Specialiserade DC/DC-omvandlare hanterar unika strömförsörjningsutmaningar för järnvägstillämpningar

Moderna järnvägssystem har en ökande mängd elektronik ombord för funktioner som t.ex. internetåtkomst för passagerare, satellitlänkar, interntelefon- och PA-system (public-address), delsystem för navigering, nödradioapparater, informationstavlor, LED-belysning, informationssystem, laddningsuttag placerade i sätet och andra tillbehör. Det finns också delsystem för batteriladdning, eftersom många av ovanstående funktioner måste fortsätta att drivas under kortvariga eller längre strömavbrott. Var och en av dessa funktioner har unika spänningskrav, vilket leder till att många DC/DC-omvandlare används för att omvandla högspänningslikström till flera lägre spänningar.

Konstruktörer som föreskriver DC/DC-omvandlare för järnvägstillämpningar måste dock säkerställa att dessa omvandlare kan fungera tillförlitligt i trånga utrymmen och i förhållanden med hårda elektriska, mekaniska och termiska påfrestningar. De måste också uppfylla en lång rad rigorösa bransch- och lagkrav och vara enkla att driftsätta för att spara tid.

Artikeln beskriver kortfattat kraven för DC/DC-omvandlare för järnvägstillämpningar. Därefter presenteras DC/DC-omvandlare från TRACO Power och hur de kan användas för att uppfylla dessa krav.

Kraftdistribution för järnvägstillämpningar

En typisk kraftdistributionsväg för ett elektriskt lokomotiv eller en motorvagn har många lägre spänningar som härrör från den primära luftledningskällan för likström. Som med alla kritiska tillämpningar finns det obligatoriska branschstandarder som definierar funktionskraven ur flera olika perspektiv.

Den ledande lagstadgade standarden för elektronisk utrustning för järnväg är EN 50155, Järnvägstillämpningar - Rullande materiel - Elektronisk utrustning. Här definieras miljö- och driftsförhållanden, förväntningar på tillförlitlighet, säkerhet och metoder för konstruktion och utförande. Den omfattar även dokumentation och testning.

Andra viktiga specifikationer inkluderar:

• EN 61373, Järnvägstillämpningar - Rullande materiel - Stöt- och vibrationsprovning
• EN 61000-4, för elektromagnetisk kompatibilitet (EMC)
• EN 45545-2, europeisk järnvägsstandard för brandsäkerhet
• Den brittiska standarden RIA 12 från Railway Industries Association, allmän specifikation för skydd av elektronisk traktionsutrustning och rullande materiel, mot transienter och överspänningar i styrsystem för likström

Att uppfylla dessa lagkrav är en stor utmaning för konstruktörer, även om den egenhändigt konstruerade omvandlaren fungerar som avsett vid simulering och som prototyp på bänk. Som tur är finns det ingen anledning att göra det själv. Tillämpningsspecifika DC/DC-omvandlare som uppfyller kraven finns redan tillgängliga på lagerhyllan.

Till exempel är serierna TEP 150UIR/TEP 200UIR två snarlika serier av kortmonterade ”half brick”-omvandlare med en effekt på 150 respektive 200 W. De har en förstärkt in-/utspänningsisolering på 3 000 V AC (V_AC) och inbyggt skydd för kortslutning, överspänning och övertemperatur.

Alla delar i dessa två serier har samma anslutningskonfiguration och kapslingsstorlek med måtten 60 × 60 × 13 mm (figur 1). Verkningsgraden är ca 90 %.

Figur 1: Alla delar i serierna TEP 150UIR och TEP 200UIR har samma kapslingsstorlek och format. (Bildkälla: TRACO Power)

Serien TEP 150UIR arbetar med ett extremt stort inspänningsområde på 14 till 160 V DC (V_DC) och finns i fem utgångskombinationer, från 5 V/30 A till 48 V/3,2 A (figur 2).

Figur 2: Serien TEP 150UIR finns med spännings-/strömvärden från 5 V/30 A till 48 V/3,2 A. (Bildkälla: TRACO Power)

Enheten med lägst spänning/högst strömstyrka i serien är TEP 150-7211UIR, som kan leverera upp till 30 A vid 5 V.

