持電路來(lái)滿足 EMC 和電源變化規(guī)范，從而占用空間并增加組件和裝配成本。 難以滿足涉及功率級(jí)別的應(yīng)用規(guī)模的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的通用規(guī)范；隨著功率增加，EMC 濾波器變得更大、更復(fù)雜，在電壓驟降和中斷期間保持的電容器也更大，并且在較高功率下實(shí)現(xiàn)寬輸入范圍更加困難，轉(zhuǎn)換器必須在低輸入電壓下承受高電流應(yīng)力。同時(shí)，組件必須額定為最高輸入電壓，從而迫使在成本和效率方面做出妥協(xié)。結(jié)果是，具有理想的寬輸入范圍、EMC 和環(huán)境性能的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器只能在非常低的功率下使用，或者在較高功率水平下體積龐大且效率低下。 優(yōu)化的軌道 DC-DC 轉(zhuǎn)換器即將上市 最近推出的產(chǎn)品 [3] 采用創(chuàng)新而優(yōu)雅的轉(zhuǎn)換拓?fù)洌岣吡税遢d DC-DC 轉(zhuǎn)換器的額定功率，同時(shí)保持非常緊湊的格式并滿足高效率的主要導(dǎo)軌規(guī)格。例如，80W，封裝尺寸僅為 50 x 44 x 12.9mm，（圖2），具有 12VDC 至 160VDC/176VDC 峰值超寬輸入范圍（36VDC 輸入以下額定功率 60W），并具有增強(qiáng)隔離功能。從圖 1 中可以看出，該輸入范圍涵蓋了從 24VDC 到 110VDC 標(biāo)稱值的所有正常輸入靜態(tài)容差，以及 EN 50155 和 RIA12 中分別定義到 154VDC 和 165VDC 的一秒瞬變。還涵蓋 NF-F 01-510 標(biāo)準(zhǔn)中定義的 100ms 瞬變至 176VDC。在低端，所有標(biāo)準(zhǔn)中最小 12VDC 的 100 毫秒掉電也在轉(zhuǎn)換器范圍內(nèi)。該特殊產(chǎn)品的額定外殼溫度為 -40°C 至 +105°C，適合任何鐵路應(yīng)用，并且經(jīng)過(guò)封裝，可承受惡劣的環(huán)境條件。引用的 MTBF 和使用壽命非常高（根據(jù) Mil HDBK 217F GB，通常高于 1000 khrs，其中對(duì)于相同標(biāo)準(zhǔn)條件，通常的數(shù)字通常為 300 到 500 khrs），因由磁反饋驅(qū)動(dòng)，避免了光耦合器及其長(zhǎng)期退化問(wèn)題。
圖 2：具有 12VDC – 160VDC 連續(xù)輸入范圍的軌優(yōu)化 80W DC-DC 轉(zhuǎn)換器 預(yù)處理模塊可處理更高的浪涌并增加其他優(yōu)勢(shì) 在鐵路應(yīng)用中，并不總是需要符合 RIA12 規(guī)定的 3.5 倍標(biāo)稱高能量浪涌，因此最好通過(guò)可選的“預(yù)調(diào)節(jié)”級(jí) [4] 來(lái)處理，該級(jí)通常會(huì)將電壓調(diào)節(jié)至 160VDC 以下。該級(jí)由同一供應(yīng)商作為模塊提供，與其 80W、40W 和 20W 的 DC-DC 相匹配，具有內(nèi)置反極性/電流保護(hù)，并具有濾波功能，可抵抗電源快速瞬變和 DC 產(chǎn)生的傳導(dǎo)發(fā)射-直流轉(zhuǎn)換器。該模塊還具有新穎的布置，其中小型升壓轉(zhuǎn)換器保持無(wú)論輸入直流軌是什么，低至 12VDC，電容器都處于恒定高電壓。如果發(fā)生電源中斷，電容器將切換到下游 DC-DC 轉(zhuǎn)換器輸入以提供保持。由于能量以高電壓存儲(chǔ)，并且電容器可以在 DC-DC 轉(zhuǎn)換器下降之前放電至 12VDC，因此只需相對(duì)較小的外部連接電容器即可滿足 EN 50155 S3 級(jí) 20ms 中斷規(guī)范。該模塊尺寸為 48.5 x 40.7 x 12.7mm。它包括使能輸入、故障標(biāo)志、軟啟動(dòng)、過(guò)溫關(guān)斷以及針對(duì)過(guò)應(yīng)力的浪涌限制電路保護(hù)。輪廓如圖所示圖3。
圖 3：概述預(yù)調(diào)節(jié)電路以滿足作為模塊提供的導(dǎo)軌規(guī)格 安全的解決方案 使用模塊化方法進(jìn)行軌道 DC-DC 轉(zhuǎn)換并配有可選的預(yù)處理單元，是一種高性能、緊湊、多功能且安全的解決方案，可滿足當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)，單個(gè)部件涵蓋多個(gè)輸入范圍應(yīng)用，從而降低采購(gòu)和庫(kù)存成本。當(dāng)從在高可靠性電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品方面擁有多年經(jīng)驗(yàn)并致力于供應(yīng)連續(xù)性的制造商處采購(gòu)時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以確保他們擁有總擁有成本較低的產(chǎn)品。 參考 [1] https://www.railtech.com/policy/ ... needed/?gdpr=accept [2] Researchandmarkets.com“2030 年鐵路運(yùn)輸全球市場(chǎng)機(jī)遇和戰(zhàn)略：COVID-19 的增長(zhǎng)和變化” [3] https://www.Gaia-converter [4] 部分FLHGI90, 蓋亞轉(zhuǎn)換器 |
