专用 DC/DC 转换器应对铁路供电的独特挑战

来源：DigiKey
作者：Bill Schweber

现代铁路系统中的车载电子设备越来越多，例如乘客互联网接入点、卫星链路、对讲机和公共广播 (PA) 系统、导航子系统、应急无线电设备、告示牌、LED 照明系统、信息系统、座椅充电插座和其他配件。另外还有电池充电子系统，因为在瞬时断电或长时间断电时，很多功能还需要供电。所有这些功能都有独特的电压要求，因而需要部署很多 DC/DC 转换器，用于将较高直流电压转换成多个低电压。

然而，设计人员在指定用于铁路的 DC/DC 转换器时，必须确保这些转换器能够耐受恶劣的电气、机械和热应力条件，并在狭小空间内可靠运行。这些转换器还必须满足一系列的严格行业和法规要求，而且易于部署，从而节省时间。

本文简要探讨了铁路应用对 DC/DC 电源转换器的要求。然后介绍了 TRACO Power 的 DC/DC 转换器，并展示了如何应用这些转换器来满足各种要求。

铁路配电

电力机车或有轨电车的典型配电路径有很多较低的电压，它们来自初级直流架空接触网电源。与任何关键应用一样，铁路也有强制执行的行业标准，从多个角度定义了性能要求。

铁路电子设备的主要法定规范是 EN 50155 铁路应用 - 机车车辆上使用的电子设备。该标准定义了环境和服务条件、可靠性预期、安全性、设计和施工方法。另外还包括文档和测试。

其他重要规范包括：

· EN 61373，铁路应用 - 机车车辆设备冲击和振动试验
· EN 61000-4，电磁兼容性 (EMC)
· EN 45545-2，欧洲铁路消防安全标准
· 英国铁路工业协会标准 RIA 12，拖动及运载设备的直流控制系统中瞬态浪涌保护的通用规范

即便自己动手 (DIY) 的电源转换器设计在仿真中和作为试验样机能够达到预期效果，满足这些法规要求仍然是一个重大的设计挑战。幸运的是，我们没有必要自己动手设计转换器。符合铁路要求的现成专用标准 DC/DC 转换器已经面世。

例如，TEP 150UIR/TEP 200UIR 系列是两个类似的半砖贴装型转换器系列，额定功率分别为 150 W 和 200 W。它们提供增强的 3,000 VAC 输入/输出 (I/O) 隔离，以及内置的短路、过压和过温保护功能。

这两个系列的所有成员均具有相同的连接配置，且封装尺寸均为 60 mm × 60 mm × 13 mm（图 1）。它们的效率约为 90%。


图 1：TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列的所有成员具有相同的外壳尺寸和外形。（图片来源：TRACO Power）

TEP 150UIR 系列具有极宽的输入电压范围，从 14 到 160 VDC，并提供五种输出配对，从 5 V/30 A 到 48 V/3.2 A（图 2）。


图 2：TEP 150UIR 系列的额定电压/电流范围为 5 V/30 A 至 48 V/3.2 A（图片来源：TRACO Power）

该系列中电压最低/电流最大的是 TEP 150-7211UIR，在 5 V 电压下可提供高达 30 A 的电流。

TEP 200UIR 系列的输入和输出电压范围相同，但电流更大，额定电压/电流范围为 5 V/40 A 至 48 V/4.2 A（图 3）。


图 3：TEP 200UIR 系列的功率提高了 33%，输出电压值相同，但输出电流更大。（图片来源：TRACO Power）

该系列中电压最高/电流最小的产品是 TEP 200-7218UIR，在 48 V 电压下可提供最高 4.2 A 的电流，而 150 W 的同类产品在该电压下的电流为 3.2 A。

通过保持相同的尺寸和基底面，用户可以轻松升级电路，以满足不同的需求或使用不同的电路板，同时最大程度地减少布线和布局问题。它们还可以减少独特型号的库存量，从而简化库存。

三大重要特性

TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 设备具有三个突出特点：宽输入电压范围、延长的保持时间和主动涌流限制。

1) 宽输入电压范围：典型的工业级电子设备可能满足一般的电压/电流要求，但用于此应用的 DC/DC 电源转换器必须能够耐受更宽范围的输入电压变化和一系列可能的标称值（图 4）。


图 4：不同轨道应用的直流输入范围跨度非常大，特别是在分析中考虑了与标称值的允许偏差时。（图片来源：TRACO Power）

其中包括输入电压在每个标称值周围的允许变化：

· 连续范围 = 0.7 至 1.25，× VNOM
· 欠压 = 0.6 × VNOM，持续 100 ms
· 浪涌 = 1.4 × VNOM，持续 1 秒

要设计一个可以故障穿越 100 ms 断电的电源转换器非常困难，而持续一秒钟的浪涌会产生太多能量，无法钳位。因此，转换器必须在图 4 所示的整个范围内工作，同时留出一些安全余量。实际上，这意味着输入范围超过 2.33:1。

