專用 DC/DC 轉換器可因應鐵路電力傳輸的獨特挑戰

現代化鐵路系統中用來提供功能的車載電子配備越來越多，例如乘客網際網路連線、衛星連線、對講機和公共廣播 (PA) 系統、導航子系統、緊急無線電、訊號告示板、LED 照明、資訊系統、座椅充電插座和其他配件。此外還有電池充電的子系統，因為其中許多功能必須在瞬間供電空檔或長時間斷電期間獲得供電，以確保持續運作。每一項功能都有獨特的電壓要求，因此必須部署許多 DC/DC 轉換器，將較高的直流電壓轉換成多道較低的電壓。

然而，設計人員若指明要在鐵路中使用 DC/DC 轉換器，則需要確保這些轉換器能在嚴苛的電氣、機械和熱應力條件下，於狹窄的空間內穩定運作。此外，這些轉換器還必須符合一連串嚴格的產業和法規要求，還必須輕鬆部署，以節省時間。

本文將簡要探討鐵路應用的 DC/DC 電源轉換器要求。然後會介紹 TRACO Power 的 DC/DC 轉換器，並說明其應用方式以符合要求。

鐵路配電

電動火車頭或電車的典型配電路徑具有許多較低的電壓，而這些電壓則來自於主要直流架空懸垂電源。與任何關鍵應用一樣，有多種強制性的產業標準，可針對多個層面制訂效能要求。

鐵路電子設備的主要法規要求是 EN 50155：鐵路應用 - 鐵路車輛 - 電子設備。此規範制訂環境和服務條件、可靠性期望、安全性以及設計與建構方式。另外，還包括文件和測試。

其他關鍵規範包括：

• EN 61373：鐵路應用 - 鐵路車輛設備 - 衝擊和振動測試
• EN 61000-4：電磁相容性 (EMC)
• EN 45545-2：歐洲鐵路消防安全標準
• 英國鐵路產業協會標準 RIA 12：保護牽引機和鐵路車輛電子設備免於直流控制系統暫態和突波影響的一般規範

即使自助式 (DIY) 電源轉換器在模擬過程中及原形台上均可按預期要求運作，但滿足這些法規要求，也是一項重大的設計挑戰。所幸，無需採用 DIY 作法。符合鐵路要求的現成、應用特定的標準 DC/DC 轉換器，目前已在市面上推出。

例如，TEP 150UIR/TEP 200UIR 系列就提供兩種類似的半磚板式安裝轉換器，額定功率分別為 150 W 與 200 W。兩者均具備增強的 3,000 V 交流 (V_AC) 輸入／輸出 (I/O) 隔離，並內建短路、過壓和過溫保護功能。

這兩個系列的所有產品都具有相同的連接配置，並採用 60 mm × 60 mm × 13 mm 封裝尺寸 (圖 1)。效率大約為 90%。

圖 1：TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列的所有產品都具有相同的外殼尺寸和外形尺寸。(圖片來源：TRACO Power)

TEP 150UIR 系列可在直流 14 至 160 V_DC 的極寬廣輸入電壓範圍內運作，並提供 5 種輸出配對，從 5 V/30 A 至 48 V/3.2 A (圖 2)。

圖 2：TEP 150UIR 系列的電壓／電流額定值範圍介於 5 V/30 A 至 48 V/3.2 A。(圖片來源：TRACO Power)

TEP 150-7211UIR 是此系列中電壓最低／電流最高的一款產品，可在 5 V 下提供高達 30 A 的電流。

TEP 200UIR 系列具有相同的輸入和輸出電壓範圍，但電流更高，介於 5 V/40 A 至 48 V/4.2 A 之間 (圖 3)。

圖 3：TEP 200UIR 系列提供的功率多出 33%，輸出電壓值相同，但輸出電流更高。(圖片來源：TRACO Power)

TEP 200-7218UIR 是此系列中電壓最高／電流最低的一款產品，可在 48 V 下提供高達 4.2 A 的電流；相較之下，150 W 的產品，在此電壓下僅能提供 3.2 A。

維持通用尺寸和覆蓋區，使用者就可輕鬆升級電路以處理不同需求，或使用不同的電路板，將佈線和佈局問題減至最少。此外，還可藉由減少獨特型號的庫存來簡化倉儲作業。

三大特點

TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 單元提供三個傑出特點：寬廣的輸入電壓範圍、較長的維持時間和主動湧入電流限制。

1) 寬廣輸入電壓範圍：典型的工業級電子產品可符合一般的電壓／電流要求，但用於此應用的 DC/DC 電源轉換器必須可承受更寬廣的輸入電壓變化和各種可能的標稱值 (圖 4)。

圖 4：不同軌道應用的直流輸入範圍極為廣泛，特別是在分析中考量到允許的標稱值偏差時。(圖片來源：TRACO Power)

這包括在各標稱值附近的可允許輸入電壓變化：

• 連續範圍 = 0.7 至 1.25 × V_NOM
• 暫時低壓 = 0.6 × V_NOM 持續 100 ms
• 突波 = 1.4 × V_NOM 持續一秒

