寻找适用于轨交的“即插即用型”一体化盒式DC/DC 电源_RECOM_工业电源

寻找适用于轨交的“即插即用型”一体化盒式DC/DC 电源

2023/11/27 12:15:10

轨交应用对电源转换器提出了严苛的要求。虽然商业产品可能能够满足所需达到的部分规范，但通常需要配备大量的外部电路才能全面符合 EN 50155 等面向轨交行业的标准。本文讨论了真正的“即插即用型”产品所需满足的规范。

在电子设备的所有应用环境中，轨交行业的应用环境可能最为严苛。但在该行业的所有领域，从铁路到物料搬运设备，从电动汽车到电动滑板车等等，都呈现出不断增长的趋势。特别是在铁路车辆应用中，为提高安全性和效率，自动化的应用越来越广泛，同时还需实现数据连接和智能标识等便利功能。所有这些都必须在典型的铁路环境中可靠运行，需要耐受这种环境中的高污染、高冲击和高振动，并且往往通过标称电压为 110 VDC 的传统直流电源轨供电，而在全球某些国家或地区输入电压可能低至 24 VDC。通常情况下，适用的标准为 EN 50155，该标准的现行版本为 2021 年 7 月版，其中不仅规定了电气和物理环境要求，还规定了技术构造特性、可靠性、维护、使用寿命、文档和测试相关要求。

铁路应用供电电压存在各种变化

对于将直流电源转换为供敏感电子设备使用的清洁电源轨的电源模块，除了满足环境、隔离和 EMC 规范外，还必须能够应对输入电压的各种变化，以及输入电压的浪涌、骤降和中断。图 1 显示了 EN 50155 中规定的不影响性能的电压变化。

图 1：EN 50155 标准规定的不影响性能的标称直流电源轨电压的变化

如图 1 所示，电源电压可以降为零并持续一段时间，这种供电中断根据中断时间将分为 S1、S2 和 S3 三个类别（图 2）。默认情况下，应达到 S2 类别；如图所示，如中断时间不超过 10 毫秒，则能达到性能标准 A；超过 10 毫秒，则能达到标准 C。性能标准 A 表示不会产生任何影响；性能标准 B 表示在测试期间性能降低，但之后恢复正常；性能标准 C 表示允许功能丧失，但设备必须能够以自动或手动方式复位。供电中断的影响在标称供电电压下进行测试。

图 2：EN 50155 规定的供电中断类别

在铁路应用中，设备安装在各种位置，从温度相对适宜的乘客车厢到温度较高的设备柜中都能见到。为反映不同的温度条件，EN 50155 规定了设备工作温度类别 OT1 到 OT6（图 3），如无特殊规定，默认类别为 OT3。类别 OT5 和 OT6 仅适用于特殊条件。

图 3：EN 50155 定义的工作温度类别

该标准还考虑到，在自然冷却或强制冷却发挥作用之前，设备可能需要在高于“正常”温度的条件下启动。这些条件在该标准中以“启动”温度的三个类别 ST0、ST1 和 ST2（图 4）予以规定，其中 ST1 是默认类别，并且 ST1 和 ST2 不适用于 OT5 和 OT6。标准第 13.4.5 条规定了各个类别的温度变化时间和速度，分别对应于干热条件下的热循环测试 A、B 和 C。

图 4：EN 50155 定义的“启动”温度类别

寻找适用于轨交的“即插即用型”DC/DC 转换器

毫无疑问，找到一款既能满足这些规范，又能在铁路应用中“即插即用”的 DC/DC 转换器并非易事。虽然通用 DC/DC 转换器具有较宽的输入范围，可能覆盖各种“标称”铁路输入电压，但实际上，要完全满足 EN 50155 标准要求，可能需要额外采用大量外部电路。例如，需要具有输入反极性保护和浪涌电流限制功能，并且需要通过外部电容器达到至少 10 毫秒的保持时间，才能满足供电中断规范。典型的“标准”DC/DC转换器在内部几乎不具备在保持时间内储能的功能，因此需在外部实现，此时所需电容器的额定电压必须为最高输入电压，并且电容值应能在最低标称输入电压下以额定输出功率达到必要的保持时间。这可能需要使用较大的元件，对安装造成不便，并且可能会产生较大的无法控制的浪涌电流。此外，大多数 DC/DC 转换器的额定隔离电压也有限，只能实现“功能型隔离”，或最多实现“基础型隔离”，但在铁路应用中，系统设计师通常会要求达到隔离电压为 3 kVAC 的“增强型”隔离。

如果能找到一款满足电气规范的通用开放式框架 DC/DC 转换器，它可能能够以紧凑的尺寸提供高输出功率，但可能需要采用强制风冷来实现这一点。在轨交应用中，考虑到维护、噪音和使用寿命等问题，并不适合采用风扇，因此更倾向于使用对流冷却，并配备基板以利用任何可用的“冷壁”。在实际应用中，基板冷却型全砖 DC/DC 转换器会将所有热量传递到冷壁，但是随后需要使用前文提到的大量外部电路和互连。

解决方案

为解决前述问题，可采用经过专门设计、能够满足 EN 50155 标准要求的 DC/DC 转换器，该产品应具有宽泛的输入范围，可以覆盖各种标称电压，并能够应对输入电压浪涌、骤降和 10 ms 的供电中断。RECOM 的“即插即用型”RMD 系列（图 5）就是一款理想的解决方案。该系列可提供 150 W、300 W 和 500 W 的额定功率，并为开放式框架基板冷却型产品，可无风扇运行，工作温度范围为 -40°C 到 +85°C，可达到 OT4 和 ST2 类别。连接通过螺钉端子完成，安装方便。150 W 和 300 W 型号的标称输入电压范围为 16.8 VDC 到 137.5 VDC（从 14.4 VDC 到 154 VDC，持续时间分别为 100 ms 和 1 s）。12:1 输入范围覆盖了在 110 VDC 标称输入电压下 1.4 x Vnom 的极端电压和 24 VDC 输入下 0.6 x Vnom 的极端电压，而 500 W 型号在 72 VDC 和 110 VDC 标称输入电压下的工作电压范围为 50.4 VDC 到 137.5 VDC（170 VDC/3 s）。所有型号均有单一的 24 VDC 输出，并具有 O 形环二极管用于实现冗余并行操作，同时包括输入反极性保护、10 ms 保持时间、远程控制以及浪涌电流限制功能。此外，这些产品还符合 EN 50121 轨交应用电磁兼容性规范。