針對鐵路應用採用耐用型寬輸入範圍 DC-DC 轉換器

鐵路系統正逐漸電氣化，從傳動系統一直到車載功能及乘客便利設施都包含在內。這些包括通訊、安全、網際網路存取與車載指標。要提供相關電力，就需要多個 DC/DC 轉換器。然而，設計團隊並不具備針對鐵路環境中嚴苛的電氣、機械及熱條件量身設計電源轉換器的能力，更何況還要符合嚴格的產業、法規、外型尺寸及成本要求。

解決之道就是採用多功能、現成的 DC/DC 轉換器，以滿足多種電壓需求和工作條件。

本文將探討設計人員針對鐵路應用的DC/DC 電源轉換器所要符合的獨特要求。接著會介紹 TRACO Power 的 150 W 與 200 W DC/DC 轉換器，並說明其符合標準的應用方式。

鐵路配電

電力機車或電車頭的典型配電路徑可提供多個較低電壓的電源，而這些電源必須由主要的 DC 高架電車線衍生而來；若是柴油機車，主要的 DC 電力則來自車載的發電機／整流器。

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產品標準就是 EN 50155：鐵路應用 - 軌道車輛 - 電子設備。此標準可制訂環境和服務條件、可靠度的期望、安全性，以及設計與建構方式。另外，還包括文件和測試。

其他關鍵標準包括：

• EN 61373：衝擊與振動測試
• EN 61000-4：電磁相容性 (EMC) 的測試與量測
• EN 50121-3-2：排放與耐受性限制
• EN 45545-2：消防安全
• 英國鐵路產業協會標準 RIA 12：保護牽引機和軌道車輛電子設備免於 DC 控制系統暫態和突波影響的一般規範

即使電源轉換器在模擬過程及工作台原形階段均可依預期運作，但要符合這些標準，仍是一大設計挑戰。

幸好，目前已有符合鐵路需求的標準 DC/DC 轉換器，因此鐵路車廂製造商無需自行設計並打造客製化版本。

舉例而言，TEP 150UIR 與 TEP 200UIR 系列就是兩種類似的半磚型板安裝轉換器，額定功率分別為 150 與 200 W，效率約為 90%。這些全密閉式轉換器均具備增強的 3,000 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)，工作溫度介於 -40°C 至 +105°C，可符合上述標準。

圖 1：TEP 150UIR 與 TEP 200UIR 系列的所有產品皆採用相同的連接配置及封裝尺寸 (60 mm × 60 mm × 13 mm)。(圖片來源：TRACO Power)

TEP 150UIR 系列能以 14 V_DC 至 160 V_DC 的極寬廣輸入電壓範圍運作，並提供五種輸出組合，範圍從 5 V/30 A 至 48 V/3.2 A。此系列中電壓最低、電流最高的型號是 TEP 150-7211UIR，可輸出 5 V，最高電流達 30 A。

TEP 200UIR 系列具有相同的輸入和輸出電壓範圍，但電流更高，範圍從 5 V/40 A 到 48 V/4.2 A。 該系列中電壓最高、電流最低的型號是 TEP 200-7218UIR，能夠輸出 48 V、最高 4.2 A，相較於其 150 W 同類產品，在相同電壓下僅能輸出 3.2 A。

這兩個系列維持共用的尺寸和覆蓋區，就能讓設計人員升級電路以因應不同的需求，或採用不同板件，但僅有最少的佈線與佈局問題。此外，還可減少獨特型號的庫存，藉此簡化倉儲作業。

此系列的三大傑出特點

TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 產品具有三大傑出特點：寬廣的輸入電壓範圍、較長的維持時間和主動式湧入電流限制。

寬廣的輸入電壓範圍：典型的工業級電子產品可符合一般的電壓／電流要求，但鐵路用的 DC/DC 電源轉換器必須可承受更廣大的輸入電壓變化，以及各種可能的標稱值 (V_Nom) (圖 2)。

圖 2：不同軌道應用的 DC 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)

這容差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 1 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 1 秒的突波，能量太大而無法箝制。因此，轉換器必須在圖 2 所示的整個範圍內運作，並可保有一些安全餘裕。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 轉換器製造商符合這些要求的做法是，提供具有 4:1 更寬廣輸入範圍 (通常為 43 V 至 160 V) 的轉換器，以涵蓋大多數應用。然而，單一轉換器通常無法滿足所有需求。

