超宽输入范围铁路电源解决方案之分析与比较

2023年01月20日 12:43
来源:Digi-Key
作者:Mornsun

全球主流铁路系统均采用多电压设备供电,这使得电源模块无法通过归一化来实现保持时间保护,增加了客户应用系统的设计难度和管理成本。针对这个问题,MORNSUN 发明了一种主动保持时间保护电路,以兼容超宽电压输入范围和电容归一化。本文通过分析市场上几种常见的铁路电源解决方案的利与弊,对超宽输入范围的铁路电源解决方案进行了比较和总结。

电路设计的难点

在全球主流的铁路控制系统中,像德国、美国、法国、印度等大多数国家的电源电压都要求内部控制系统,以容纳 24V、28V、36V、48V、72V、96V、110V 电压。因此,一个电源无法归一化到多个系统,这增加了客户系统设计的难度和管理成本。

根据 EN50155 标准,直流电源模块必须在输入电压的波动范围内稳定地给后端设备供电。即使出现最大电压波动,电源模块也应正常输出,保护后端设备的稳定。N50155 标准要求电源设备在 0.7 倍到 1.25 倍的电压波动范围内稳定工作,即 16.8 V~137.5 V,如果波动范围到 0.6 倍和 1.4 倍,那么工作时间分别只要求为 100 ms 和 1 s。为了满足全球铁路系统的供电要求和认证要求,超宽输入电压范围电源模块的输入范围最好设计成 14 V~160 V。


图 1:铁路电源电压范围设计要求。(图片来源:MORNSUN Power)

同时,铁路系统有很高的可靠性要求,要求后端设备能够存储保持时间状态数据,并在电源切断后有序地切换到备用电源。因此,需要在电源模块的前端设置一个储能电容器,以维持 10ms 的保持时间保护时间。


图 2:超宽电压铁路电源设计难点。(图片来源:MORNSUN Power)

传统解决方案:在输入端并联电解电容器

在传统的解决方案中,保持时间保护一般是通过在输入端并联一个电解电容器来实现的(图 3)。


图 3:在输入端并联电解电容器是保护保持时间的传统解决方案。(图片来源:MORNSUN Power)

按照电容器储能公式:W=1/2*C*U2 和放电时间公式:t=RC*Ln*U/Ut,输入电压值 (U) 越高,储存的能量 (W) 越多,当电容值 (C) 相同时,保持时间保护时间 (t) 越长。相反,输入电压值 (U) 越低,在相同条件下储存的能量 (W) 就越小,保持时间保护时间则越短。这种现象会因电压变化之间的平方差关系而加剧。

由于电源的输入电压范围很宽,而外部储能电容器是根据最大输入电压来选择的,所以电容的电容值就必须很大,这样才能与低压系统的应用相适应。在图 4 中,对于最大输入电压达 160 V、功率为 100 W 的情形,储能电容器的电容值约为 190μF,可实现 10ms 的保持时间保护时间。然而,如果与 24 V 系统兼容,电容将达到 8000 μF,外部储能电容器的物理尺寸将更大(约为四分之一砖电源模块的 3.8 倍)。


图 4:显示输出电压所需外部储能电容的图形和图表。(图片来源:MORNSUN Power)

铁路行业常见的解决方案是根据客户不同的应用系统推荐不同耐压的外部储能电容器,以解决上述问题。但这将导致客户的系统无法归一化,从而违背超宽输入范围电源模块的设计初衷,增加了客户系统设计难度、材料管理成本和认证成本。


图 5:传统系统利弊。(图片来源:MORNSUN Power)

主流解决方案①:两段式拓扑结构

传统的解决方案正逐渐被放弃。现在,市场上的主流解决方案是两级拓扑结构。前级拓扑结构采用升压电路,后级是常见的拓扑结构,如反激、半桥或全桥电路。外部储能电容器放置在两级拓扑结构(即升压电路的输出端)之间(图 6)。


图 6:主流两级拓扑结构方案。(图片来源:MORNSUN Power)

当出现低输入电压时,它将被升压电路提升到设定的高电压值,以便为外部储能电容器充电。当出现高输入电压时,它将穿过升压电路并直接对外部储能电容器充电。因此,在这个方案中,可以选择耐压大、电容小的电解储能电容器。这可以持续给后级供电,以实现输入电压被切断时所需的保持时间保护时间。


图 7:带有小型外围电路的两级拓扑结构电路图。(图片来源:MORNSUN Power)

由于电路中使用了两级串联结构,因此效率太低,无法适用于高功率密度的产品。作为升压电路的容性负载,外部储能电容器不能直接加到输出端。它必须增加一个小的外围电路和一个大的电容器,以防止启动不良(图 7)。

