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作者：GAIA Converter 車(chē)載鐵路應用中使用的 DC-DC 轉換器必須滿(mǎn)足具有挑戰性的供電和環(huán)境規范。作為歐洲鐵路交通管理系統 (ERTMS) 核心的歐洲列車(chē)控制系統 (ETCS) 的廣泛采用，對功率轉換設備提出了新的、更嚴格的要求。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 電源架構如何滿(mǎn)足快速發(fā)展的鐵路基礎設施的需求。 人們呼吁對鐵路機車(chē)車(chē)輛進(jìn)行大量進(jìn)一步投資，無(wú)論是新建還是更新現有資產(chǎn)[1]。這是為了滿(mǎn)足減少碳足跡的需要，同時(shí)提高跨境機車(chē)車(chē)輛的安全性、容量和互操作性。例如，在歐洲，正在進(jìn)行向單一歐洲信號和速度控制系統的過(guò)渡——所謂的歐洲軌道交通管理系統 (ERTMS) – 幫助最大限度地提高鐵路系統的互操作性，提高鐵路運輸的速度、容量和安全性。 據 Research and Markets 分析師稱(chēng)，[2] 全球鐵路市場(chǎng)（包括客運和貨運）將從 2022 年的約 $500B 增至 2030 年的約 $846B。網(wǎng)絡(luò )電氣化是擴張領(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)，遠程狀態(tài)監測、自動(dòng)化和通信正在被內置。例如，歐洲列車(chē)控制系統 (ETCS)列車(chē)自動(dòng)保護系統 (ATP) 取代了現有的國家 ATP 系統，持續監控列車(chē)運行以最大限度地提高安全性。此外，乘客期望更多的設施，例如信息娛樂(lè )和無(wú)線(xiàn)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（FRMCS）。 該數字通信標準將取代現有的 GSM-R 系統，該系統非常成功，最終將通過(guò)該標準運營(yíng)超過(guò) 200,000 公里的軌道。然而，對 GSM-R 的支持將于 2030 年終止，這促使 FRMCS 快速發(fā)展，其目標是成為全球標準。 在所有鐵路環(huán)境中，客運、貨運、地上和地下，這些輔助功能都需要電力轉換設備，這些功能通常對安全至關(guān)重要，因此設備必須在惡劣的環(huán)境中可靠運行。 軌道電力轉換設備面臨的挑戰 從歷史上看，各個(gè)市場(chǎng)的機車(chē)車(chē)輛輔助設備都有多個(gè)系統電池電壓標稱(chēng)值，從 24VDC 到 110VDC，其變化和容差也取決于地理位置。通常使用歐洲標準 EN 50155 以及有一些變化的法國標準 NF-F 01-510，而源自英國的 RIA12 等舊標準仍然存在。在美國，24V 和 72V 電源軌的容差又不同。圖1 顯示了所見(jiàn)標稱(chēng)電壓的選擇、它們的靜態(tài)容差、驟降和浪涌。 
圖 1：各種軌標稱(chēng)電壓、驟降和浪涌 RIA12 中需要滿(mǎn)足的一項具有挑戰性的規范是，在 0.2 歐姆的相對較低源阻抗下，能夠承受 3.5 倍標稱(chēng)電壓，即 110VDC 系統中的 385V 電壓，持續 20 毫秒。壓敏電阻或 TransorbTM值 由于需要耗散能量，因此無(wú)法對其進(jìn)行鉗位，因此必須將其調節到設備的正常工作電壓范圍內。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 兼容性標準 EN 50121-3-2 中所定義，該標準調用了“EMC 指令”系列標準， IEC 61000-4。例如，必須能夠承受 +/-2kV、5/50ns 上升/下降波形和 5kHz 重復率，且不會(huì )中斷功能或損壞。 根據 EN 50155，完全供電中斷可能發(fā)生在等級的另一端，等級為 S1、S2 和 S3，最嚴重，供電中斷 20 毫秒，且不允許性能下降。這些中斷被認為是由電源瞬時(shí)短路引起的，因此任何電源轉換器都必須具有保護措施以避免反向輸入電流。設備還可能需要在“電源轉換”條件下不間斷地繼續運行，例如，當電源暫時(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(lèi)別：C1，從標稱(chēng)電壓的 60% 中斷 100ms，沒(méi)有任何影響；C2，從標稱(chēng)電壓中斷 30ms，允許一定程度的性能下降。 標準還適用于 EN 50121-3、-4 和 -5 中確定的輻射和傳導射頻發(fā)射。 不同級別的抗擾度和允許的設備對浪涌、瞬變、驟降和中斷的響應是終端設備功能所特有的。例如，與安全關(guān)鍵標牌相比，它們對于信息娛樂(lè )系統來(lái)說(shuō)是不同的。 機械環(huán)境同樣嚴峻 機車(chē)車(chē)輛具有各種可能安裝電氣設備的環(huán)境。