在铁路应用中使用坚固耐用的宽输入范围 DC-DC 转换器

当今铁路系统的电气化程度日益提升，从动力系统到车载功能及乘客便利设施，包括通信、安全系统、互联网接入和车载标识在内均已进入电气化。为此需要多个 DC/DC 转换器来提供电力。然而，设计团队往往难以胜任定制电源转换器的设计，因为这些转换器不仅需在铁路苛刻的电气、机械和热条件下运行，还必须满足严格的行业、法规、外形尺寸和成本要求。

解决方案在于采用多功能的现成即用型 DC/DC 转换器，这些转换器能够满足广泛的电压要求和工作条件。

本文探讨了 DC/DC 电源转换器设计人员在铁路应用中所面临的特殊要求，然后介绍了 TRACO Power 的 150 W 和 200 W DC/DC 转换器，并说明如何应用这些转换器来满足各种标准。

铁路配电

电力机车或无轨电车的典型配电路径提供了许多低电压源，这些低电压源必须来自主要的直流架空导线；对于内燃机车，主要的直流电源来自车载交流发电机/整流器。

与任何关键应用一样，铁路也有强制执行的行业标准，从多个角度定义了性能要求。铁路电子设备的主要产品标准是 EN 50155，铁路应用 - 机车车辆 - 电子设备。该标准定义了环境和服务条件、可靠性预期、安全性、设计和施工方法。另外还包括文档和测试。

其他重要标准包括：

• EN 61373，冲击和振动测试
• EN 61000-4，电磁兼容性 (EMC) 测试与计量
• EN 50121-3-2，辐射和抗扰度限制
• EN 45545-2，防火安全
• 英国铁路工业协会标准 RIA 12，拖动及运载设备的直流控制系统中瞬态浪涌保护的通用规范

即使电源转换器在仿真和工作台原型中的性能符合预期，要达到这些标准也是一项重大的设计挑战。

幸运的是，目前市场上已有符合铁路要求的标准化 DC/DC 转换器，铁路车辆制造商无需再自行设计和制造定制版本。

例如，TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列是两个类似的半砖板安装转换器系列，额定功率分别为 150 瓦和 200 瓦，效率约为 90%。这些完全封装的转换器具有增强 3,000 V_AC 输入/输出 (I/O) 隔离和内置短路、过压和过热保护功能。

这两个系列的所有成员都具有相同的连接配置和 60 mm × 60 mm × 13 mm 的封装尺寸（图 1），工作温度范围为 -40°C 至 +105°C，并符合上述标准。

图 1：TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列的所有成员具有相同的连接配置和封装尺寸 (60 mm × 60 mm × 13 mm)。（图片来源：TRACO Power）

TEP 150UIR 系列的输入电压范围极宽，从 14 V_DC 到 160 V_DC 不等，有 5 V/30 A 到 48 V/3.2 A 五种输出配对可供选择。该系列中电压最低/电流最高的型号是 TEP 150-7211UIR，可提供 5 V 电压，最大电流达 30 A。

TEP 200UIR 系列的输入和输出电压范围相同，但电流更大，从 5 V/40 A 到 48 V/4.2 A。 该系列中电压最高/电流最小的产品是 TEP 200-7218UIR，其输出电压为 48 V，电流高达 4.2 A，而 150 W 的同类产品在该电压下的电流为 3.2 A。

通过保持统一的尺寸和封装，这两个系列能够让设计人员轻松升级电路以满足不同需求，或在更换不同型号时最大限度地减少布线及布局问题。同时通过减少特殊型号的库存，还能有效简化物料管理。

该系列的三个突出特点

TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 单元具有三个突出特点：宽输入电压范围、扩展保持时间和主动涌流限制。

宽输入电压范围：典型的工业级电子设备可能满足一般的电压/电流要求，但用于轨道应用的 DC/DC 电源转换器必须能够耐受更宽范围的输入电压变化和一系列可能的标称 (V_Nom) 值（图 4）。

图 2：不同轨道应用的直流输入范围跨度非常大，特别是在分析中考虑了与标称值的允许偏差时。（图片来源：TRACO Power）

这种耐受能力包括输入电压围绕每个标称值的允许变化：

• 连续范围 = 0.7 至 1.25，× V_Nom
• 欠压 = 0.6 × V_Nom 持续 100 ms
• 浪涌 = 1.4 × 1 V_Nom 持续 1 s

要设计一个能够在 100 ms 欠压期间持续工作的电源转换器难度极高，同时持续 1 s 的浪涌会产生太多能量，无法钳位。因此，转换器必须在图 2 所示的整个范围内工作，同时留出一些安全余量。实际上，这意味着输入范围超过 2.33:1。

标称电压可能是 24 V_DC 至 110 V_DC 的任何值，这使得问题变得更为复杂。为满足这些要求，许多 DC/DC 转换器制造商提供了输入范围更宽的 4:1（通常为 43 V 至 160 V）转换器，以满足大多数应用的需要。然而，单一转换器通常无法满足所有这些要求。

