DCDC隔離電源在車載軌道中的應(yīng)用與選型指南

簡介：

本文介紹了軌道交通車載電子設(shè)備的供電需求與分類，，并結(jié)合《車載電子設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)》EN50155-2007要求，提出車載電子設(shè)備中的DC/DC電源模塊選型需考慮的要求，包括隔離電壓、輸入電壓范圍要求、工作溫度范圍、以及要求的EMC特性等，最后針對(duì)上述要點(diǎn)推薦了用于車載電子設(shè)備單元的隔離DC/DC電源模塊選型指導(dǎo)。

關(guān)鍵字：車載電子設(shè)備 隔離 DC/DC隔離電源模塊

中國作為擁有全世界一半以上高鐵運(yùn)營里程的國家,在“十三五”期間(2016年~2020年)，總的目標(biāo)是到2020年鐵路里程達(dá)到15萬公里，高速鐵路達(dá)到3萬公里，鐵路總規(guī)模是增加2.9萬公里，其中高速鐵路增加1.1萬公里。“十三五”高鐵規(guī)劃投資額有望突破4萬 億元，鐵路機(jī)車車輛投資額為8000億元左右。

反觀中國高鐵的國際市場，一批境外項(xiàng)目取得重大進(jìn)展，印尼雅萬高鐵、中老鐵路已經(jīng)開工建設(shè)，中泰鐵路、匈塞鐵路塞爾維亞段正式啟動(dòng)，俄羅斯莫斯科—喀山高鐵項(xiàng)目確定，充分說明了鐵路已經(jīng)成為“中國制造”的一張靚麗名片，是“一帶一路”規(guī)劃中政府力推“走出去”的重點(diǎn)。發(fā)展中國家的鐵路建設(shè)比如印度，蘊(yùn)含著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

一、車載電子設(shè)備的介紹

隨著鐵路行業(yè)的不斷發(fā)展，為了提高車載運(yùn)行的可靠性和提高乘客的舒適性，大量的電子設(shè)備被應(yīng)用于軌道交通中。車 載電子設(shè)備的供電主要是由車載輔助供電系統(tǒng)提供，輔助供電系統(tǒng)指的是除為牽引動(dòng)力系統(tǒng)之外的所有需要用電力的負(fù)載設(shè)備，包括輔助供電系統(tǒng)和蓄電池系統(tǒng)。

一般情況下，車載電子設(shè)備供電由充電機(jī)輸出作為低壓母線電源，蓄電池系統(tǒng)正常情況下向TCMS系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、無線電等系統(tǒng)進(jìn)行供電，并在充電機(jī)出現(xiàn)臨時(shí)故障等情況下，起到能量緩沖的作用。

圖1.蓄電池系統(tǒng)的供電情況

車載電子主要由TCMS系統(tǒng)(網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng))、信號(hào)系統(tǒng)、乘客咨詢廣播系統(tǒng)、空調(diào)控制系統(tǒng)等組成;各系統(tǒng)之間都是通過總線進(jìn)行供電，為了保證每個(gè)系統(tǒng)之間都能可靠的運(yùn)行工作，需要隔離電源對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行供電，從而隔離出現(xiàn)故障的車載電子設(shè)備，防止故障區(qū)域的蔓延。

大量的車載電子設(shè)備通過列車通信總線進(jìn)行互聯(lián)，駕駛員可通過車載控制器對(duì)各個(gè)車載電子系統(tǒng)進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)功能，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。車載電子設(shè)備的自動(dòng)化、智能化技術(shù)應(yīng)用，對(duì)隔離總線提出了更高的要求。

圖2.典型EMC區(qū)域與隔離系統(tǒng)接口情況

二、車載電子設(shè)備的要求

由于車載電子設(shè)備種類繁多并且存在著差異性，為了保證車載電子設(shè)備都能夠滿足鐵路車載使用的特殊要求，其產(chǎn)品必須需要滿足EN50155等標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容要求;所有車載電子設(shè)備接口均需要滿足電位差、電磁兼容、人身安全等方面的要求，并且控制外部故障而引起的失效擴(kuò)散。

標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車載電子設(shè)備的要求主要有以下方面：

1.環(huán)境要求 如海拔、溫度濕度、沖擊振動(dòng)以及IP等級(jí)要求;

2.電氣要求 如電源需求、電氣隔離等;

3.浪涌和靜電放電需求;浪涌試驗(yàn)主要是過電壓需求試驗(yàn)，最大需要承受1.4倍常規(guī)電壓需求;

4.EMC要求;包括CE、RE以及CS、RS、Surge、EFT、ESD等要求，對(duì)于不同的接口部分，采用不同的等級(jí)要求;如圖2所示。

5.對(duì)裝置的可靠性、可維修性和預(yù)估的使用壽命;如可維修性驗(yàn)證：采用指示燈進(jìn)行指示，定位故障發(fā)生點(diǎn)，方便進(jìn)行維修;如可靠性運(yùn)行驗(yàn)證，運(yùn)行里程不少于10W公里，運(yùn)行時(shí)間不少于1年等要求;

6.其他要求：如對(duì)于供電中斷、跌落等要求，一般模塊電源設(shè)計(jì)難滿足10mS中斷需求，尤其是對(duì)于低壓輸入產(chǎn)品，需要增加外圍輸入輸出電容滿足客戶需求;如對(duì)于蓄電池的短路保護(hù)措施，一般采用防反二極管或者機(jī)械設(shè)計(jì)來規(guī)避此方面的失效。

三、車載電子設(shè)備的電源選型

隔離電源作為防止故障擴(kuò)散的方法之一，在車載電子設(shè)備中起著重要的作用;但是車載在運(yùn)行過程中，存在著各種狀態(tài)，如劇烈的振動(dòng)狀態(tài);劇烈的外界環(huán)境溫度變化率等情況出現(xiàn);普通常規(guī)的工業(yè)級(jí)電源很難滿足其使用要求;那么車載電路電源需要要求呢?

