【導讀】對于交通運輸系統中的DC/DC轉換器，其性能具有特殊要求，必須具有寬輸入范圍、嚴苛環(huán)境下EMI的抗干擾能力，這使得商業(yè)或“標準”工業(yè)級器件不太可能成為可靠的解決方案。本文概述了鐵路、汽車(chē)和工業(yè)車(chē)輛的應用要求，并介紹了符合規范要求的模塊化解決方案。
DC/DC轉換器幾乎可以應用到所有的電子系統中：消費類(lèi)、IT類(lèi)、工業(yè)類(lèi)、運輸類(lèi)等。轉換器大多都嵌在系統中，使系統與外界隔離，不受不可預測的電源和環(huán)境變化的影響，但交通工具就不同了。DC/DC轉換器通常直接由系統電池供電，系統電池也可以為其他負載供電，產(chǎn)生尖峰、浪涌和電壓跌落。交通工具的環(huán)境也會(huì )有冷凝、沖擊、振動(dòng)和極端溫度變化的現象。本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，交通工具在不同輻射EMC環(huán)境之間移動(dòng)，包括來(lái)自其他車(chē)輛、無(wú)線(xiàn)電、電視和移動(dòng)電話(huà)天線(xiàn)的排放。模塊化DC/DC轉換器是已經(jīng)通過(guò)安全認證的，高性能、低成本器件。這些符合交通工具要求的模塊通常需要有特殊的設計才能達到目標市場(chǎng)性能標準。
交通運輸系統中的應用有不同的標稱(chēng)電壓：以鐵路為例
鐵路可能被視為DC/DC轉換器最苛刻的應用之一，標稱(chēng)系統電壓的變化可在24和110VDC之間。根據EN 50155-2017“鐵路應用-機車(chē)車(chē)輛上使用的電子設備” ，標稱(chēng)電壓可以有+25%/-30%的變化，電壓可以低至標稱(chēng)電壓的60%，而浪涌可以高達140%。圖1總結了可看到的電壓范圍。根據該標準，持續100ms的浪涌和電壓驟降到特定水平不應導致 “功能偏差” ，浪涌長(cháng)達一秒的情況下可允許性能稍微下降。至于功率轉換器，很難說(shuō)下游設備可接受的降級的程度，因此事實(shí)上DC/DC需要在140%的最高浪涌水平下長(cháng)期地正常工作。
圖1：EN 50155-2017鐵路應用不同標稱(chēng)電壓的電源電壓范圍
圖1顯示DC/DC轉換器的“標準”4:1輸入范圍，說(shuō)明某些部件可以符合一些鐵路要求，而能夠應對所有變化的理想轉換器則需要10:1或更寬的輸入范圍。
一些鐵路應用仍然需要符合RIA 12標準，這是一個(gè)舊標準，必須承受大于標稱(chēng)電壓3.5倍的浪涌，浪涌持續時(shí)間為20ms。對110V系統來(lái)說(shuō)這等于是385V的峰值，DC/DC輸入范圍很難達到或讓瞬態(tài)抑制器吸收。源阻抗僅0.2歐姆，因此如果它被箝制到160V，瞬態(tài)抑制器的耗散功率峰值將是難以控制的180kW。RECOM[1] 推薦的一種有效方法是用串聯(lián)MOSFET來(lái) “預調節” 電源，增加一個(gè)定時(shí)關(guān)斷機制，如果浪涌持續發(fā)生MOSFET的功耗也不會(huì )超過(guò)額定值。這個(gè)方案可以作為預制浪涌抑制器的模塊來(lái)處理高達300W的連續負載，也可作為分立器件使用，如圖2所示。
圖2：RIA 12應用的 “浪涌抑制器”設計圖（文獻來(lái)源RECOM）
軌道應用中的DC/DC轉換器通常還需要承受EN 61000-4-x標準中定義的快速瞬態(tài)過(guò)電壓。這些能量相對較低，因此簡(jiǎn)單的LC濾波器和瞬態(tài)抑制器就足夠了。EN 50155還將電源中斷定義成S1、S2和S3三個(gè)類(lèi)別，最壞的情況是標稱(chēng)輸入電壓中斷20ms但不會(huì )對性能造成影響。這通常需要DC/DC轉換器外接保持電容。
跟其他大多數的應用相比，鐵路車(chē)輛的設備也受到更高的沖擊和振動(dòng)。EN 61373標準在不同區域定義了等級，從3類(lèi)安裝在車(chē)軸到1類(lèi)安裝在車(chē)廂。在所有情況下，轉換器的結構都需要堅固耐用，PCB噴上涂層并加以灌封來(lái)最大限度地減少機械應力、防止潮濕。