为了解决这个问题，TRACO 单元支持 14 V_DC 至 160 V_DC 的超宽 12:1 输入。由于输入范围宽，系统应用工程师能够使用单个电源，提供一系列的标称系统电压。

扩展保持时间：该直流线路需要承受 ±2 kV 的快速瞬态电压，上升时间为 5 ns，下降时间为 50 ns，重复频率为 5 kHz。此外，还有 ±2 kV 的线对地浪涌和 ±1 kV 的线对线浪涌，上升时间为 1.2 μs，下降时间为 50 μs，来自指定的交流耦合源阻抗。

某些要求超出了 EN 50155 标准，要求设备能够承受来自0.2Ω 极低源阻抗的浪涌：1.5 × V_Nom 持续 1 s 和 3.5 × V_Nom 持续 20 ms。对于 110 V_DC（标称值）的系统来说，这相当于 385 V_DC 的峰值，超出了转换器的正常范围，尤其是当转换器需要在 66 V_DC 的最小欠压电压下工作时。

从如此低阻抗的来源产生大量能量，意味着瞬态电压抑制器 (TVS) 无法钳位电压。根据功率水平的不同，还需在电源输入端配置预调节器，或采用在浪涌期间切断输入的电路。DC/DC 转换器必须具备保持功能，以便在此期间维持输出。

为了解决这个问题，TRACO 单元配备了一个重要功能：BUS 引脚输出（图 3）。这个输出为电容器 (C_BUS) 充电提供了一个固定电压，使其能够为实现更长的保持时间而提供所需的能量。与在传统前端电容器保持方案中使用的电容器相比，这些电容器体积更小，成本更低。

图 3：所示为建议与 C_BUS 配合使用的输入电路，可简化扩展保持时间的实现。（图片来源：TRACO Power）

请注意，无需为输入电路添加串联二极管，因为这些转换器带有集成二极管，可以避免短路并让电容器的能量持续流入电源。

当电源电压中断时，输入电压将降至 BUS 电压，然后电容器开始放电，为电源模块提供能量。由于其功率密度相对较高，TEP 150UIR 系列和 TEP 200UIR 系列可在最高 80 V 的输入电压下提供固定的 BUS 电压。在更高的输入电压下，BUS 电压随实际输入电压线性增长（图 6）。

图 4：在输入电压不超过 80 V 的情况下，转换器提供固定的 BUS 电压；在输入电压较高的情况下，BUS 电压随输入电压线性增加。（图片来源：TRACO Power）

主动涌流限制：这解决了电源转换器的一个常见问题：当输入电压开始升高时，输入端的保持电容器会导致高涌流。这种电流会导致保险丝熔断或断路器跳闸，并使连接设备出现错误和故障。

为避免这种情况，TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列的脉冲引脚提供 12 V、1 kHz 的方波信号，可在涌流限制电路上使用（图 7）。

图 5：TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列提供了一种简单的方法，利用脉冲引脚和方波信号来限制启动时的涌流。（图片来源：TRACO Power）

通过将主动涌流限制电路连接到脉冲引脚，可以有效地限制涌流。不限制时，涌流大约为 120 A，有限制时，涌流降至大约 24.5 A。

支撑电气性能的机械因素

这些 TRACO 转换器的性能不仅取决于其电气设计，还取决于其机械设计，因为机械完整性对电气耐用性至关重要。

考虑到铁路车辆的不同位置会受到不同程度的冲击、振动和极端温度的影响，EN 61373 标准为单层或双层悬架铁路车辆（其中双层悬架最为常见）明确针对一系列特定位置规定了对应的耐受等级（图 6）。

图 6：EN 61373 标准规定了铁路车辆内外不同位置的冲击和振动标准，图中所示为双层悬挂车辆；车底位置最具挑战性。（图片来源：TRACO Power，经作者修改）

所有 TRACO 转换器均符合第 1 类 A 级和第 1 类 B 级标准，适用于有双层悬挂车辆的车轴、转向架（卡车）和底盘以上的所有区域。为实现这一目标，他们使用了本体封装，采用了重型插针实现电路板电气连接，使用了带固定螺丝的安装方案，进行了严苛于普通高低温“浸泡”测试的热冲击测试，并注重冷却模式考量等细节。

结语

铁路电源系统设计师需要可靠、通用的 DC/C 转换器，而这些转换器需结构紧凑、易于管理和部署，并能在恶劣环境下稳定运行，同时满足一系列严苛的电、热和机械监管标准。如上所示，TRACO Power 的 TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列成功应对了这些挑战，其特性包括 14 V_DC 至 160 V_DC 的 12:1 超宽输入电压范围、用于在电压骤降期间为电容器充电以提供能量的保持引脚、承受浪涌的能力，以及多种输出电压/电流配对选项，且所有这些特性均集成于单一外形尺寸中。