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簡(jiǎn)介： 本文介紹了軌道交通車(chē)載電子設備的供電需求與分類(lèi)，，并結合《車(chē)載電子設備標準》EN50155-2007要求，提出車(chē)載電子設備中的DC/DC電源模塊選型需考慮的要求，包括隔離電壓、輸入電壓范圍要求、工作溫度范圍、以及要求的EMC特性等，最后針對上述要點(diǎn)推薦了用于車(chē)載電子設備單元的隔離DC/DC電源模塊選型指導。 中國作為擁有全世界一半以上高鐵運營(yíng)里程的國家,在“十三五”期間（2016年~2020年），總的目標是到2020年鐵路里程達到15萬(wàn)公里，高速鐵路達到3萬(wàn)公里，鐵路總規模是增加2.9萬(wàn)公里，其中高速鐵路增加1.1萬(wàn)公里�！笆濉备哞F規劃投資額有望突破4萬(wàn) 億元，鐵路機車(chē)車(chē)輛投資額為8000億元左右。 反觀(guān)中國高鐵的國際市場(chǎng)，一批境外項目取得重大進(jìn)展，印尼雅萬(wàn)高鐵、中老鐵路已經(jīng)開(kāi)工建設，中泰鐵路、匈塞鐵路塞爾維亞段正式啟動(dòng)，俄羅斯莫斯科—喀山高鐵項目確定，充分說(shuō)明了鐵路已經(jīng)成為“中國制造”的一張靚麗名片，是“一帶一路”規劃中政府力推“走出去”的重點(diǎn)。發(fā)展中國家的鐵路建設比如印度，蘊含著(zhù)巨大的發(fā)展潛力。 一、車(chē)載電子設備的介紹 隨著(zhù)鐵路行業(yè)的不斷發(fā)展，為了提高車(chē)載運行的可靠性和提高乘客的舒適性，大量的電子設備被應用于軌道交通中。車(chē) 載電子設備的供電主要是由車(chē)載輔助供電系統提供，輔助供電系統指的是除為牽引動(dòng)力系統之外的所有需要用電力的負載設備，包括輔助供電系統和蓄電池系統。 一般情況下，車(chē)載電子設備供電由充電機輸出作為低壓母線(xiàn)電源，蓄電池系統正常情況下向TCMS系統、照明系統、無(wú)線(xiàn)電等系統進(jìn)行供電，并在充電機出現臨時(shí)故障等情況下，起到能量緩沖的作用。 
圖1.蓄電池系統的供電情況 車(chē)載電子主要由TCMS系統（網(wǎng)絡(luò )控制系統）、信號系統、乘客咨詢(xún)廣播系統、空調控制系統等組成；各系統之間都是通過(guò)總線(xiàn)進(jìn)行供電，為了保證每個(gè)系統之間都能可靠的運行工作，需要隔離電源對各個(gè)子系統進(jìn)行供電，從而隔離出現故障的車(chē)載電子設備，防止故障區域的蔓延。 大量的車(chē)載電子設備通過(guò)列車(chē)通信總線(xiàn)進(jìn)行互聯(lián)，駕駛員可通過(guò)車(chē)載控制器對各個(gè)車(chē)載電子系統進(jìn)行控制，可實(shí)現遙測功能，達到遠程控制的目的。車(chē)載電子設備的自動(dòng)化、智能化技術(shù)應用，對隔離總線(xiàn)提出了更高的要求。
圖2.典型EMC區域與隔離系統接口情況 二、車(chē)載電子設備的要求 由于車(chē)載電子設備種類(lèi)繁多并且存在著(zhù)差異性，為了保證車(chē)載電子設備都能夠滿(mǎn)足鐵路車(chē)載使用的特殊要求，其產(chǎn)品必須需要滿(mǎn)足EN50155等標準內容要求；所有車(chē)載電子設備接口均需要滿(mǎn)足電位差、電磁兼容、人身安全等方面的要求，并且控制外部故障而引起的失效擴散。 標準對車(chē)載電子設備的要求主要有以下方面： 1.環(huán)境要求 如海拔、溫度濕度、沖擊振動(dòng)以及IP等級要求； 2.電氣要求 如電源需求、電氣隔離等； 3.浪涌和靜電放電需求；浪涌試驗主要是過(guò)電壓需求試驗，最大需要承受1.4倍常規電壓需求； 4.EMC要求；包括CE、RE以及CS、RS、Surge、EFT、ESD等要求，對于不同的接口部分，采用不同的等級要求；如圖2所示。 5.對裝置的可靠性、可維修性和預估的使用壽命；如可維修性驗證：采用指示燈進(jìn)行指示，定位故障發(fā)生點(diǎn)，方便進(jìn)行維修；如可靠性運行驗證，運行里程不少于10W公里，運行時(shí)間不少于1年等要求； 6.其他要求：如對于供電中斷、跌落等要求，一般模塊電源設計難滿(mǎn)足10mS中斷需求，尤其是對于低壓輸入產(chǎn)品，需要增加外圍輸入輸出電容滿(mǎn)足客戶(hù)需求；如對于蓄電池的短路保護措施，一般采用防反二極管或者機械設計來(lái)規避此方面的失效。 三、車(chē)載電子設備的電源選型 隔離電源作為防止故障擴散的方法之一，在車(chē)載電子設備中起著(zhù)重要的作用；但是車(chē)載在運行過(guò)程中，存在著(zhù)各種狀態(tài)，如劇烈的振動(dòng)狀態(tài)；劇烈的外界環(huán)境溫度變化率等情況出現；普通常規的工業(yè)級電源很難滿(mǎn)足其使用要求；那么車(chē)載電路電源需要要求呢？ 