即插即用型一體化盒式DC/DC電源解決方案

軌交應(yīng)用對電源轉(zhuǎn)換器提出了嚴苛的要求。雖然商業(yè)產(chǎn)品可能滿足所需達到的部分規(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)的標準。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)境可能最為嚴苛。但在該行業(yè)的所有領(lǐng)域，從鐵路到物料搬運設(shè)備，從電動汽車到電動滑板車等等，都呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢。特別是在鐵路車輛應(yīng)用中，為提高安全性和效率，自動化的應(yīng)用越來越廣泛，同時還需實現(xiàn)數(shù)據(jù)連接和智能標識等便利功能。所有這些都必須在典型的鐵路環(huán)境中可靠運行，需要耐受這種環(huán)境中的高污染、高沖擊和高振動，并且往往通過標稱電壓為 110 VDC 的傳統(tǒng)直流電源軌供電，而在全球某些國家或地區(qū)輸入電壓可能低至 24VDC。通常情況下，適用的標準為 EN 50155，該標準的現(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、使用壽命、文檔和測試相關(guān)要求。

鐵路應(yīng)用供電電壓存在各種變化

對于將直流電源轉(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：EN50155 標準規(guī)定的不影響性能的標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)一段時間，這種供電中斷根據(jù)中斷時間將分為 S1、S2 和 S3 三個類別（圖 2）。默認情況下，應(yīng)達到 S2 類別；如圖所示，如中斷時間不超過 10 毫秒，則能達到性能標準 A；超過10 毫秒，則能達到標準 C。性能標準 A 表示不會產(chǎn)生任何影響；性能標準 B 表示在測試期間性能降低，但之后恢復(fù)正常；性能標準 C 表示允許功能喪失，但設(shè)備必須能夠以自動或手動方式復(fù)位。供電中斷的影響在標稱供電電壓下進行測試。

圖 2：EN50155 規(guī)定的供電中斷類別

在軌交應(yīng)用中，設(shè)備安裝在各種位置，從溫度相對適宜的乘客車廂到溫度較高的設(shè)備柜中都能見到。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），如無特殊規(guī)定，默認類別為 OT3。類別 OT5 和 OT6 僅適用于特殊條件。

圖 3：EN50155 定義的工作溫度類別

該標準還考慮到，在自然冷卻或強制冷卻發(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。這些條件在該標準中以“啟動”溫度的三個類別 ST0、ST1 和 ST2（圖 4）予以規(guī)定，其中 ST1是默認類別，并且 ST1 和 ST2 不適用于 OT5 和 OT6。標準第13.4.5 條規(guī)定了各個類別的溫度變化時間和速度，分別對應(yīng)于干熱條件下的熱循環(huán)測試 A、B 和 C。

圖 4：EN50155 定義的“啟動”溫度類別

尋找適用于軌交應(yīng)用的“即插即用型”DC/DC 轉(zhuǎn)換器

毫無疑問，找到一款既能滿足這些規(guī)范，又能在軌交應(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“標稱”軌交輸入電壓，但實際上，要完全滿足 EN 50155 標準要求，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和浪涌電流限制功能，并且需要通過外部電容器達到至少 10 毫秒的保持時間，才能滿足供電中斷規(guī)范。典型的“標準”DC/DC 變換器在內(nèi)部幾乎不具備在保持時間內(nèi)儲能的功能，因此需在外部實現(xiàn)，此時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)能在最低標稱輸入電壓下以額定輸出功率達到必要的保持時間。這可能需要使用較大的元件，對安裝造成不便，并且可能會產(chǎn)生較大的無法控制的浪涌電流。此外，大多數(shù) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的額定隔離電壓也有限，只能實現(xiàn)“功能隔離"，或最多實現(xiàn)“基本隔離”，但在軌交應(yīng)用中，系統(tǒng)設(shè)計師通常會要求達到隔離電壓為 3 kVAC 的“增強”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，它能夠以緊湊的尺寸提供高輸出功率，但可能需要采用強制風冷來實現(xiàn)這一點。在軌交應(yīng)用中，考慮到維護、噪音和使用壽命等問題，并不適合采用風扇，因此更傾向于使用對流冷卻，并配備基板以利用任何可用的“冷壁”。在實際應(yīng)用中，基板冷卻型全磚DC/DC 轉(zhuǎn)換器會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

為解決前述問題，可采用經(jīng)過專門設(shè)計、能夠滿足 EN 50155 標準要求的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，該產(chǎn)品應(yīng)具有寬泛的輸入范圍，可以覆蓋各種標稱電壓，并能夠應(yīng)對輸入電壓浪涌、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，可無風扇運行，工作溫度范圍為 -40°C 到 +85°C，可達到 OT4 和 ST2類別。連接通過螺釘端子完成，安裝方便。150 W 和 300W 型號的標稱輸入電壓范圍為 16.8 VDC 到 137.5VDC（從 14.4 VDC 到 154 VDC，持續(xù)時間分別為 100 ms 和 1 s）。12:1 輸入范圍覆蓋了在 110 VDC 標稱輸入電壓下 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 型號在 72 VDC 和110 VDC 標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）。所有型號均有單一的 24 VDC 輸出，并具有 O 形環(huán)二極管用于實現(xiàn)冗余并行操作，同時包括輸入反極性保護、10 ms 保持時間、遠程控制以及浪涌電流限制功能。此外，這些產(chǎn)品還符合 EN50121 軌交應(yīng)用電磁兼容性規(guī)范。

審核編輯：湯梓紅