【導讀】在鐵路架構中設計電源轉換器既有其優(yōu)點(diǎn)，也有困難。鐵路電源設計的主要部分出現在移動(dòng)的、不受控的環(huán)境中，即火車(chē)上。此外，電力機車(chē)的預期使用壽命為30年，這意味著(zhù)數千小時(shí)的服務(wù)時(shí)間和數百萬(wàn)次的開(kāi)關(guān)機次數。高速移動(dòng)的列車(chē)周邊也有很多地方需要供電，例如軌道旁邊。在這兩部分用電方面，設計人員都需要在惡劣和不受控環(huán)境下實(shí)現高于正常要求的可靠性。
電動(dòng)軌道牽引系統最初部署于19世紀，在當今時(shí)代變得越來(lái)越重要。與內燃機車(chē)相比，這種交通運輸模式在單位重量能耗方面是最佳的，而且具有更快的加速和更好的軌道梯度牽引性能（圖1）。我還記得1955年當我6歲的時(shí)候，在紐約布魯克林運行的架空電線(xiàn)牽引的有軌電車(chē)。
圖1：電動(dòng)軌道牽引系統需要特別的電源管理方案。
當我研究鐵路供電電源設計架構時(shí)，我很驚訝地發(fā)現竟然有這么多電源供應商把這個(gè)領(lǐng)域作為一個(gè)主要目標市場(chǎng)，這還沒(méi)有包括西門(mén)子（Siemens）等公司的IC供應商的產(chǎn)品，以及Mentor, a Siemens Business針對軌道牽引系統中電力電子的熱可靠性仿真系統等產(chǎn)品。
鐵路電力架構需要電源
對于電動(dòng)鐵路牽引電力系統，第三軌和架空電線(xiàn)是主要的電源解決方案（圖2、圖3、圖4）。受電弓（pantograph）是安裝在列車(chē)頂部，從架空張力線(xiàn)取電的系統。
圖2：從器件級來(lái)看，自帶氣冷/液冷（轉換器）、逆變器、整流器、電池和電機的IGBT功率模塊是這種系統的有機組成部分。（圖片由西門(mén)子提供）
圖3：電動(dòng)軌道牽引系統中需要電源的地方有很多。（圖片由Powerbox提供）
圖4：鐵路車(chē)輛用電子設備的種類(lèi)。（圖片由富士電機提供）
挑戰
在鐵路架構中設計電源轉換器既有其優(yōu)點(diǎn)，也有困難。鐵路電源設計的主要部分出現在移動(dòng)的、不受控的環(huán)境中，即火車(chē)上。此外，電力機車(chē)的預期使用壽命為30年，這意味著(zhù)數千小時(shí)的服務(wù)時(shí)間和數百萬(wàn)次的開(kāi)關(guān)機次數（power cycle）。
高速移動(dòng)的列車(chē)周邊也有很多地方需要供電，例如軌道旁邊。在這兩部分用電方面，設計人員都需要在惡劣和不受控環(huán)境下實(shí)現高于正常要求的可靠性。
這種環(huán)境下的功率器件會(huì )遇到嚴酷的電熱條件，比如短路、過(guò)壓、過(guò)流，過(guò)熱，以及老化效應等。在這種類(lèi)型的應用中，可靠性是必需的，極端的工作溫度對哪怕最可靠的器件都是嚴酷的考驗。
電源通常采用對流冷卻，整個(gè)電源系統的工作溫度也必須低至-40℃。在這些電源系統中要使用振動(dòng)補償彈簧夾端子，以及保形涂層，還要以緊湊的外形提供非常輕巧的設計，所有這些都是設計架構的一部分，所有架構還都必須展現出最高的效率。
設計還必須滿(mǎn)足大量國際標準的要求，例如《Railways Applications - Electronic Equipment Used on Rolling Stock（鐵路應用——機車(chē)車(chē)輛上使用的電子設備）》（EN50155）標準就要求抵抗沖擊和振動(dòng)、浪涌、電壓變化、電磁性能和ESD測試，以及用于LED顯示、音頻放大器、安全監視器、照明和通信系統的隔離電源DC/DC。此外還有《Electromagnetic Compatibility for Rolling Stock Apparatus（機車(chē)車(chē)輛設備電磁兼容性）》（EN50121-3-2）、《Rolling Stock Equipment Shock and Vibration Tests（機車(chē)車(chē)輛設備沖擊和振動(dòng)測試）》（EN61373）、《Fire Protection on Railway Vehicles（鐵路車(chē)輛的防火）》（EN45545）等標準，以及更多的本地化標準。