RECOM的DC/DC轉換器系列及新收購的Power Control Systems [2]公司提供符合鐵路EN 50155認證要求的許多產(chǎn)品，從額定8W SMD、DIP24零件到具有超寬12:1輸入范圍、涵蓋所有的標稱(chēng)電壓的240W磚型轉換器。RECOM還提供符合EN 50155和RIA 12要求的濾波電路參考設計[3]，以及常用于軌道旁邊的高達10kW三相AC輸入電源。
其他工業(yè)運輸應用可能有類(lèi)似鐵路的要求
寬范圍的電池輸入電壓也適用于其他的應用如電動(dòng)叉車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)或UPS系統。電池標稱(chēng)電壓在12到48V之間，但是重負荷電機在 “負載突降” 時(shí)充電電壓和浪涌，會(huì )將12V系統的最大電壓提高到42V甚至更高（圖3）。48V系統中的電壓相對更高，但是當60V被定義為最大 “安全” 電壓時(shí)，可以使用如圖2的浪涌抑制器電路將DC/DC輸入電壓鉗位到最高60V。在這種安全的特低電壓下，DC/DC的絕緣系統可為 “功能隔離” ，而不需要取得認證機構的更高級別的認證。在 “冷啟動(dòng)” 的情況下，低電壓寬輸入范圍DC/DC是一個(gè)好方案。由于最終用途的環(huán)境無(wú)法得到很好地控制、比如，行駛在軌道上的列車(chē)，車(chē)輛位置無(wú)法確定，因此建議使用堅固耐用的器件以確?？煽啃?。隨著(zhù)電子技術(shù)進(jìn)入農業(yè)和所有重型工業(yè)車(chē)輛，對寬輸入范圍和堅固結構的要求也是一樣的。
圖3：12V車(chē)輛應用中的浪涌電壓（來(lái)自L(fǎng)V124）
汽車(chē)電源電壓明確定義
道路車(chē)輛的電源電壓是非常明確的，由德國汽車(chē)制造商在2013年制定的LV124是12V系統的通用標準。圖3為常見(jiàn)的電壓，轉換器需要在超過(guò)4: 1輸入范圍內可靠工作。雖然不同的制造商有自己的解釋和要求，但標準ISO 7637-2也適用于高壓瞬態(tài)?？梢允┘痈哌_-150V負瞬態(tài)持續2ms以及正電壓如+150V持續150ns。負脈沖是由并聯(lián)電感負載斷電所產(chǎn)生的。瞬態(tài)具有相對較低的能量，可以使用LC濾波器和瞬態(tài)抑制器加以減弱。
人們越來(lái)越關(guān)注混合動(dòng)力汽車(chē)的48V DC系統，因為即將在2021年實(shí)施的法規要求新登記的乘用車(chē)的二氧化碳排放需低于每公里95克。那時(shí)市場(chǎng)還無(wú)法轉換成全電動(dòng)車(chē)，因此混合動(dòng)力車(chē)是大型車(chē)輛的唯一選擇。具有12V和48V系統電壓的系統可以提供更好的燃料消耗和排放，48V電池可在必要時(shí)提供牽引力，并為油泵和水泵等周邊設備供電，這在設備為電驅動(dòng)時(shí)效率更高。
48V系統具有與12V系統類(lèi)似的欠壓和過(guò)壓百分比范圍，但需要考慮將電壓保持在安全的60V水平以避免額外的昂貴絕緣系統。標準VDA 320定義的級別如圖4所示。
圖4：汽車(chē)48V系統電壓等級
如果在這些系統中使用DC/DC轉換器模塊，對于信息娛樂(lè )或導航應用，4:1（18-72V）輸入范圍可能就足夠了，但該模塊仍必須能夠承受沖擊和振動(dòng)的規范，以及車(chē)輛停放在寒冷的北極或炎熱的熱帶所帶來(lái)的極大溫差。
模塊化DC/DC轉換器需要符合交通運輸系統的應用規范
交通運輸對DC/DC轉換器的要求可以輕松地由具有長(cháng)期市場(chǎng)經(jīng)驗的RECOM及姊妹公司PCS的現成解決方案滿(mǎn)足。廣泛的產(chǎn)品包括在鐵路應用中符合EN 50155標準的超寬12:1輸入的模塊，以及適用于汽車(chē)和工業(yè)車(chē)輛的堅固耐用的轉換器。為了確保使用壽命和最佳性能以及滿(mǎn)足苛刻應用的要求，RECOM的產(chǎn)品通過(guò)了全面的設計驗證和測試，包括全部的電性能、HALT、溫度循環(huán)和高溫老化。
文獻
[1] RECOM www.recom-power.com [2] Power Control Systems www.powercontrolsystems.com [3] RIA 12 ‘Surge stopper’ and EMI filter R-REF04-RIA12
來(lái)源：RECOM
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