1.沖擊和振動(dòng)：

由于鐵路運(yùn)行環(huán)境的性質(zhì)，鐵道車輛會(huì)受到?jīng)_擊和振動(dòng)。對(duì)于安裝在鐵道車輛上的電子設(shè)備必須進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)要求。對(duì)于電源模塊來說，采用灌膠固定PCB板載元器件的方法，可有效增強(qiáng)其抗振動(dòng)和沖擊的能力。

如金升陽鐵路電源R3系列產(chǎn)品可完全滿足振動(dòng)10~55Hz 10g 30Min along X Y Z要求。

車載蓄電池的額定供電電壓主要有以下幾種：24V、48V、72V、96V、110V等5種規(guī)格;由于輔助設(shè)備啟動(dòng)或者感性負(fù)載進(jìn)行切換，會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓或者低電壓出現(xiàn);電源設(shè)計(jì)的輸入電壓參數(shù)能夠在0.6VN和1.4VN電壓范圍內(nèi)正常工作;并且電源廠家都會(huì)兼容多個(gè)車載蓄電池電壓等級(jí)。

如1.金升陽鐵路電源產(chǎn)品URB1D24YMD-6WR3，輸入電壓范圍為40VDC~160VDC，可兼容車載蓄電池72VDC、96VDC、110VDC三個(gè)供電電壓等級(jí)。

2.隔離電氣要求：

車載電子設(shè)備的介電試驗(yàn)(耐壓試驗(yàn))的試驗(yàn)電壓與車載蓄電池的供電電壓相關(guān)，其相關(guān)要求如下：

表1.隔離耐壓與蓄電池電壓關(guān)系

對(duì)于車載電子設(shè)備的供電類型不確定的話，比如110V蓄電池可能浮沖至125V以上情況出現(xiàn)或者低壓變壓器可能會(huì)產(chǎn)生大于125V電壓;建議采用1500VAC隔離的使用要求，可滿足瞬時(shí)過電壓時(shí)的電氣隔離要求;如金升陽鐵路電源產(chǎn)品6WR3，可滿足1500VAC/2250VDC的電氣隔離要求;

3.溫度和濕度要求：

為了滿足長途鐵道機(jī)車的溫度 變化范圍和濕度范圍要求，要求車載電源要求滿足環(huán)境溫度-40℃~85℃的使用要求，需要通過高低溫循壞和濕熱交變等可靠性型式試驗(yàn)驗(yàn)證。金升陽鐵路電源產(chǎn)品，均按照嚴(yán)格的質(zhì)量管控體系進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，可通過鐵路要求的型式可靠性試驗(yàn)。

4.特殊浪涌要求：

每個(gè)國家對(duì)特殊浪涌的要求不一致，例如：英國鐵路標(biāo)準(zhǔn)RIA12《拖動(dòng)及運(yùn)載設(shè)備的直流控制系統(tǒng)中瞬態(tài)浪涌保護(hù)的通用規(guī)范》(海外這句話，可以刪除了;或者FAE提供標(biāo)準(zhǔn)英文版名稱)，要求與供電電源蓄電池連接的電子設(shè)備，必須能夠經(jīng)受兩種波形：一種是1S 1.5倍輸入電壓波形另外一種波形是3.5倍輸入電壓，持續(xù)時(shí)間20mS的浪涌電壓，該浪涌脈沖電壓的源阻抗為0.2Ω，如果考慮供電蓄電池額定電壓為110VDC，那么如果只是采用單一的鉗壓器件進(jìn)行防護(hù)，很難吸收(設(shè)鉗位電壓VC為160VDC)高達(dá)=2475J的能量，一般瞬時(shí)鉗壓抑制器件很難滿足要求，需要專門的電路或者模塊來滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。金升陽輔助濾波器采用串聯(lián)導(dǎo)通功率器件形成有源鉗位電路，將瞬態(tài)的浪涌電壓鉗位至鐵路電源可承受的電壓范圍之內(nèi)。如輔助器FC-CX3D，輸入電壓范圍66VDC~160VDC，輸出最大功率為100W，最大的限制鉗位電壓為165VDC;采用專利電路--有源鉗位電路，可實(shí)現(xiàn)最大98%的效率。

5.其他方面需求：

對(duì)于供電中斷、跌落等要求，一般模塊電源設(shè)計(jì)難滿足10mS中斷需求，需要增加外圍輸入輸出電容滿足客戶需求。

四、小結(jié)

本文通過分析車載電子設(shè)備的要求，進(jìn)而為軌道交通車載電子設(shè)備DCDC隔離電源模塊正確選型做出指導(dǎo)，對(duì)于鐵路模塊電源可靠使用具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1].BS EN50155:2007 Railway applications -- Electronic equipment used on rolling stock

[2].GB/T 25119-2010 軌道交通 機(jī)車車輛電子裝置

[3].TB/T 3021-2001 鐵道機(jī)車車輛電子裝置

[4].IEC61373-1999 鐵道車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)