Serien TEP 200UIR har samma intervall för in- och utspänning, men högre ström, från 5 V/40 A till 48 V/4,2 A (figur 3).

Figur 3: Serien TEP 200UIR tillhandahåller 33 % mer effekt, med samma utspänningsvärden men med högre utström. (Bildkälla: TRACO Power)

Enheten med högst spänning/lägst ström i serien är TEP 200-7218UIR, som kan leverera upp till 4,2 A vid 48 V, jämfört med 3,2 A för dess motsvarighet på 150 W, vid samma spänning.

Genom att bibehålla samma storlek kan användare enkelt uppgradera en krets för att hantera olika behov, eller använda olika kretskort, med minimalt med kabeldragnings- och konstruktionsproblem. De kan också förenkla lagerhållningen genom att lagerhålla färre unika modeller.

Tre viktiga funktioner

TEP 150UIR och TEP 200UIR har tre utmärkande egenskaper; ett stort inspänningsområde, förlängd hålltid och aktiv begränsning av strömrusning.

1) Stort inspänningsområde: Typisk industriell elektronik kan uppfylla de allmänna spännings-/strömkraven, men DC/DC-omvandlare för denna tillämpning måste klara mycket större variationer i inspänningen och en mängd olika nominella värden (figur 4).

Figur 4: Inspänningsområden för likström för olika järnvägstillämpningar omfattar ett mycket stort område, särskilt när tillåtna avvikelser från nominella värden vägs in i analysen. (Bildkälla: TRACO Power)

Detta inkluderar de tillåtna variationerna i inspänning kring respektive nominellt värde:

• Kontinuerligt intervall = 0,7 till 1,25, × V_NOM
• Strömavbrott = 0,6 × V_NOM i 100 millisekunder (ms)
• Överspänning = 1,4 × V_NOM i en sekund

Det är svårt att konstruera en kraftomvandlare som hanterar strömavbrott i 100 ms, samtidigt som överspänningar som varar i en sekund har för mycket energi för att kunna dämpas. Omvandlaren måste därför fungera inom hela det intervall som visas i figur 4 och samtidigt ha en viss säkerhetsmarginal. I praktiken innebär detta ett inspänningsområde på mer än 2,33:1.

Situationen kompliceras av att den nominella spänningen kan vara allt från 24 V_DC till 110 V_DC. Många tillverkare av DC/DC-omvandlare uppfyller dessa bestämmelser genom att erbjuda omvandlare med ett större inspänningsområde med förhållandet 4:1 (vanligtvis 43 till 160 V) för att omfatta de flesta tillämpningar, men en enda omvandlare har normalt inte kunnat uppfylla alla bestämmelser.

För att hantera detta har enheter från TRACO stöd för en mycket bred 12:1 inspänning på 14 till 160 V_DC. Sortimentet gör det möjligt för systemingenjörer att inrikta sig på en rad nominella systemspänningar med en enda strömförsörjning.

2) Förlängd hålltid: Likströmsledningen utsätts för snabba transienter på ±2 kV med stigningstider på 5 ns, falltider på 50 ns samt en repetitionsfrekvens på 5 kHz. Det finns också överspänningar på ±2 kV från linje-till-jord och ±1 kV mellan linje-till-linje med stigningstider på 1,2 μs och falltider på 50 μs för en definierad, växelströmskopplad källimpedans.

Vissa bestämmelser går längre än EN 50155 och kräver immunitet mot överspänningar på upp till 1,5 x V_NOM i en sekund och 3,5 × V_NOM i 20 ms från en mycket låg källimpedans på 0,2 Ω. För ett system med 110 V_DC (nominellt) motsvarar detta ett toppvärde på 385 V_DC, vilket ligger utanför det normala området för en omvandlare, särskilt om den måste fungera ner till strömavbrottsgränsen 66 V_DC.