其他一些鐵路標準還包括：
* EN 55022 A類(lèi)和B類(lèi)；
* EN 61000-4-2（ESD）；
* EN 61000-4-3（抗RF性能）；
* EN 61000-4-4（快速瞬變）；
* EN 61000-4-6（抗傳導性能）；
* EN 50163；
* RIA 12浪涌保護（3.5VN 20ms）；
* RIA 13和RIA 20機械標準；
* IEC 571和IEC61373沖擊/振動(dòng)。
鐵路應用會(huì )對這些電源解決方案強調高負載和長(cháng)壽命的要求，尤其是對分立功率器件，比如MOSFET、二極管、晶體管和IGBT等。西門(mén)子為此采用的技術(shù)包括：改善傳熱系數的直接鍵合銅基板；用條帶鍵合取代較厚的鍵合線(xiàn)，以便更好地處理大電流；以及具有非常低熱阻的無(wú)焊上片（die-attach）技術(shù)。上述技術(shù)都是用于增強開(kāi)關(guān)機次數和承受模塊封裝中的熱效應。
想了解關(guān)于電力機車(chē)的工作原理，請觀(guān)看此YouTube視頻（由railsystem.net提供）。
鐵路應用
信令和軌道旁邊的應用
平交路口控制和信令控制系統不需要滿(mǎn)足EN50155。大多數車(chē)外或軌道旁的鐵路應用都需要AC-DC電源，而不是DC-DC轉換器。
以下是ADM公司最近幫助客戶(hù)實(shí)現的一個(gè)軌道旁應用示例?？蛻?hù)需要更換地鐵車(chē)站信息屏幕內的電源，這是由于布線(xiàn)法規發(fā)生變化，要求顯示屏采用直流電壓供電，而不是240VAC。必須克服的一個(gè)問(wèn)題是允許電壓下降超過(guò)100V。
在遠離地下平臺的控制柜里采用了一臺Mean Well電源RSP-2400-48，將輸入的240VAC轉換為48VDC/50A輸出。每個(gè)顯示屏都更新了一個(gè)Mean Well SD-25C-5 DC-DC轉換器，用來(lái)將輸入的48VDC轉換為顯示屏供電所需的5VDC。
機車(chē)車(chē)輛
• 推進(jìn)系統（IGBT控制、制動(dòng)控制、電腦）；
• 駕駛艙（電力顯示屏、通信系統等）；
• 旅客艙（交流電源充電、信息顯示屏、娛樂(lè )系統）；
• 餐車(chē)（微波爐、咖啡機、收銀機、電腦）→電池充電和系統用電產(chǎn)生；
• 電動(dòng)機起動(dòng)的充電設備；
• 牽引應用中的制動(dòng)器磁化；
• 零伏啟動(dòng)應用。
以下是ADM最近幫助客戶(hù)安裝配置精密時(shí)鐘電源的機車(chē)車(chē)輛應用示例。該公司挑選了一個(gè)Mean Well PLN-60-12電源為高精度網(wǎng)絡(luò )控制時(shí)鐘供電——這類(lèi)時(shí)鐘在澳大利亞的鐵路網(wǎng)上廣泛使用。事實(shí)證明，PLN-60-12非?？煽?。這一點(diǎn)很重要，因為一旦安裝后再打開(kāi)此設備的風(fēng)險級別很高。
牽引變流器
當將電力用于鐵路系統中的牽引系統時(shí)，我們通常稱(chēng)之為電力牽引。軌道電氣化是指在為電力機車(chē)系統供電時(shí)使用的電源系統類(lèi)型。其可以是AC或DC，或復合電源（圖5）。
