用于机车车辆的电源转换器加固

为机车车辆应用指定电源转换器

现代铁路车辆配备了用于通信和控制的电子设备，以及乘客越来越想要使用的蜂窝中继器和 Wi-Fi 服务，每个座位上都配备“干净的”交流电源和 USB 直流电源。由于环境和连接设备的多样性，功率转换正在变得越来越分散。在原始直流总线、火车电子设备和乘客昂贵的便携式设备之间连接的每个转换器都必须满足总线电压的电气规范，以及用于铁路应用的恶劣物理环境。

机车车辆需要专业设备电源

铁路机车车辆的电源最初都是关于牵引、照明和基本信号的，连接所有设备的板载电池最初通常为 110 VDC。直流总线上的开关设备未配备浪涌和瞬态限制器，原因是它们会随着时间的推移而退化，并且无法保证始终正常运行，因此单台设备必须能承受由此产生的全部过电压、掉电和浪涌。但是灯光偶尔会变亮或变暗并不重要。

如今的情况大不相同 - 现代铁路车辆配备了用于通信和控制的电子设备，以及乘客越来越想要使用的蜂窝中继器和 Wi-Fi 服务，每个座位上都配备“干净的”交流电源和 USB 直流电源。由于环境和连接设备的多样性，功率转换正在变得越来越分散。在原始直流总线、火车电子设备和乘客昂贵的便携式设备之间连接的每个转换器都必须满足总线电压的电气规范，以及用于铁路应用的恶劣物理环境。

指定挑战

EN 50155 是国际公认的欧洲机车车辆电气设备标准，涵盖特定铁路环境条件下的功能与性能。涵盖电气应力与 EMC、安全和机械条件（如振动、冲击、碰撞、水密性等）。电源制造商特别关注输入电压规范，它包含几个可能的标称值，包括骤降、压降、浪涌和瞬变。图 1 总结了 EN 50155 中的规范，并与其他旧铁路标准、英国 RIA-12、法国 NFF 01-510 和美国标准进行了比较。高 kV 瞬变未显示，并由 TranzorbsTM 或类似物衰减。标准商用 DC-DC 转换器的“广泛”输入范围（9V – 36V 和 18 V – 72V）作为参考，显示与铁路要求的重叠较差。例如，Bel Power Solutions 系列中的一些铁路专用商用 DC-DC 转换器也展示了涵盖所有标称值。

幸运的是，对于通信和控制设备中功率相对较低的分布式转换器，持续时间长达一秒的高能量浪涌和高电压尖峰通常在预调节阶段处理，只需应对广泛的连续工作电压。例如，110 VDC、EN 50155 标称输入范围为 77 VDC 至 137.5 VDC。如果要求符合 RIA-12 标准，浪涌 3.5 x 标称值持续 20 毫秒，最高 385 VDC，则通常需要配备有源预调节器或类似装置，原因是能量太高而无法被瞬态限制器元件轻松吸收。

EN 50155:2017 还包括在部分应用中指定的“S2 级”的 10 毫秒总供电中断规范，和“S3 级”的 20 毫秒中断规范。

如果商业电源转换器不太可能符合规范，另一种方法是符合环境测试。EN 50155 参考 EN 61373 的冲击、振动和碰撞，其要求分为三类：机身（A 级和 B 级）、转向架和轴装式，最后一项最严格。根据预期的位置，可能适用其他规范，如防水和盐雾。EMC 当然是一项额外的考虑因素，其规范适用于 ESD、浪涌和瞬态抗扰度、射频敏感性，以及 EN 50121-3-2 标准的传导和辐射发射。干热和湿热规范也适用，传统的工作温度额定值为 -40°C 至 +85°C，但可能是瞬态的。

电源转换器供应商还必须通过大量测试记录、建立文档和预测、以及硬件和任何嵌入式软件的可靠性证明来证明其合规性。所有这些都伴随着指定应用程序要求，例如可能为 30 年的“使用寿命”。

