利用宽输入模块化 DC－DC 转换器应对铁路设备电源挑战

作者：GAIA Converter

车载铁路应用中使用的 DC-DC 转换器必须满足具有挑战性的供电和环境规范。作为欧洲铁路交通管理系统 (ERTMS) 核心的欧洲列车控制系统 (ETCS) 的广泛采用，对功率转换设备提出了新的、更严格的要求。在本文中，克里斯蒂安·琼格拉斯 (Christian Jonglas) 的 GAIA Converter，研究了最新的 DC-DC 电源架构如何满足快速发展的铁路基础设施的需求。

人们呼吁对铁路机车车辆进行大量进一步投资，无论是新建还是更新现有资产[1]。这是为了满足减少碳足迹的需要，同时提高跨境机车车辆的安全性、容量和互操作性。例如，在欧洲，正在进行向单一欧洲信号和速度控制系统的过渡——所谓的欧洲轨道交通管理系统 (ERTMS) – 帮助最大限度地提高铁路系统的互操作性，提高铁路运输的速度、容量和安全性。

据 Research and Markets 分析师称，[2] 全球铁路市场（包括客运和货运）将从 2022 年的约 $500B 增至 2030 年的约 $846B。网络电气化是扩张领域之一，反映了普遍的迁移来自化石燃料动力。与此同时，远程状态监测、自动化和通信正在被内置。例如，欧洲列车控制系统 (ETCS)列车自动保护系统 (ATP) 取代了现有的国家 ATP 系统，持续监控列车运行以最大限度地提高安全性。此外，乘客期望更多的设施，例如信息娱乐和无线连接。

“铁路网投资”将进一步提振未来铁路移动通信系统（FRMCS）。 该数字通信标准将取代现有的 GSM-R 系统，该系统非常成功，最终将通过该标准运营超过 200,000 公里的轨道。然而，对 GSM-R 的支持将于 2030 年终止，这促使 FRMCS 快速发展，其目标是成为全球标准。

在所有铁路环境中，客运、货运、地上和地下，这些辅助功能都需要电力转换设备，这些功能通常对安全至关重要，因此设备必须在恶劣的环境中可靠运行。

轨道电力转换设备面临的挑战

从历史上看，各个市场的机车车辆辅助设备都有多个系统电池电压标称值，从 24VDC 到 110VDC，其变化和容差也取决于地理位置。通常使用欧洲标准 EN 50155 以及有一些变化的法国标准 NF-F 01-510，而源自英国的 RIA12 等旧标准仍然存在。在美国，24V 和 72V 电源轨的容差又不同。图1 显示了所见标称电压的选择、它们的静态容差、骤降和浪涌。

图 1：各种轨标称电压、骤降和浪涌

RIA12 中需要满足的一项具有挑战性的规范是，在 0.2 欧姆的相对较低源阻抗下，能够承受 3.5 倍标称电压，即 110VDC 系统中的 385V 电压，持续 20 毫秒。压敏电阻或 TransorbTM值 由于需要耗散能量，因此无法对其进行钳位，因此必须将其调节到设备的正常工作电压范围内。除了列出的高能过电压之外，还存在快速、高电压但低能量的干扰，如铁路 EMC 兼容性标准 EN 50121-3-2 中所定义，该标准调用了“EMC 指令”系列标准， IEC 61000-4。例如，必须能够承受 +/-2kV、5/50ns 上升/下降波形和 5kHz 重复率，且不会中断功能或损坏。

根据 EN 50155，完全供电中断可能发生在等级的另一端，等级为 S1、S2 和 S3，最严重，供电中断 20 毫秒，且不允许性能下降。这些中断被认为是由电源瞬时短路引起的，因此任何电源转换器都必须具有保护措施以避免反向输入电流。设备还可能需要在“电源转换”条件下不间断地继续运行，例如，当电源暂时开路时，在冗余电源之间。在这种情况下，定义了两个类别：C1，从标称电压的 60% 中断 100ms，没有任何影响；C2，从标称电压中断 30ms，允许一定程度的性能下降。

标准还适用于 EN 50121-3、-4 和 -5 中确定的辐射和传导射频发射。

不同级别的抗扰度和允许的设备对浪涌、瞬变、骤降和中断的响应是终端设备功能所特有的。例如，与安全关键标牌相比，它们对于信息娱乐系统来说是不同的。

机械环境同样严峻

机车车辆具有各种可能安装电气设备的环境。这些位置分为 1 级（最良性的位置，通常在乘客舱内）到 7 级（可能是轴装式的，通常会遭受高水平的冲击、振动、水以及污垢、制动灰尘、燃料和液体的污染） 。