圖5：英飛凌為牽引系統設計提供的IC解決方案。（圖片由英飛凌提供）
電氣化的類(lèi)型選擇取決于許多因素，例如電源的可用性、應用領(lǐng)域類(lèi)型，或是城區、郊區還是干線(xiàn)服務(wù)等。
電力牽引系統主要有三種：
• 直流（DC）電氣化系統（300、500、600、750、1200、1500和3000V<sub>DC</sub>）；
• 交流（AC）電氣化系統（15kV<sub>AC</sub>@16.7Hz和25kV<sub>AC</sub>@50/60Hz，見(jiàn)圖6）；
• 復合系統（1.5kV<sub>DC</sub>、3kV<sub>DC</sub>、15kV<sub>AC</sub>@16.7Hz、25kV<sub>AC</sub>@50Hz）。
圖6：此處顯示了具有三級脈寬調制（PWM）轉換器和變壓變頻（VVVF）控制系統逆變器架構的交流設計。該設計采用單個(gè)3級VVVF逆變器，共同驅動(dòng)并聯(lián)的四臺牽引電機。（圖片由富士電機提供）
輔助電源
饋給直流電動(dòng)軌道列車(chē)系統的主要直流電壓為1,500VDC、750VDC或600VDC。這些設計中所用IGBT采用兩級轉換器設計架構（圖7）。
圖7：直流電動(dòng)軌道車(chē)輛的輔助電源電路設計。（圖片由富士電機提供）
交流電電動(dòng)軌道車(chē)上輔助電源的負載通常是指示燈、內部照明和控制電源，并且容量相對較小，然而，可靠性至關(guān)重要（圖8）。
圖8：交流電電動(dòng)軌道車(chē)輛的輔助電源電路設計。（圖片由富士電機提供）
有時(shí)輔助電源是安裝在電動(dòng)軌道車(chē)頂部的（圖9）。
圖9：頂部安裝的輔助電源。（圖片由富士電機提供）
電動(dòng)門(mén)系統
在較老的設計中，日本和其他地方經(jīng)常使用氣動(dòng)門(mén)系統。然而，最近電動(dòng)門(mén)系統成為設計師的首選，因為其不需要太多維護，并且在乘客或行李有被門(mén)夾住危險的情況中，通過(guò)采用自診斷功能并使用高速控制響應系統，還可提高乘客安全性（圖10）。
圖10：電動(dòng)門(mén)系統。（圖片由富士電機提供）
IC方案
西門(mén)子
西門(mén)子稱(chēng)，如果沒(méi)有電源轉換器，電動(dòng)軌道牽引鏈（ERTC）是不可能實(shí)現的。這些電源器件將電流轉移并切換到電源轉換器的不同分支，并具有大電流高電壓能力。
西門(mén)子為德國最新的列車(chē)——ICE 4（BR 412）高速列車(chē)提供電源解決方案。他們的元器件和系統解決方案涵蓋機械和電氣需求，以及推進(jìn)系統、轉向架（一種鐵路驅動(dòng)和導引系統，見(jiàn)圖11）和車(chē)載電源的系統解決方案。
圖11：轉向架是一種四輪或六輪轉向車(chē)，為車(chē)身提供支撐并用于提供牽引力和制動(dòng)力。（圖片由Railway Technical網(wǎng)站提供）
欲了解更多有關(guān)信息，請參閱西門(mén)子的《Components and systems for advanced rail vehicles（高級軌道車(chē)輛元器件和系統）》手冊。
電源模塊方案
Vicor
我與Vicor公司的ChiP DCM IC高級產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Kai Johnstad進(jìn)行過(guò)交談。這些模塊可以在未穩壓的寬范圍輸入下工作，產(chǎn)生隔離的直流輸出。鐵路有一些獨特的要求，Vicor二十年來(lái)一直在為滿(mǎn)足這些需求而定制自己的鐵路解決方案（圖12）。
圖12：Vicor針對鐵路應用的DCM IC。（圖片由Vicor提供）
