Specializované DC/DC převodníky řeší jedinečné výzvy poskytování napájení v drážních aplikacích

Moderní železniční systémy mají na palubě stále větší množství elektroniky pro funkce, jako je přístup k internetu pro cestující, satelitní spojení, interkomy a dorozumívací systémy („public address“, PA), navigační subsystémy, nouzové vysílačky, informační tabule, LED osvětlení, informační systémy, nabíjecí zásuvky u sedadel a další příslušenství. K dispozici musí být také subsystémy pro nabíjení baterií, protože mnoho z těchto funkcí musí být napájeno během přechodných nebo delších období výpadků napájení. Každá z těchto funkcí má jedinečné požadavky na napětí, což vede k nasazení mnoha DC/DC převodníků pro přeměnu vyššího stejnosměrného napětí na několik nižších napětí.

Konstruktéři, kteří specifikují DC/DC převodníky pro použití na železnici, však musí zajistit, aby tyto převodníky fungovaly spolehlivě ve stísněných prostorách a za obtížných podmínek elektrického, mechanického a tepelného namáhání. Musí také splňovat dlouhý seznam přísných oborových a zákonných požadavků a k úspoře času se musí snadno nasazovat.

Tento článek se stručně zabývá požadavky na DC/DC výkonové převodníky pro drážní aplikace. Poté jsou zde představeny DC/DC převodníky od společnosti TRACO Power a ukázáno, jak je lze použít ke splnění těchto požadavků.

Rozvod energie pro železnice

Typická cesta rozvodu energie pro elektrickou lokomotivu nebo trolejbus má mnohem nižší napětí odvozená z primárního stejnosměrného nadzemního trolejového zdroje. Jako u každé kriticky důležité aplikace existují závazné oborové standardy, které definují požadavky na výkon z různých úhlů pohledu.

Dominantní zákonnou specifikací pro železniční elektronická zařízení je norma EN 50155 Drážní zařízení - Elektronická zařízení drážních vozidel. Jsou v ní definovány podmínky prostředí a provozu, očekávání spolehlivosti, bezpečnost a metody návrhu a konstrukce. Zahrnuje také dokumentaci a testování.

Mezi další kritické specifikace patří:

• EN 61373 Drážní zařízení - Zařízení drážních vozidel - Zkoušky rázy a vibracemi
• EN 61000-4 pro elektromagnetickou kompatibilitu („electromagnetic compatibility“, EMC)
• EN 45545-2 Drážní aplikace - Protipožární ochrana drážních vozidel
• Norma britské Asociace železničního oboru („Railway Industries Association“, RIA) RIA 12 Obecná specifikace pro ochranu trakčního a elektronického zařízení drážních vozidel před přechodovými jevy a přepětími ve stejnosměrných řídicích systémech

Splnění těchto zákonných požadavků je velkou konstrukční výzvou, a to i v případě, že návrh výkonového převodníku typu „udělej si sám“ („do-it-yourself“, DIY) funguje tak, jak bylo zamýšleno během simulace a jako prototyp na zkušební stolici. Naštěstí není nutné používat DIY přístup. K dispozici jsou již připravené standardní DC/DC převodníky specifické pro danou aplikaci, které splňují drážní požadavky.

Například řady TEP 150UIR / TEP 200UIR jsou dvě podobné řady převodníků s pouzdrem typu Half-Brick pro montáž na desku o výkonu 150 a 200 wattů. Mají zesílenou izolaci vstupů/výstupů („input/output“, I/O) 3 000 V _AC a vestavěnou ochranu proti zkratu, přepětí a přehřátí.

Všichni zástupci těchto dvou řad mají stejnou konfiguraci připojení a velikost pouzdra 60 mm × 60 mm × 13 mm (obrázek 1). Jejich účinnost je přibližně 90 %.

Obrázek 1: Všichni zástupci řad TEP 150UIR a TEP 200UIR mají stejnou velikost a tvarový faktor krytu. (Zdroj obrázku: společnost TRACO Power)

Řada TEP 150UIR pracuje s extrémně širokým rozsahem vstupního napětí od 14 do 160 V_DC a je k dispozici v pěti výstupních párech v rozsahu od 5 V / 30 A do 48 V / 3,2 A (obrázek 2).

Obrázek 2: Řada TEP 150UIR je k dispozici s jmenovitým napětím/proudem v rozsahu od 5 V / 30 A do 48 V / 3,2 A. (Zdroj obrázku: společnost TRACO Power)

Nejnižší napětí / nejvyšší proud z této řady má model TEP 150-7211UIR, který může dodávat až 30 A při 5 V.

Řada TEP 200UIR má stejný rozsah vstupního a výstupního napětí, ale vyšší proudy v rozmezí od 5 V / 40 A do 48 V / 4,2 A (obrázek 3).

Obrázek 3: Řada TEP 200UIR nabízí o 33 % vyšší výkon při stejných hodnotách výstupního napětí, ale vyšších výstupních proudech. (Zdroj obrázku: společnost TRACO Power)

Nejvyšší napětí / nejnižší proud z této řady má model TEP 200-7218UIR, který může při tomto napětí dodat až 4,2 A při 48 V ve srovnání s 3,2 A u jeho 150W protějšku.

Při zachování společné velikosti a půdorysu mohou uživatelé snadno upgradovat obvod tak, aby vyhovoval různým potřebám, nebo používat různé desky s minimálními problémy s kabeláží a uspořádáním. Mohou také zjednodušit zásoby tím, že budou skladovat méně jedinečných modelů.