幸运的是，大多数需要 DC-DC 电源转换器的辅助电子设备安装在室内，主要是 1-3 级防风雨位置。根据 EN 50124-1，这些污染等级为 2 和 3 级；根据 EN 61373，振动和冲击为 1B 类。此外，设备的工作环境空气温度等级（来自 OT1）为 -25°C -40°C 至 +85°C 时至 +55°C 至 OT6。例如，在穿过隧道时，温度也可能会发生快速变化，最糟糕的情况预计为每秒 +/-3°C。
当然，除了满足严格的电气和环境规范外，铁路应用中的电源转换器还应可靠且使用寿命长，以确保最低的生命周期成本和最短的停机时间。保证十年以上的连续供应也至关重要。

铁路应用的变流器选择

考虑到典型的铁路规格，“标准”商业零件很少是一个好的解决方案。尽管 COTS 或“商业现货”产品可能满足选定的性能参数，但它们通常没有长期支持保证，并且各种铁路应用需要多个零件。许多可用产品的隔离等级也有限——也许只是功能性的，而通常需要更高等级的隔离等级，无论是基本的还是增强的。 COT 部件通常还需要大量支持电路来满足 EMC 和电源变化规范，从而占用空间并增加组件和装配成本。

难以满足涉及功率级别的应用规模的 DC-DC 转换器的通用规范；随着功率增加，EMC 滤波器变得更大、更复杂，在电压骤降和中断期间保持的电容器也更大，并且在较高功率下实现宽输入范围更加困难，转换器必须在低输入电压下承受高电流应力。同时，组件必须额定为最高输入电压，从而迫使在成本和效率方面做出妥协。结果是，具有理想的宽输入范围、EMC 和环境性能的 DC-DC 转换器只能在非常低的功率下使用，或者在较高功率水平下体积庞大且效率低下。

优化的轨道 DC-DC 转换器即将上市

最近推出的产品 [3] 采用创新而优雅的转换拓扑，提高了板载 DC-DC 转换器的额定功率，同时保持非常紧凑的格式并满足高效率的主要导轨规格。例如，80W，封装尺寸仅为 50 x 44 x 12.9mm，（图2），具有 12VDC 至 160VDC/176VDC 峰值超宽输入范围（36VDC 输入以下额定功率 60W），并具有增强隔离功能。从图 1 中可以看出，该输入范围涵盖了从 24VDC 到 110VDC 标称值的所有正常输入静态容差，以及 EN 50155 和 RIA12 中分别定义到 154VDC 和 165VDC 的一秒瞬变。还涵盖 NF-F 01-510 标准中定义的 100ms 瞬变至 176VDC。在低端，所有标准中最小 12VDC 的 100 毫秒掉电也在转换器范围内。该特殊产品的额定外壳温度为 -40°C 至 +105°C，适合任何铁路应用，并且经过封装，可承受恶劣的环境条件。引用的 MTBF 和使用寿命非常高（根据 Mil HDBK 217F GB，通常高于 1000 khrs，其中对于相同标准条件，通常的数字通常为 300 到 500 khrs），因由磁反馈驱动，避免了光耦合器及其长期退化问题。

图 2：具有 12VDC – 160VDC 连续输入范围的轨优化 80W DC-DC 转换器

预处理模块可处理更高的浪涌并增加其他优势

在铁路应用中，并不总是需要符合 RIA12 规定的 3.5 倍标称高能量浪涌，因此最好通过可选的“预调节”级 [4] 来处理，该级通常会将电压调节至 160VDC 以下。该级由同一供应商作为模块提供，与其 80W、40W 和 20W 的 DC-DC 相匹配，具有内置反极性/电流保护，并具有滤波功能，可抵抗电源快速瞬变和 DC 产生的传导发射-直流转换器。该模块还具有新颖的布置，其中小型升压转换器保持无论输入直流轨是什么，低至 12VDC，电容器都处于恒定高电压。如果发生电源中断，电容器将切换到下游 DC-DC 转换器输入以提供保持。由于能量以高电压存储，并且电容器可以在 DC-DC 转换器下降之前放电至 12VDC，因此只需相对较小的外部连接电容器即可满足 EN 50155 S3 级 20ms 中断规范。该模块尺寸为 48.5 x 40.7 x 12.7mm。它包括使能输入、故障标志、软启动、过温关断以及针对过应力的浪涌限制电路保护。轮廓如图所示图3。

图 3：概述预调节电路以满足作为模块提供的导轨规格

安全的解决方案

使用模块化方法进行轨道 DC-DC 转换并配有可选的预处理单元，是一种高性能、紧凑、多功能且安全的解决方案，可满足当前标准，单个部件涵盖多个输入范围应用，从而降低采购和库存成本。当从在高可靠性电源转换产品方面拥有多年经验并致力于供应连续性的制造商处采购时，系统设计人员可以确保他们拥有总拥有成本较低的产品。