DCM IC具有高頻零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）拓撲結構，而且轉換器可在其整個(gè)輸入電壓范圍內提供高效率。這些DC-DC轉換器模塊（DCM）可滿(mǎn)足軌道應用的需求，特別是具有43-154V寬輸入電壓范圍的100VIN 3623 ChiP，可適用于72或110V額定電壓的軌道應用。這些電源解決方案可為各種系統提供電源轉換，從嵌入式計算機系統到信息顯示屏等。這一新系列的產(chǎn)品效率接近93%，功率密度高達653W/in3，可讓工程師使用小體積穩壓DC-DC轉換器來(lái)實(shí)現軌道電源設計人員所采用的多種標稱(chēng)輸入電壓。
Vicor向設計師展示了如何使用模塊化DC-DC轉換器能滿(mǎn)足歐洲鐵路應用標準。
Schaefer
Schaefer的鐵路級功率轉換產(chǎn)品包括AC-DC電源、DC-DC電源轉換器、整流器和電池充電器，以及DC-AC正弦波逆變器。他們專(zhuān)門(mén)為車(chē)載和軌道旁重軌電源應用提供定制的鐵路電源解決方案，并且符合EN 50155標準要求。
對于鐵路行業(yè)，確保提供穩定的電源系統存在相當大的挑戰，因為不僅有嚴格的技術(shù)和性能要求，而且需要符合若干國際標準。
以下是這個(gè)行業(yè)的一些需求：
• 超寬輸入范圍以處理極端情況，例如74V<sub>DC</sub>總線(xiàn)；
• 即使在啟動(dòng)條件下也能保持穩定的輸出功率；
• 降壓、升壓或隔離拓撲；
• DC/DC、DC/AC、AC/DC或AC/AC；
• 定制解決方案，通常沒(méi)有一次性工程費用（NRE）；
• 高效率以降低總擁有成本；
• 密封的解決方案；
• 自然對流或水冷解決方案；
• 特別堅固的結構可用于要求最嚴格且苛刻的軌道和車(chē)載環(huán)境；
• 冗余配置可在關(guān)鍵應用中延長(cháng)使用壽命；
• 超寬溫度范圍；
• 輕巧、高功率密度以適應較小的封裝設計。
Schaeffer為列車(chē)用電池充電器提供的鐵路電源包括4.5kW車(chē)載電池充電器系統和40kW AC/DC車(chē)載電池充電系統。
Absopulse
Absopulse鐵路轉換器的典型應用包括：
• 信令和通信系統；
• 無(wú)線(xiàn)連接解決方案；
• GPS跟蹤系統；
• 視頻監控和安全系統；
• 乘客信息顯示系統；
• 客戶(hù)娛樂(lè )系統；
• 列車(chē)控制和監測系統；
• 牽引控制系統；
• 門(mén)控系統；
• 前大燈和尾燈系統。
Absopulse提供的一些典型產(chǎn)品包括適用于公共交通的750VDC鐵路DC/DC轉換器，以及具有寬輸入范圍的IP66等級的鐵路DC/AC純正弦波逆變器。
XP Power
XP Power面向鐵路應用用高效率50W至600W DC/DC轉換器系列推出了一種新型鐵路電源——RDF50/RDL100/RDH300/RDH600系列。
XP Power指出，選擇電源供應商時(shí)需要考慮如下一些要求：
• 符合EN50121、EN50124、EN50125、EN50155和EN50163等統一標準，以及RIA、NF-F-01-510、VDE、ST等國家標準；
• 保守元器件降額后的可靠性；
• 全面設計驗證測試（DVT）；
• 長(cháng)產(chǎn)品生命周期和停產(chǎn)（EOL）管理；
• 專(zhuān)門(mén)的項目管理；
• 寬輸入電壓，適用于全球常用的直流電池輸入電壓；
• EMC/EMI控制及抗峰值和浪涌性能；
• 堅固的構造標準；
• 寬工作溫度范圍（典型值-40℃至70℃）；
• 對流或傳導冷卻；
• 并行和冗余操作；
• 過(guò)熱、過(guò)壓、過(guò)流保護；
• 符合RoHS；
