现成的DC/DC转换器如何简化坚固的应用程序开发

由Martin Tenhumberg.

列车上的电子系统是由噪声直流电源提供动力的。电压尖峰、突涌和跌落是常见的，以及从大功率传输系统辐射和传导的EMI。冲击、振动和极端的温度波动是常态。乘客和工作人员的安全也是最重要的，所以使用材料的可燃性需要仔细考虑。

其他市场面临着类似的挑战：工业移动系统，如建筑和物质处理机械和叉车户外苛刻。没有明确的标准，它们通常会转向现有的粗糙化解决方案，该解决方案设计并建造在铁路标准。这些优选用于工业级替代品，这些替代方案通常只是商业级解决方案，其支持延长温度范围，期望“清洁”供应轨和低冲击和振动水平。

采用铁路电力电子标准的加固解决方案
铁路环境虽然恶劣，但有明确的特点。铁路电子设备规范，EN 50155，仍然允许极端的电压波动。EN 61373定义了不同列车段的冲击和振动环境。EN 61000-4支持EMC。当遇到高能冲击时，通常需要符合英国铁路工业协会标准RIA 12。

en 50155.
EN 50155涵盖了加固DC/DC转换器的环境和使用条件、可靠性、安全性、设计和构造、文档和测试。典型的工业级电子产品可能满足这些要求，但DC/DC电源转换器必须承受更宽的输入电压变化，有几个可能的标称范围(图1):

图1：不同轨道应用的DC输入范围

连续范围= 0.7 - 1.25 x V._nom
电力减弱= 0.6 x V_nom100ms
电涌= 1.4 x V_nom一秒钟

要顺利度过100毫秒的限电期是不现实的，而且一秒钟的电涌也太大了。因此，功率变换器必须在图1所示的完整范围内运行，并具有一定的安全裕度，这意味着输入范围大于2.33:1。标称电压48V和96V也可能与法国和美国有不同的最小和最大。DC/DC转换器制造商通过提供4:1输入(通常为43 - 160V)来满足这些要求。

符合RIA 12
还可能有合同对不同规格的要求，如RIA 12，以抵御高达1.5 x V的电涌^nom对于1s和3.5 x V_nom为20ms从一个非常低的源阻抗0.2Ω。对于110伏直流电系统，峰值为385VDC，这超出了转换器的正常范围，特别是当它需要工作到66伏直流电的最小功率时。

来自这样一个低阻抗源的能量不能被TVS(瞬态电压抑制器)箝位。可能需要一个预稳压器，在浪涌持续期间切断输入。保持在DC/DC转换器中也需要保持输出。另一项要求可能是用100纳秒的梯形波形维持来自100Ω源的高达8.4kV的快速瞬态。这些可以夹钳的TVS或专用滤波器，从DC/DC制造商。

EMI和静电放电要求
当测试符合AC电源的EMC指令时使用EN-61000-4，所有这些都需要适当的过滤。工业直流/直流转换器通常嵌入并保护来自进行的EMI。由于它们通常不包括用于轨道直流耗材的滤波，因此它们需要外部滤波器。

EN 50121-3-2包括对高达80MHz的传导共模射频和对机箱端口水平静电放电和电磁场的抗扰性的要求。所进行的排放遵循基本标准EN 55016-2-1。EN 50155提供了铁路应用中物理EMC区域A、B和C的示例(图2)。

图2：轨道应用中的EMC区域之间DC / DC转换器的典型定位

严格的铁路冲击和振动要求
EN 61373对铁路应用的冲击和振动测试进行了定义，规定了不同类别的测试位置，测试级别不断提高:

类别1,A类，安装车身
类别1 B类，安装车身
第2类，安装转向架
第3类，安装轴

图3：爱尔兰Wexford的Traco电力解决方案实验室振动测试设置

B类车载设备的低质量项目，在5Hz ~ 150Hz的测试频率下，垂直方向的振动加速度为5.72m/s2，纵向冲击峰值为50m/s²(近5 g)。在最严峻的轴装环境下，设备必须承受高达144米/秒的振动²（近15克）和任何方向超过100g的冲击。使用振动激励器（振动器）与频道振动相结合，可以评估单个组件（图3）以检测开发过程中的潜在机械弱点。

图4:安装销脱落机械稳定性

图5:弹簧夹防震

为不同的安装方向定义功能条件和应力水平。在低功耗下，DC / DC转换器的SIP式安装不提供足够的支撑。因此，TMR 3WIR和类似产品具有胶印安装销，其提供额外的机械稳定性，如封装一样（图4）。

较大的设备，如TEQ 300WIR，通过弹簧夹进行电缆连接器的振动（图5）。

温度冲击、操作环境及消防安全

图6:TEP 150WI类似于TEQ 300WIR，包括一个被动冷却系统(散热器)

在铁路应用中的连续工作温度通常不是很严重，乘客和驾驶室区域的名义温度为25°C，最高可达55°C。设备隔间温度可能为70℃。但设备必须在额外的15°C条件下存活10分钟以上。TEP 150WI和TEQ 300WIR集成散热器满足了这些要求(图6)。

乍一看，转换器额定-40至+ 85°C似乎足以满足大多数环境挑战。然而，必须考虑热冲击，必须考虑进入并留下隧道的火车，其中可以在每秒3°C的变化率下遇到40°C差异。这种突然变化可能会导致冷凝。用于此类环境的功率转换器需要封装或共形涂层免受差分扩展速率的损坏。镀镍，代替金，用于DC / DC转换器的十个40WIR系列可防止凝结腐蚀。

现成的解决方案
Traco Power通过大量的现货产品解决了轨道设备中DC/DC转换器的苛刻规格(图7)。

图7:从3到300W的轨道和类似应用的Traco Power产品

所有提供4：1输入范围，包括110VDC标称值为43-160VDC，以及24和48VDC名义上的9-36VDC和18-75VDC。封装包括金属 - 可以为3W和6W的金属SIP8，带有额外的安装突片，用于振动，DIP24封装8W，以及工业标准1“X 1”，2“x 1”类型为10W至40W。安装的底盘版本为20W至300W。根据变型，转换器包括输入滤波到EN 55032 B类，具有粗糙化环境密封[2]。

总结
瑞士制造商TRACO功率为其广泛的质量AC / DC电源和DC / DC转换器而闻名。通过使用其坚固化的DC / DC转换器，轨道和类似行业的关键系统设计人员，如施工机械和在恶劣条件下操作的材料处理，可以确保解决其供电挑战。

引用/链接
[1] SCI研究预测全球铁路市场回暖:https://www.reailjournam.com/in_depth/sci-study-forecasts-upturn-in-global- rail-market.
[2] TRACO电力 - 铁路电源解决方案组合：https://www.tracopower.com/fileadmin/files/support/Order_catalogue/pp2019-railway-web.pdf.

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