Den tillgängliga energin från en källa med så låg impedans innebär att spänningen inte kan dämpas av en transientspänningsdämpare (TVS). Beroende på effektnivån krävs en förregulator på matningsingången eller en krets som kopplar bort ingången under den tid som överspänningen varar. En hålltidsfunktion är nödvändig i DC/DC-omvandlaren för att bibehålla utspänningen under denna tid.

För att lösa detta problem har enheterna från TRACO en viktig funktion i form av en utgång på BUS-stiftet. Denna utgång tillhandahåller en fast spänning för att ladda en kondensator, så att kondensatorn kan tillhandahålla den energi som behövs för en längre hålltid (figur 5). Dessa kondensatorer är betydligt mindre och billigare än de som används för hålltider i normalt förekommande system med frontend-kondensatorer.

Figur 5: Detta är den rekommenderade inspänningskretsen som ska användas med kondensatorn för C_BUS för att förenkla implementeringen av en förlängd hålltid. (Bildkälla: TRACO Power)

Observera att en seriediod inte behöver läggas till på inspänningskretsen eftersom dessa omvandlare har en integrerad diod för att undvika kortslutning och hålla energin från kondensatorn flytande till strömförsörjningen.

När ett avbrott i matningsspänningen inträffar kommer inspänningen att sjunka till BUS-spänningen innan kondensatorerna börjar laddas ur för att förse kraftmodulen med energi. Tack vare sin relativt höga effekttäthet kan TEP 150UIR och TEP 200UIR leverera en fast BUS-spänning vid en inspänning på upp till 80 V. Vid högre inspänningar ökar BUS-spänningen linjärt med den faktiska inspänningen (figur 6).

Figur 6: Omvandlarna skapar en fast BUS-spänning vid en inspänning på upp till 80 V. Vid högre inspänningar ökar BUS-spänningen linjärt med den faktiska inspänningen. (Bildkälla: TRACO Power)

3) Aktiv begränsning av strömrusning: Detta hanterar ett vanligt problem med strömomvandlare: när inspänningen ökar kommer hålltidskondensatorerna på inspänningen att orsaka en hög strömrusning. Detta kan leda till att en säkring eller krets löser ut och orsaka fel och störningar i anslutna enheter.

För att undvika detta skapar Pulse-stiftet hos serierna TEP 150UIR- och TEP 200UIR en fyrkantsvåg på 12 V och 1 kHz som kan användas i kretsen för begränsning av strömrusning (figur 7).

Figur 7: Serierna TEP 150UIR och TEP 200UIR tillhandahåller ett enkelt sätt att begränsa strömrusning vid uppstart med hjälp av en fyrkantsvåg på Pulse-stiftet. (Bildkälla: TRACO Power)

Genom att ansluta kretsen för aktiv begränsning av strömrusning till Pulse-stiftet begränsas strömrusningen på ett effektivt sätt (figur 8). Utan begränsning är strömrusningen cirka 120 A (vänster), medan den med begränsning sjunker till cirka 24,5 A (höger).

Figur 8: Genom att driva omvandlarnas krets för aktiv begränsning av strömrusning med Pulse-stiftet minskas strömrusningen med faktor fem. Här visas ett exempel med en V_in på 72 V. Den horisontella skalan till vänster är 50 V/skalsteg och den högra är 10 V/skalsteg, med en skala för givaren på 1 V = 1 A. (Bildkälla: TRACO Power)

Sammanfattning

DC/DC-omvandlare för järnvägstillämpningar med lägre spänning måste göra mer än att bara tillhandahålla tillförlitlig, konsekvent effektivitet. De måste vara kompakta, lätta att hantera och driftsätta, kunna anpassas till en mängd olika tillämpningar, tåla att arbeta i tuffa miljöer och kunna uppfylla en lång rad utmanande standarder och bestämmelser avseende elektronik, värme och mekanik. Som synes klarar TEP 150UIR och TEP 200UIR från TRACO Power uppgiften då de har funktioner som inkluderar ett stort inspänningsområde, med förhållandet 12:1, från 14 till 160 V_DC, ett stift för hålltid för att ladda kondensatorer som levererar energi vid spänningsbortfall, förmågan att klara överspänningar och många kombinationer av spänning/ström, allt i ett och samma format.