為了解決這個問題，TRACO 的產品可支援 14 V_DC 至 160 V_DC 的 12:1 超寬廣輸入範圍。憑藉此範圍，系統應用工程師就可使用單一電源供應器涵蓋一系列標稱系統電壓。

較長的維持時間：DC 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 AC 耦合電源阻抗下，還有 ±2 kV 的線路對接地和 ±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 的範疇，而且要求在極低的 0.2 Ω 電源阻抗下，對高達 1.5 x V_Nom 突波要有 1 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) 的系統來說，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大量能量下，電壓無法單靠暫態電壓抑制器 (TVS) 進行箝制。可能需要在電源輸入上加裝預先穩壓器，或在突波期間用電路將輸入關閉，視功率位準而定。DC/DC 轉換器需具備維持功能，以便在這段時間內保持輸出。

為了克服此難題，TRACO 產品具有一個重要特點，就是提供 BUS 引腳輸出 (圖 3)。此輸出可提供固定電壓為電容 (C_BUS) 充電，以便提供所需能量，達到更長的維持時間。這些電容比傳統前端電容維持方案所用的電容要小得多，而且價格更便宜。

圖 3：這是建議與 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，輸入電路中並不需要串聯二極體 (D4)，因為這些轉換器具有整合式二極體可避免短路，並可阻擋電容的能量流入電源供應器。

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，向電源模組提供能量。由於功率密度相對較高，TEP 150UIR 系列和 TEP 200UIR 系列可在高達 80 V 的輸入下，提供固定的 BUS 電壓。若輸入電壓較高，BUS 電壓會隨輸入電壓線性增加 (圖 4)。

圖 4：轉換器在輸入電壓高達 80 V 下可提供固定的 BUS 電壓；若輸入電壓更高，BUS 電壓會隨輸入電壓線性增加。(圖片來源：TRACO Power)

主動式湧入電流限制：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。此電流會導致保險絲熔斷或斷路器跳脫，進而讓連接的裝置引發錯誤和故障。

為避免此情況，TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列的 Pulse 引腳皆可提供 12 V、1 kHz 的方波訊號，可用於湧入電流限制電路中 (圖 5)。

圖 5：TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列使用 Pulse 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)

將主動式湧入電流限制電路連接到 Pulse 引腳，就可有效限制湧入電流。在不受限的情況下，湧入電流約為 120 A；在受限情況下，電流會降至大約 24.5 A。

支援電氣效能的機械結構考量

這些 TRACO 轉換器的效能不僅來自於電氣設計，機械設計也有所貢獻，因為機械完整性是穩健電氣表現的關鍵。

鐵路車輛的不同位置會受到不同程度的衝擊、振動及極限溫度影響，因此都要納入考量。EN 61373 標準針對單層或雙層懸吊鐵路車輛的不同位置和對應的容差制訂一套類別，其中以雙層懸吊最為常見 (圖 6)。

圖 6：EN 61373 標準針對鐵路車輛內外部不同位置的衝擊與振動制訂規定，在此顯示具有雙層懸吊系統的車輛；底盤位置難度最高。(圖片來源：TRACO Power，經作者修改)

TRACO 的所有轉換器，在雙層懸吊車輛中，於車軸、轉向架及車底架上方的所有區域，皆符合Category 1、Class A 與 Category 1、Class B 標準。可達到此標準，是因為採用主體封裝、在電路板電氣連接處使用耐用型引腳、使用固定螺絲的安裝配置、超越單純高低溫「浸泡」的熱衝擊測試，以及重視散熱模式的細節。

結論

鐵路電力系統的設計人員需要可靠、多功能的 DC/DC 轉換器，不僅得體積小巧、容易管理和部署，更得在嚴苛環境中運作，還要面對眾多嚴格的電氣、熱能及機械相關法規標準和要求。如本文所述，TRACO Power 的 TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列能以單一外型尺寸納入眾多特點來因應難題，包括 14 V_DC 至 160 V_DC 的 12:1 寬廣輸入電壓範圍、在壓降期間對電容充電以供應能量的保持引腳、承受突波的能力，以及眾多輸出電壓／電流組合。