这个解决方案有两个缺陷:

与单级充电方案相比,采用两级串联的电路拓扑结构的复杂性大为增加,大大提高了成本,同时在一定程度上还降低了用户系统的可靠性。
与单级充电方案相比,采用两级串联的充电方案的整体效率会降低,会带来大功率电源和系统的温度升高,从而降低了电源和系统的寿命。


图 8:两级拓扑方案的利与弊。(图片来源:MORNSUN Power)

主流解决方案②:单级拓扑结构 + 无源降压

近年来,出现了单级拓扑结构 + 无源降压的解决方案。与两级拓扑结构相比,这提高了效率和可靠性。


图 9:单级 + 无源降压主流方案。(图片来源:MORNSUN Power)

以市场上主流的降压充电方案为例,当提供输入电压 (>24 V) 且电路正常开启时,降压电压会将输入电压钳制在 22 V 的设定低电压值,同时充电电路会同步给外部电容充电。当输入电压降低到 22V 以下时,外部电容器将通过二极管切换进来,向后端提供储存的电力,从而保持 10ms 的保持时间保护时间。所以当输入电压高于 22V 时,通常会执行保持时间保护功能。此时,系统只需要一个耐压为 35 V 的 8000 μF 电解电容器。

然而,当输入电压低于 22 V 时,外部电容器的电压与输入电压相同,其储能将不足以维持10ms 的保持时间保护功能。当客户系统需要欠压保护功能时,如 48 V 的系统,欠压保护设定为 27 V,储能电容器的充电电压为 22 V,当输入端断电时,储能电容器需要低于 22 V 才开始放电,但 22 V 不足以开启电源的欠压点,那时系统就会关闭,这意味着保持时间保护功能失效。


图 10:不同电压下的保持时间保护。(图片来源:MORNSUN Power)


图 11:单级拓扑结构 + 无源降压解决方案的利与弊。(图片来源:MORNSUN Power)

新技术升级:主动保持时间保护电路

MORNSUN 发明了一种主动保持时间保护电路,使得电源模块不仅具有超宽电压范围,而且实现了归一化的电源,其特点是体积小,固定外围电路简单,适用于各种铁路系统。

该电路内置了一个能量预存模块和一个输入保持时间自动切换模块。通过精确的设计和计算,能量预存模块可以最大限度地减少电容器的体积,并使能量存储最大化。保持时间自动切换模块可以实时检测输入电压的状态。一旦输入电压被切断,外部电容器将主动给输入端主电源供电,使产品继续工作 10 ms,以便后端设备存储保持时间状态数据并切换到备用电源,从而实现自动平稳的切换。


图 12:主动保持时间保护电路。(图片来源:MORNSUN Power)

同时,主动保持时间保护电路具有可编程的欠压保护功能。当客户调整欠压点以适用于不同的电源系统时,该解决方案可以确保在全输入电压范围内实现 10ms 的保持时间保护。


图 13:输入欠压保护示意图。(图片来源:MORNSUN Power)

这项技术已经成功地应用于 Mornsun 的铁路电源,即 UWTH1DxxQB-100WR3 系列。该系列具有 14 - 160 VDC 的超宽输入电压范围,满足全球主流铁路系统的输入电压要求;通过一个简单、固定的外围电路和一个 470 μF 的电解电容器,实现了 10 ms 的保持时间保护功能。输入欠压保护可以通过改变外部电阻来调节,具有高达 5000 米的工作海拔,以及高达 4000 VAC 的隔离电压。


图 14:UWTH1DxxQB-100WR3 系列具有 14 至 160 VDC 的超宽输入电压范围。(图片来源:MORNSUN Power)


图 15:MORNSUN 超宽输入电压铁路电源的优点。(图片来源:MORNSUN Power)

结语

铁路电源解决方案并非只针对一种电压,那么设计者该如何选择和设计一个合适的解决方案呢?如果工程师们对系统规格和认证的要求较低,那么就可以选择传统的解决方案。此外,如果他们对能效指标或保持时间保护功能的要求较低,也可以选择传统的拓扑结构解决方案。另一个选择是,如果他们想要一个适合各种工作条件的高集成度解决方案,那么就应选择更令人放心的主动保持时间保护电路解决方案。

随着行业需求和技术要求的增加,产品更新的速度越来越快。在满足功能的前提下,MORNSUN 不断努力,追求高效率和高可靠性。其超宽输入电压范围铁路电源可以帮助客户降低系统成本和规格要求,延长使用寿命,降低系统设计难度,减少认证时间,最终实现物料的归一化和管理成本的降低。