軌交應(yīng)用對(duì)電源轉(zhuǎn)換器提出了嚴(yán)苛的要求。雖然商業(yè)產(chǎn)品可能能夠滿足所需達(dá)到的部分規(guī)范，但通常需要配備大量的外部電路才能全面符合 EN 50155 等面向軌交行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。本文討論了真正的“即插即用型”產(chǎn)品所需滿足的規(guī)范。

在電子設(shè)備的所有應(yīng)用環(huán)境中，軌交行業(yè)的應(yīng)用環(huán)境可能最為嚴(yán)苛。但在該行業(yè)的所有領(lǐng)域，從鐵路到物料搬運(yùn)設(shè)備，從電動(dòng)汽車到電動(dòng)滑板車等等，都呈現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。特別是在鐵路車輛應(yīng)用中，為提高安全性和效率，自動(dòng)化的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，同時(shí)還需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接和智能標(biāo)識(shí)等便利功能。所有這些都必須在典型的鐵路環(huán)境中可靠運(yùn)行，需要耐受這種環(huán)境中的高污染、高沖擊和高振動(dòng)，并且往往通過(guò)標(biāo)稱電壓為 110 VDC 的傳統(tǒng)直流電源軌供電，而在全球某些國(guó)家或地區(qū)輸入電壓可能低至 24 VDC。通常情況下，適用的標(biāo)準(zhǔn)為 EN 50155，該標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)行版本為 2021 年 7 月版，其中不僅規(guī)定了電氣和物理環(huán)境要求，還規(guī)定了技術(shù)構(gòu)造特性、可靠性、維護(hù)、使用壽命、文檔和測(cè)試相關(guān)要求。

鐵路應(yīng)用供電電壓存在各種變化

對(duì)于將直流電源轉(zhuǎn)換為供敏感電子設(shè)備使用的清潔電源軌的電源模塊，除了滿足環(huán)境、隔離和 EMC 規(guī)范外，還必須能夠應(yīng)對(duì)輸入電壓的各種變化，以及輸入電壓的浪涌、驟降和中斷。圖 1 顯示了 EN 50155 中規(guī)定的不影響性能的電壓變化。 

圖 1：EN 50155 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不影響性能的標(biāo)稱直流電源軌電壓的變化 

如圖 1 所示，電源電壓可以降為零并持續(xù)一段時(shí)間，這種供電中斷根據(jù)中斷時(shí)間將分為 S1、S2 和 S3 三個(gè)類別（圖 2）。默認(rèn)情況下，應(yīng)達(dá)到 S2 類別；如圖所示，如中斷時(shí)間不超過(guò) 10 毫秒，則能達(dá)到性能標(biāo)準(zhǔn) A；超過(guò) 10 毫秒，則能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn) C。性能標(biāo)準(zhǔn) A 表示不會(huì)產(chǎn)生任何影響；性能標(biāo)準(zhǔn) B 表示在測(cè)試期間性能降低，但之后恢復(fù)正常；性能標(biāo)準(zhǔn) C 表示允許功能喪失，但設(shè)備必須能夠以自動(dòng)或手動(dòng)方式復(fù)位。供電中斷的影響在標(biāo)稱供電電壓下進(jìn)行測(cè)試。

圖 2：EN 50155 規(guī)定的供電中斷類別

在鐵路應(yīng)用中，設(shè)備安裝在各種位置，從溫度相對(duì)適宜的乘客車廂到溫度較高的設(shè)備柜中都能見(jiàn)到。為反映不同的溫度條件，EN 50155 規(guī)定了設(shè)備工作溫度類別 OT1 到 OT6（圖 3），如無(wú)特殊規(guī)定，默認(rèn)類別為 OT3。類別 OT5 和 OT6 僅適用于特殊條件。

圖 3：EN 50155 定義的工作溫度類別

該標(biāo)準(zhǔn)還考慮到，在自然冷卻或強(qiáng)制冷卻發(fā)揮作用之前，設(shè)備可能需要在高于“正常”溫度的條件下啟動(dòng)。這些條件在該標(biāo)準(zhǔn)中以“啟動(dòng)”溫度的三個(gè)類別 ST0、ST1 和 ST2（圖 4）予以規(guī)定，其中 ST1 是默認(rèn)類別，并且 ST1 和 ST2 不適用于 OT5 和 OT6。標(biāo)準(zhǔn)第 13.4.5 條規(guī)定了各個(gè)類別的溫度變化時(shí)間和速度，分別對(duì)應(yīng)于干熱條件下的熱循環(huán)測(cè)試 A、B 和 C。 