要設計能撐過 100 ms 暫時低壓的電源轉換器並不容易，而持續一秒的突波有太多能量，因而無法箝位。因此，轉換器必須在圖 4 所示的整個範圍內運作，同時還保有一些安全餘裕。事實上，這表示輸入範圍超過 2.33:1。

更為複雜的是，標稱電壓可能介於 24 V_DC 至 110 V_DC 之間。許多 DC/DC 轉換器製造商為了符合要求，因此提供輸入範圍更寬廣的 4:1 (通常為 43 至 160 V) 轉換器，以便因應大多數應用，但單一轉換器通常無法滿足所有應用。

為了解決這個問題，TRACO 單元可支援 14 至 160 V_DC 的 12:1 超寬廣輸入。此範圍能讓系統應用工程師使用單一電源供應器，就可因應一系列標稱系統電壓。

2) 較長的維持時間：直流線路須承受 ±2 kV 的快速暫態，上升時間為 5 ns，下降時間為 50 ns，重複率為 5 kHz。此外，在已定義的交流耦合源阻抗下，還有 ±2 kV 的線路接地和 ±1 kV 線間突波，上升時間為 1.2 μs，下降時間為 50 μs。

某些要求超出了 EN 50155 的範圍，而且要求在極低的 0.2 Ω 源阻抗下，對高達 1.5 x V_NOM 突波要有一秒的耐受性；對 3.5 × V_NOM 的突波要有 20 ms 的耐受性。對於 110 V_DC (標稱) 的系統，這相當於 385 V_DC 的峰值，而此值超出了轉換器的正常範圍，特別是轉換器需在最低 66 V_DC 的暫時低壓下維持運作時。

在此低阻抗電源提供的能量下，電壓無法被暫態電壓抑制器 (TVS) 所箝位。視功率位準而定，需在電源供應器輸入上預裝穩壓器，或在突波期間以電路將輸入關閉。DC/DC 轉換器需具備維持功能，以便在這段時間內保持輸出。

為了符合此要求，TRACO 單元搭載一個重要特色，就是提供 BUS 引腳輸出。此輸出可提供固定電壓對電容充電，以便電容提供更長維持時間所需的能量 (圖 5)。這些電容比傳統前端電容維持方案中使用的電容要小得多，而且價格更便宜。

圖 5：這是建議與匯流排電容 C_BUS 搭配使用的輸入電路，可簡化延長維持時間的實作。(圖片來源：TRACO Power)

請注意，不需要在輸入電路中增加串聯二極體，因為這些轉換器具有整合式二極體可避免短路，並可確保電容的能量持續流入電源供應器。

當電源電壓中斷時，輸入電壓會降至 BUS 電壓，接著電容才會開始放電，向電源模組供電。由於功率密度相對較高，TEP 150UIR 系列和 TEP 200UIR 系列提供的固定 BUS 電壓最高可達 80 V 輸入電壓。在輸入電壓較高時，BUS 電壓會隨實際的輸入電壓線性增加 (圖 6)。

圖 6：轉換器在高達 80 V 輸入電壓下提供固定的 BUS 電壓；在輸入電壓較高時，BUS 電壓會隨著實際輸入電壓線性增加。(圖片來源：TRACO Power)

3) 主動湧入電流限制：此特點可解決電源轉換器的一個常見問題：當輸入電壓開始上升時，輸入端子處的維持電容會引發高湧入電流。如此一來，可能會讓保險絲熔斷或電路跳電，並導致連接的裝置出現錯誤和故障。

為避免此情況，TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列的脈衝引腳皆可提供 12 V、1 kHz 的方波訊號，以用於湧入電流限制電路 (圖 7)。

圖 7：TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列使用脈衝引腳搭配方波訊號，就能以簡單的方法在啟動時限制湧入電流。(圖片來源：TRACO Power)

藉著將主動湧入電流限制電路連接到脈衝引腳，將可有效限制湧入電流 (圖 8)。在不受限的情況下，湧入電流約為 120 A (左)；在受限情況下，電流可降到 24.5 A (右)。

圖 8：使用脈衝引腳驅動轉換器的主動湧入電流限制電路，可讓湧入電流減少五倍。在此顯示 V_in 為 72 V 的範例。左側的水平刻度為 50 V／格，右側為 10 V／格，傳感器標度因子為 1 V = 1 A。(圖片來源：TRACO Power)

結論

較低電壓鐵路應用的 DC/DC 轉換器，並非單純提供可靠、一致的電源效能而已。還要小巧緊湊、容易管理及部署、可因應各種應用、能在嚴酷環境中運作，並且能符合一連串高難度的電氣、散熱和機械法規標準和要求。如本文所示，TRACO Power 的 TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列以單一外形提供多種特點，可以符合這些任務要求，其中包括 14 至 160 V_DC 的 12:1 寬廣輸入電壓範圍；在壓降期間對電容供電的維持引腳；能承受突波，以及眾多輸出電壓／電流配對的能力。