• ISO9001質(zhì)量管理體系。
電源控制系統
Railway Technology是他們一系列新的電源控制系統產(chǎn)品的代表，其中包括用于鐵路信令電源設備（PSU）的多輸出DC-DC轉換器MD146-IRX-2-N1，以及用于地鐵信令設備的DC-DC轉換器RACK-4XSD206-I-RX-96-1。
一個(gè)挑戰是許多偏遠地區沒(méi)有電力供應。
其他鐵路電源模塊轉換器供應商還有Synqor、PULS、東芝和Bel Power等公司。
定制和標準鐵路設計
Powerbox公司完成了許多優(yōu)秀的標準鐵路電源設計，但也為鐵路應用提供定制設計（圖13）。
圖13：用于鐵路系統的Powerbox電源產(chǎn)品的一些示例。（圖片由Powerbox提供）
客戶(hù)電源需求實(shí)例
1. 重新設計推進(jìn)系統
挑戰：?jiǎn)?wèn)題始于一位客戶(hù)的緊急電話(huà)。在一輛完整新車(chē)的首次測試中，推進(jìn)系統會(huì )隨機停止，最初懷疑是Powerbox DC/DC轉換器的原因。
解決方案：Powerbox調查小組第二天在現場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)際測試和測量，以及理論分析。最終發(fā)現問(wèn)題在于由轉換器供電的一個(gè)子系統。在某些運行模式下，該子系統會(huì )造成轉換器嚴重過(guò)載，遠遠超出設計參數。該團隊提出了一個(gè)解決方案，就是重新設計子系統。方案已經(jīng)實(shí)施，而且項目按原定計劃進(jìn)行。
2. 解決噪聲和瞬變超出EN50155/EN50121-3-2要求問(wèn)題的系統方案
挑戰：Powerbox的一個(gè)老客戶(hù)在機車(chē)改造期間遇到了問(wèn)題。電池充電器輸入電路反復失敗。經(jīng)過(guò)鑒定，原因來(lái)自并聯(lián)設備引起的噪聲和受電弓（從架空電線(xiàn)傳送電流到列車(chē)的接合框架）彈跳引起的瞬變兩方面的復合作用。噪聲和瞬態(tài)電平遠遠超出了EN50155和EN50121-3-2標準所要求的限值，并且超過(guò)了電池充電器可以應付的范圍?？蛻?hù)知道Powerbox是鐵路電源專(zhuān)家，因此求助于他們來(lái)為此問(wèn)題提供可能的解決方案。
解決方案：客戶(hù)與Powerbox共同決定，濾波是最便捷的處理方式。在三周內，Powerbox工程師設計制造了一個(gè)外置低通濾波器，將噪聲和瞬態(tài)降至推薦水平，從而保護了充電器。
3. 從轉換器要求到系統優(yōu)化
挑戰：客戶(hù)提出的任務(wù)是在大量遠程軌道旁設施上為信令設備供電。所提供的輸入電壓是交流干線(xiàn)電源，而所需的輸出取決于每個(gè)現場(chǎng)的設備要求，是各種直流電壓。此外還需要有備用電池。由于大多數設備安裝在熱管理能力有限的機柜中，所以最小化散熱至關(guān)重要。大量的遠程站點(diǎn)意味著(zhù)可靠性是必不可少的先決條件，這需要有較短的平均恢復時(shí)間（MTTR）。
解決方案：Powerbox最初被邀請為此應用提供DC/DC轉換器。但當他們分析應用場(chǎng)景時(shí)，發(fā)現通過(guò)精益設計和模塊化概念的應用，可以在其他幾個(gè)方面節省大量成本?？蛻?hù)同意他們的建議，最初的DC/DC轉換器邀請就變成了定制的系統訂單。Powerbox設計了模塊化的電源系統，其上集成了電源轉換、電池充電、配電盤(pán)和計算機通信接口。高效率轉換器和智能系統架構也大大減少了散熱。
本文轉載自EDN電子技術(shù)設計。
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