圖 4：EN 50155 定義的“啟動(dòng)”溫度類別

尋找適用于軌交的“即插即用型”DC/DC 轉(zhuǎn)換器

毫無(wú)疑問(wèn)，找到一款既能滿足這些規(guī)范，又能在鐵路應(yīng)用中“即插即用”的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器并非易事。雖然通用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器具有較寬的輸入范圍，可能覆蓋各種“標(biāo)稱”鐵路輸入電壓，但實(shí)際上，要完全滿足 EN 50155 標(biāo)準(zhǔn)要求，可能需要額外采用大量外部電路。例如，需要具有輸入反極性保護(hù)和浪涌電流限制功能，并且需要通過(guò)外部電容器達(dá)到至少 10 毫秒的保持時(shí)間，才能滿足供電中斷規(guī)范。典型的“標(biāo)準(zhǔn)”DC/DC轉(zhuǎn)換器在內(nèi)部幾乎不具備在保持時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)能的功能，因此需在外部實(shí)現(xiàn)，此時(shí)所需電容器的額定電壓必須為最高輸入電壓，并且電容值應(yīng)能在最低標(biāo)稱輸入電壓下以額定輸出功率達(dá)到必要的保持時(shí)間。這可能需要使用較大的元件，對(duì)安裝造成不便，并且可能會(huì)產(chǎn)生較大的無(wú)法控制的浪涌電流。此外，大多數(shù) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的額定隔離電壓也有限，只能實(shí)現(xiàn)“功能型隔離”，或最多實(shí)現(xiàn)“基礎(chǔ)型隔離”，但在鐵路應(yīng)用中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師通常會(huì)要求達(dá)到隔離電壓為 3 kVAC 的“增強(qiáng)型”隔離。

如果能找到一款滿足電氣規(guī)范的通用開放式框架 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，它可能能夠以緊湊的尺寸提供高輸出功率，但可能需要采用強(qiáng)制風(fēng)冷來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。在軌交應(yīng)用中，考慮到維護(hù)、噪音和使用壽命等問(wèn)題，并不適合采用風(fēng)扇，因此更傾向于使用對(duì)流冷卻，并配備基板以利用任何可用的“冷壁”。在實(shí)際應(yīng)用中，基板冷卻型全磚 DC/DC 轉(zhuǎn)換器會(huì)將所有熱量傳遞到冷壁，但是隨后需要使用前文提到的大量外部電路和互連。

解決方案

為解決前述問(wèn)題，可采用經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)、能夠滿足 EN 50155 標(biāo)準(zhǔn)要求的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，該產(chǎn)品應(yīng)具有寬泛的輸入范圍，可以覆蓋各種標(biāo)稱電壓，并能夠應(yīng)對(duì)輸入電壓浪涌、驟降和 10 ms 的供電中斷。RECOM 的“即插即用型”RMD 系列（圖 5）就是一款理想的解決方案。該系列可提供 150 W、300 W 和 500 W 的額定功率，并為開放式框架基板冷卻型產(chǎn)品，可無(wú)風(fēng)扇運(yùn)行，工作溫度范圍為 -40°C 到 +85°C，可達(dá)到 OT4 和 ST2 類別。連接通過(guò)螺釘端子完成，安裝方便。150 W 和 300 W 型號(hào)的標(biāo)稱輸入電壓范圍為 16.8 VDC 到 137.5 VDC（從 14.4 VDC 到 154 VDC，持續(xù)時(shí)間分別為 100 ms 和 1 s）。12:1 輸入范圍覆蓋了在 110 VDC 標(biāo)稱輸入電壓下 1.4 x Vnom 的極端電壓和 24 VDC 輸入下 0.6 x Vnom 的極端電壓，而 500 W 型號(hào)在 72 VDC 和 110 VDC 標(biāo)稱輸入電壓下的工作電壓范圍為 50.4 VDC 到 137.5 VDC（170 VDC/3 s）。所有型號(hào)均有單一的 24 VDC 輸出，并具有 O 形環(huán)二極管用于實(shí)現(xiàn)冗余并行操作，同時(shí)包括輸入反極性保護(hù)、10 ms 保持時(shí)間、遠(yuǎn)程控制以及浪涌電流限制功能。此外，這些產(chǎn)品還符合 EN 50121 軌交應(yīng)用電磁兼容性規(guī)范。

圖 5：適用于軌交的 RECOM RMD 系列“即插即用型”一體化盒式DC/DC 電源