标称电压可能是 24 VDC 至 110 VDC 的任何值，这使得问题变得更为复杂。很多 DC/DC 转换器制造商提供更宽的 4:1 输入范围转换器（通常为 43 至 160 V），以涵盖大多数应用，从而满足这些需求，但单个转换器通常无法满足所有需求。

为了解决这个问题，TRACO 设备支持 14 至 160 VDC 的超宽 12:1 输入。由于输入范围宽，系统应用工程师能够使用单个电源，提供一系列的标称系统电压。

2) 延长的保持时间：该直流线路需要承受 ±2 kV 的快速瞬态电压，上升时间为 5 ns，下降时间为 50 ns，重复频率为 5 kHz。此外，还有 ±2 kV 的线对地浪涌和 ±1 kV 的线对线浪涌，上升时间为 1.2 μs，下降时间为 50 μs，来自指定的交流耦合源阻抗。

有些要求超出了 EN 50155 标准，要求抗浪涌能力达到 1.5 x VNOM（持续 1 秒）和 3.5 x VNOM（持续20 ms），浪涌源阻抗极低，仅为 0.2 Ω。对于 110 VDC（标称值）的系统来说，这相当于 385 VDC 的峰值，超出了转换器的正常范围，尤其是当转换器需要在 66 VDC 的最小欠压电压下工作时。

这种低阻抗源产生很大能量，意味着瞬态电压抑制器 (TVS) 无法钳位电压。根据功率水平，需要在电源输入端使用预调节器，或者使用在浪涌期间关闭输入端的电路。DC/DC 转换器必须具备保持功能，以便在此期间维持输出。

为了解决这个问题，TRACO 设备提供了一个重要功能，即总线引脚输出。该输出提供一个固定电压，为电容器充电，使电容器能够提供更长的保持时间所需的能量（图 5）。与在传统前端电容器保持方案中使用的电容器相比，这些电容器体积更小，成本更低。


图 5：这是建议与母线电容器 CBUS 一起使用的输入电路，可以简化长保持时间的实现。（图片来源：TRACO Power）

请注意，无需为输入电路添加串联二极管，因为这些转换器带有集成二极管，可以避免短路并让电容器的能量持续流入电源。

当电源电压中断时，输入电压将降至母线电压，然后电容器开始放电，为电源模块提供能量。由于功率密度相对较高，TEP 150UIR 系列和 TEP 200UIR 系列可在最高 80 V 的输入电压下提供固定的母线电压。在更高的输入电压下，母线电压随实际输入电压线性增长（图 6）。


图 6：在最高 80 V 的输入电压下，这些转换器提供固定的母线电压；在更高的输入电压下，母线电压随实际输入电压线性增长。（图片来源：TRACO Power）

3) 主动涌流限制：这解决了电源转换器的一个常见问题：当输入电压开始升高时，输入端的保持电容器会导致高涌流。这可能会烧断保险丝或让电路跳闸，并导致连接设备出现错误和故障。

为避免这种情况，TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列的脉冲引脚提供 12 V、1 kHz 的方波信号，可在涌流限制电路上使用（图 7）。


图 7：TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列提供了一种简单的方法，利用脉冲引脚和方波信号来限制启动时的涌流。（图片来源：TRACO Power）

通过将主动涌流限制电路连接到脉冲引脚，可以有效地限制涌流（图 8）。不限制时，涌流大约为 120 A（左图），有限制时，涌流降至大约 24.5 A（右）。


图 8：利用脉冲引脚来驱动转换器的主动涌流限制电路，将涌流减小至五分之一。在显示的示例中，Vin 为 72 V。左图的水平刻度为 50 V/格，右图为 10 V/格，传感器比例系数为 1 V = 1 A。（图片来源：TRACO Power）

总结

用于低电压铁路应用的 DC/DC 转换器不仅要提供可靠稳定的电源性能，还必须具备更多特性。这些器件必须结构紧凑、易于管理和部署、适应各种不同的应用、能够在恶劣环境下工作，并能满足很多具有挑战性的电气、热力、机械监管标准和强制要求。如上所述，TRACO Power 的TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列满足所有这些要求，特性包括：14 至 160 VDC 的 12:1 宽输入电压范围、保持引脚可为电容器充电以在电压降低时提供能量、耐受浪涌的能力、多种输出电压/电流配对，所有这些产品均采用单一外形尺寸。