這些位置分為 1 級（最良性的位置，通常在乘客艙內）到 7 級（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） 。 幸運的是，大多數需要 DC-DC 電源轉換器的輔助電子設備安裝在室內，主要是 1-3 級防風(fēng)雨位置。根據 EN 50124-1，這些污染等級為 2 和 3 級；根據 EN 61373，振動(dòng)和沖擊為 1B 類(lèi)。此外，設備的工作環(huán)境空氣溫度等級（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，最糟糕的情況預計為每秒 +/-3°C。 當然，除了滿(mǎn)足嚴格的電氣和環(huán)境規范外，鐵路應用中的電源轉換器還應可靠且使用壽命長(cháng)，以確保最低的生命周期成本和最短的停機時(shí)間。保證十年以上的連續供應也至關(guān)重要。 鐵路應用的變流器選擇 考慮到典型的鐵路規格，“標準”商業(yè)零件很少是一個(gè)好的解決方案。盡管 COTS 或“商業(yè)現貨”產(chǎn)品可能滿(mǎn)足選定的性能參數，但它們通常沒(méi)有長(cháng)期支持保證，并且各種鐵路應用需要多個(gè)零件。許多可用產(chǎn)品的隔離等級也有限——也許只是功能性的，而通常需要更高等級的隔離等級，無(wú)論是基本的還是增強的。 COT 部件通常還需要大量支持電路來(lái)滿(mǎn)足 EMC 和電源變化規范，從而占用空間并增加組件和裝配成本。 難以滿(mǎn)足涉及功率級別的應用規模的 DC-DC 轉換器的通用規范；隨著(zhù)功率增加，EMC 濾波器變得更大、更復雜，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)現寬輸入范圍更加困難，轉換器必須在低輸入電壓下承受高電流應力。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)。結果是，具有理想的寬輸入范圍、EMC 和環(huán)境性能的 DC-DC 轉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)雅的轉換拓撲，提高了板載 DC-DC 轉換器的額定功率，同時(shí)保持非常緊湊的格式并滿(mǎn)足高效率的主要導軌規格。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 標稱(chēng)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 標準中定義的 100ms 瞬變至 176VDC。在低端，所有標準中最小 12VDC 的 100 毫秒掉電也在轉換器范圍內。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 Mil HDBK 217F GB，通常高于 1000 khrs，其中對于相同標準條件，通常的數字通常為 300 到 500 khrs），因由磁反饋驅動(dòng)，避免了光耦合器及其長(cháng)期退化問(wèn)題。
圖 2：具有 12VDC – 160VDC 連續輸入范圍的軌優(yōu)化 80W DC-DC 轉換器 預處理模塊可處理更高的浪涌并增加其他優(yōu)勢 在鐵路應用中，并不總是需要符合 RIA12 規定的 3.5 倍標稱(chēng)高能量浪涌，因此最好通過(guò)可選的“預調節”級 [4] 來(lái)處理，該級通常會(huì )將電壓調節至 160VDC 以下。該級由同一供應商作為模塊提供，與其 80W、40W 和 20W 的 DC-DC 相匹配，具有內置反極性/電流保護，并具有濾波功能，可抵抗電源快速瞬變和 DC 產(chǎn)生的傳導發(fā)射-直流轉換器。該模塊還具有新穎的布置，其中小型升壓轉換器保持無(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 轉換器輸入以提供保持。由于能量以高電壓存儲，并且電容器可以在 DC-DC 轉換器下降之前放電至 12VDC，因此只需相對較小的外部連接電容器即可滿(mǎn)足 EN 50155 S3 級 20ms 中斷規范。該模塊尺寸為 48.5 x 40.7 x 12.7mm。它包括使能輸入、故障標志、軟啟動(dòng)、過(guò)溫關(guān)斷以及針對過(guò)應力的浪涌限制電路保護。輪廓如圖所示圖3。
圖 3：概述預調節電路以滿(mǎn)足作為模塊提供的導軌規格 安全的解決方案 使用模塊化方法進(jìn)行軌道 DC-DC 轉換并配有可選的預處理單元，是一種高性能、緊湊、多功能且安全的解決方案，可滿(mǎn)足當前標準，單個(gè)部件涵蓋多個(gè)輸入范圍應用，從而降低采購和庫存成本。當從在高可靠性電源轉換產(chǎn)品方面擁有多年經(jīng)驗并致力于供應連續性的制造商處采購時(shí)，系統設計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 年鐵路運輸全球市場(chǎng)機遇和戰略：COVID-19 的增長(cháng)和變化” [3] https://www.Gaia-converter [4] 部分FLHGI90, 蓋亞轉換器 |