常用的电源转换器类型

根据功率水平和应用，具有各种形状因数的 DC-DC 转换器可用于机车车辆。机箱安装部件通常具有较高的功率，且经适当加固，以满足任何涂漆的开放式 PCB 冲击和振动要求。Eurocassette 型号高达约 600W，很受欢迎。这是一款使用标准 DIN 41612 H15 连接器的机架安装产品，且可提供多种功率级别和多种选项。机箱安装和盒式电源产品通常都具有 12V、24V 或 48V 的“总线”输出，并且通常有额外滤波、反极性保护和延长保持时间等选项。对于低标称输入电压，“掉电保持”或“穿越”可能极具挑战。例如，对于输入范围为 16V -36V、标称电压约为 24V 的“2 类”应用，要以 80% 的效率将 100W 电源保持 10 毫秒，需要在输入端使用一个额定 40V 的约 8,000 µF（大约 2.5 立方英寸或 40 立方厘米大小）电容器。这是相当大的尺寸和成本，且是整体可靠性和寿命计算的主要影响因素。EN50155 将中断描述为由输入短路引起的，因此还需要串联输入二极管隔离掉电保持电容，这会导致额外的功率损耗和电压降，需要扩大转换器的输入范围。其他掉电保持解决方案可能是在内部将输入提升至更高电压，以便可以使用较小的电容器存储相同的能量，但无论如何，必须控制进入电容器的浪涌电流和充电速率，并且可能将允许释放的重复率限制为 10 秒左右 1 次。

部分产品可并联转换器输出，以获得额外的功率或相关信号冗余。转换器的输入电压范围通常很广，以包含尽可能多的标称电池电压及其骤降和浪涌。

请注意：在铁路电源中通常不允许使用可触及的保险丝，因此可能需要使用外部保险丝或接触断路器。

板载产品也可用于高达 100W 左右的功率，为数字和模拟电路提供严格调节的低压输出。这些也可以直接通过直流总线供电，因此通常需要浪涌和瞬态以及环境保护。

DC-DC 转换器通常需要隔离，其电平由应用定义，但通常是“基本”或“加强”。

EN 50155 包括一个标识系统 EMC 区域 A、B 和 C 的图表，在图 2 中以缩写形式显示，并带有典型的 DC-DC 转换器定位。

实用解决方案

凭借 Melcher 品牌产品，Bel Power Solutions 是DC-DC 转换器（符合 EN 50155 标准）的主要供应商。隔离式机箱安装部件可提供功率范围为 150W 至 300W 的 RCM 系列，输入范围为 14.4 VDC – 50.4 VDC 和 43.2 VDC – 154 VDC，涵盖标称 24V、28V、36V、72V、96V 和 110 VDC，欠压 0.6 x Vnom，浪涌 1.4 x Vnom。500W 和 1000W 部件可提供 43.2 VDC – 100.8 VDC（标称 72 VDC）和 66 VDC – 154 VDC（标称 110 VDC 输入），还涵盖 0.6 x Vnom 欠压和 1.4 x Vnom 浪涌。

Eurocassette DC-DC 转换器是 Melcher 系列的主要特色产品，其M 系列隔离产品的额定功率为 50W，HR 系列为 288W。K 系列（图 3）提供广泛范围的多种输入电压选择，最低 8 VDC，最高 385 VDC。 PSK/PSS 系列非隔离盒式电源可提供高达 576W 的功率，输入电压额定值低至 18V（视型号而定）。甚至板载产品适用于其 PSA/PSR、PSB 和 IBX非隔离系列，其广泛的输入范围适用于铁路应用。

Bel Power Solutions 的所有铁路应用产品均经过加固处理，并提供多种选项，使完整系统解决方案的组装和认证变得容易。例如，RCM 系列零件提供可选的 10 毫秒掉电保持和“OR-ing”二极管，用于冗余用途。

在恶劣的电气和环境条件下，按 EN 50155 进行设计并非易事。商业化“现成”解决方案通常根本不符合规范，尤其是长期可靠性。Bel Power Solutions 等公司专门设计的转换器是安全的解决方案，有着悠久的历史。