铁路可能被视为DC/DC转换器*苛刻的应用,标称系统电压的变化可在24和110VDC之间。根据EN 50155-2017“铁路应用-机车车辆上使用的电子设备” ,标称电压可以有+25%/-30%的变化,电压可以低至标称电压的60%,而浪涌可以高达140%。图1结了可看到的电压范围。根据该标准,持续100ms的浪涌和电压骤降到特定水平不应导致 “功能偏差” ,浪涌长达一秒的情况下可允许性能稍微下降。至于功率转换器,很难说下游设备可接受的降级的程度,因此事实上DC/DC需要在140%的*浪涌水平下长期地正常工作。
图1:EN 50155-2017铁路应用不同标称电压的电源电压范围
图1显示DC/DC转换器的“标准”4:1输入范围,说明某些部件可以符合一些铁路要求,而能够应对所有变化的理想转换器则需要10:1或更宽的输入范围。
一些铁路应用仍然需要符合RIA 12标准,这是一个旧标准,必须承受大于标称电压3.5倍的浪涌,浪涌持续时间为20ms。对110V系统来说这等于是385V的峰值,DC/DC输入范围很难达到或让瞬态抑制器吸收。源阻抗仅0.2欧姆,因此如果它被箝制到160V,瞬态抑制器的耗散功率峰值将是难以控制的180kW。RECOM[1] 的一种有效方法是用串联MOSFET来 “预调节” 电源,增加一个定时关断机制,如果浪涌持续发生MOSFET的功耗也不会过额定值。这个方案可以作为预制浪涌抑制器的模块来处理高达300W的连续负载,也可作为分立器件使用,如图2所示。
图2:RIA 12应用的 “浪涌抑制器”设计图(文献来源RECOM)
轨道应用中的DC/DC转换器通常还需要承受EN 61000-4-x标准中定义的快速瞬态过电压。这些能量相对较低,因此简单的LC滤波器和瞬态抑制器就足够了。EN 50155还将电源中断定义成S1、S2和S3三个类别,*坏的情况是标称输入电压中断20ms但不会对性能造成影响。这通常需要DC/DC转换器外接保持电容。
跟其他大多数的应用相比,铁路车辆的设备也受到更高的冲击和振动。EN 61373标准在不同区域定义了等级,从3类安装在车轴到1类安装在车厢。在所有情况下,转换器的结构都需要坚固耐用,PCB喷上涂层并加以灌封来*限度地减少机械应力、防止潮湿。
RECOM的DC/DC转换器系列及新收购的Power Control Systems [2]公司提供符合铁路EN 50155要求的许多产品,从额定8W SMD、DIP24零件到具有宽12:1输入范围、涵盖所有的标称电压的240W砖型转换器。RECOM还提供符合EN 50155和RIA 12要求的滤波电路参考设计[3],以及常用于轨道旁边的高达10kW三相AC输入电源。
其他工业运输应用可能有类似铁路的要求
宽范围的电池输入电压也适用于其他的应用如电动叉车、混合动力汽车或UPS系统。电池标称电压在12到48V之间,但是重负荷电机在 “负载突降” 时充电电压和浪涌,会将12V系统的*电压提高到42V甚至更高(图3)。48V系统中的电压相对更高,但是当60V被定义为* “安全” 电压时,可以使用如图2的浪涌抑制器电路将DC/DC输入电压钳位到*60V。在这种安全的特低电压下,DC/DC的绝缘系统可为 “功能隔离” ,而不需要取得机构的更高级别的。在 “冷启动” 的情况下,低电压宽输入范围DC/DC是一个好方案。由于*终用途的环境无法得到很好地控制、比如,行驶在轨道上的列车,车辆位置无法确定,因此建议使用坚固耐用的器件以确保可靠性。随着电子技术进入农业和所有重型工业车辆,对宽输入范围和坚固结构的要求也是一样的。
图3:12V车辆应用中的浪涌电压(来自LV124)
汽车电源电压明确定义
道路车辆的电源电压是非常明确的,由德国汽车制造商在2013年制定的LV124是12V系统的通用标准。图3为常见的电压,转换器需要在过4: 1输入范围内可靠工作。虽然不同的制造商有自己的解释和要求,但标准ISO 7637-2也适用于高压瞬态。可以施加高达-150V负瞬态持续2ms以及正电压如+150V持续150ns。负脉冲是由并联电感负载断电所产生的。瞬态具有相对较低的能量,可以使用LC滤波器和瞬态抑制器加以减弱。
人们越来越关注混合动力汽车的48V DC系统,因为即将在2021年实施的法规要求新登记的乘用车的二氧化碳排放需低于每公里95克。那时市场还无法转换成全电动车,因此混合动力车是大型车辆的*选择。具有12V和48V系统电压的系统可以提供更好的燃料消耗和排放,48V电池可在必要时提供牵引力,并为油泵和水泵等周边设备供电,这在设备为电驱动时效率更高。
48V系统具有与12V系统类似的欠压和过压百分比范围,但需要考虑将电压保持在安全的60V水平以避免额外的昂贵绝缘系统。标准VDA 320定义的级别如图4所示。
图4:汽车48V系统电压等级
如果在这些系统中使用DC/DC转换器模块,对于信息娱乐或导航应用,4:1(18-72V)输入范围可能就足够了,但该模块仍必须能够承受冲击和振动的规范,以及车辆停放在寒冷的北极或炎热的热带所带来的极大温差。
模块化DC/DC转换器需要符合交通运输系统的应用规范
交通运输对DC/DC转换器的要求可以轻松地由具有长期市场经验的RECOM及姊妹公司PCS的现成解决方案满足。广泛的产品包括在铁路应用中符合EN 50155标准的宽12:1输入的模块,以及适用于汽车和工业车辆的坚固耐用的转换器。为了确保使用寿命和*性能以及满足苛刻应用的要求,RECOM的产品通过了全面的设计验证和测试,包括全部的电性能、HALT、温度循环和高温老化。