1.沖擊和振動(dòng)： 由于鐵路運行環(huán)境的性質(zhì)，鐵道車(chē)輛會(huì )受到?jīng)_擊和振動(dòng)。對于安裝在鐵道車(chē)輛上的電子設備必須進(jìn)行隨機振動(dòng)和沖擊試驗要求。對于電源模塊來(lái)說(shuō)，采用灌膠固定PCB板載元器件的方法，可有效增強其抗振動(dòng)和沖擊的能力。 如金升陽(yáng)鐵路電源R3系列產(chǎn)品可完全滿(mǎn)足振動(dòng)10~55Hz 10g 30Min along X Y Z要求。 車(chē)載蓄電池的額定供電電壓主要有以下幾種：24V、48V、72V、96V、110V等5種規格；由于輔助設備啟動(dòng)或者感性負載進(jìn)行切換，會(huì )產(chǎn)生浪涌電壓或者低電壓出現；電源設計的輸入電壓參數能夠在0.6VN和1.4VN電壓范圍內正常工作；并且電源廠(chǎng)家都會(huì )兼容多個(gè)車(chē)載蓄電池電壓等級。 如1.金升陽(yáng)鐵路電源產(chǎn)品URB1D24YMD-6WR3，輸入電壓范圍為40VDC~160VDC，可兼容車(chē)載蓄電池72VDC、96VDC、110VDC三個(gè)供電電壓等級。 2.隔離電氣要求： 車(chē)載電子設備的介電試驗（耐壓試驗）的試驗電壓與車(chē)載蓄電池的供電電壓相關(guān)，其相關(guān)要求如下： 表1.隔離耐壓與蓄電池電壓關(guān)系
對于車(chē)載電子設備的供電類(lèi)型不確定的話(huà)，比如110V蓄電池可能浮沖至125V以上情況出現或者低壓變壓器可能會(huì )產(chǎn)生大于125V電壓；建議采用1500VAC隔離的使用要求，可滿(mǎn)足瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)的電氣隔離要求；如金升陽(yáng)鐵路電源產(chǎn)品6WR3，可滿(mǎn)足1500VAC/2250VDC的電氣隔離要求； 3.溫度和濕度要求： 為了滿(mǎn)足長(cháng)途鐵道機車(chē)的溫度 變化范圍和濕度范圍要求，要求車(chē)載電源要求滿(mǎn)足環(huán)境溫度-40℃~85℃的使用要求，需要通過(guò)高低溫循壞和濕熱交變等可靠性型式試驗驗證。金升陽(yáng)鐵路電源產(chǎn)品，均按照嚴格的質(zhì)量管控體系進(jìn)行設計和生產(chǎn)，可通過(guò)鐵路要求的型式可靠性試驗。 4.特殊浪涌要求： 每個(gè)國家對特殊浪涌的要求不一致，例如：英國鐵路標準RIA12《拖動(dòng)及運載設備的直流控制系統中瞬態(tài)浪涌保護的通用規范》（海外這句話(huà)，可以刪除了；或者FAE提供標準英文版名稱(chēng)），要求與供電電源蓄電池連接的電子設備，必須能夠經(jīng)受兩種波形：一種是1S 1.5倍輸入電壓波形另外一種波形是3.5倍輸入電壓，持續時(shí)間20mS的浪涌電壓，該浪涌脈沖電壓的源阻抗為0.2Ω，如果考慮供電蓄電池額定電壓為110VDC，那么如果只是采用單一的鉗壓器件進(jìn)行防護，很難吸收（設鉗位電壓VC為160VDC）高達=2475J的能量，一般瞬時(shí)鉗壓抑制器件很難滿(mǎn)足要求，需要專(zhuān)門(mén)的電路或者模塊來(lái)滿(mǎn)足標準要求。金升陽(yáng)輔助濾波器采用串聯(lián)導通功率器件形成有源鉗位電路，將瞬態(tài)的浪涌電壓鉗位至鐵路電源可承受的電壓范圍之內。如輔助器FC-CX3D，輸入電壓范圍66VDC~160VDC，輸出最大功率為100W，最大的限制鉗位電壓為165VDC；采用專(zhuān)利電路--有源鉗位電路，可實(shí)現最大98%的效率。 5.其他方面需求： 對于供電中斷、跌落等要求，一般模塊電源設計難滿(mǎn)足10mS中斷需求，需要增加外圍輸入輸出電容滿(mǎn)足客戶(hù)需求。 四、小結 本文通過(guò)分析車(chē)載電子設備的要求，進(jìn)而為軌道交通車(chē)載電子設備DCDC隔離電源模塊正確選型做出指導，對于鐵路模塊電源可靠使用具有重要意義。 參考文獻 [1].BS EN50155:2007 Railway applications -- Electronic equipment used on rolling stock [2].GB/T 25119-2010 軌道交通 機車(chē)車(chē)輛電子裝置 [3].TB/T 3021-2001 鐵道機車(chē)車(chē)輛電子裝置 [4].IEC61373-1999 鐵道車(chē)輛設備沖擊和振動(dòng)試驗 |