Tři klíčové vlastnosti

Zařízení TEP 150UIR a TEP 200UIR nabízejí tři výjimečné vlastnosti: široký rozsah vstupního napětí, delší dobu udržení v chodu a aktivní omezení náběhového proudu.

1)Široký rozsah vstupního napětí: Typická průmyslová elektronika může splňovat obecné požadavky na napětí/proud, ale DC/DC výkonové převodníky pro tuto aplikaci musí odolávat mnohem širším změnám vstupního napětí a rozsahu možných jmenovitých hodnot (obrázek 4).

Obrázek 4: Vstupní rozsahy stejnosměrného proudu pro různé drážní aplikace pokrývají extrémně široký rozsah, zvláště když jsou v analýze zohledněny přípustné odchylky od jmenovitých hodnot. (Zdroj obrázku: společnost TRACO Power)

To zahrnuje povolené odchylky vstupního napětí kolem každé jmenovité hodnoty:

• Spojitý rozsah = 0,7 až 1,25, × V_NOM
• Dočasný pokles napětí („brownout“) = 0,6 × V_NOM po 100 ms
• Rázová vlna = 1,4 × V_NOM po jednu sekundu

Navrhnout výkonový převodník, který dokáže zvládat výpadky po dobu 100 ms, je obtížné, zatímco rázové vlny trvající jednu sekundu mají příliš velkou energii na sevření. Převodník proto musí pracovat v celém rozsahu uvedeném na obrázku 4, přičemž musí zahrnovat určitou bezpečnostní rezervu. V praxi to znamená vstupní rozsah větší než 2,33:1.

Situaci komplikuje, že jmenovité napětí může být kdekoli od 24 V_DC do 110 V_DC. Mnoho výrobců DC/DC převodníků splňuje tyto požadavky tím, že nabízí převodníky s širším vstupním rozsahem 4:1 (typicky 43 až 160 V), aby pokryly většinu aplikací, ale jeden převodník obvykle nedokáže všechny tyto požadavky splnit.

K vyřešení tohoto problému podporují zařízení TRACO ultraširoký vstup 12:1 – 14 až 160 V_DC. Tento rozsah umožňuje systémovému aplikačnímu technikovi, aby se zaměřil na řadu jmenovitých systémových napětí s jediným napájecím zdrojem.

2)Delší doba udržení v chodu: Stejnosměrné vedení je vystaveno rychlým přechodům ±2 kV s dobou náběhu 5 ns, dobou poklesu 50 ns a opakovací frekvencí 5 kHz. Dochází také k rázovým vlnám ±2 kV vedení-zem a ±1 kV vedení-vedení s dobou náběhu 1,2 μs a dobou poklesu 50 μs z definované impedance zdroje spojeného střídavým proudem.

Některé požadavky jdou nad rámec normy EN 50155 a vyžadují odolnost vůči rázovým vlnám až 1,5 × V_NOM po jednu sekundu a 3,5 × V_NOM po dobu 20 ms z extrémně nízké impedance zdroje 0,2 Ω. Pro systém s (jmenovitým) napětím 110 V_DC to odpovídá špičkové hodnotě 385 V_DC, což je mimo normální rozsah převodníku, zejména pokud potřebuje pracovat až do minima 66 V_DC při dočasném výpadku („brownout“).

Energie dostupná z takového zdroje s nízkou impedancí znamená, že napětí nemůže být sevřeno tlumičem přechodového napětí („transient voltage suppressor“, TVS). V závislosti na úrovni výkonu je nutný předregulátor na napájecím vstupu nebo obvod, který vypíná vstup po dobu trvání rázové vlny. K udržení výstupu během této doby je v DC/DC převodníku nezbytná funkce udržení v chodu.

K vyřešení tohoto problému přicházejí zařízení TRACO s důležitou funkcí v podobě výstupu pinu sběrnice. Tento výstup poskytuje pevné napětí k nabíjení kondenzátoru, což umožňuje kondenzátoru poskytovat energii potřebnou pro delší dobu udržení v chodu (obrázek 5). Tyto kondenzátory jsou podstatně menší a levnější než kondenzátory používané v konvenčním schématu udržení v chodu front-endového kondenzátoru.

Obrázek 5: Toto je doporučený vstupní obvod pro použití s kondenzátorem sběrnice C_BUS ke zjednodušení implementace delší doby udržení v chodu. (Zdroj obrázku: společnost TRACO Power)

Všimněte si, že do vstupního obvodu není nutné přidávat sériovou diodu, protože tyto převodníky mají integrovanou diodu, aby se zabránilo zkratu a aby energie z kondenzátoru proudila do napájecího zdroje.

Když dojde k přerušení napájecího napětí, vstupní napětí klesne na napětí sběrnice, než se začnou vybíjet kondenzátory, aby dodaly energii napájecímu modulu. Vzhledem k jejich relativně vysoké hustotě výkonu mohou řady TEP 150UIR a TEP 200UIR poskytovat pevné napětí sběrnice při vstupním napětí až 80 V. Při vyšším vstupním napětí se napětí sběrnice zvyšuje lineárně se skutečným vstupním napětím (obrázek 6).

Obrázek 6: Převodníky poskytují pevné napětí sběrnice při vstupním napětí až 80 V. Při vyšším vstupním napětí se napětí sběrnice zvyšuje lineárně se skutečným vstupním napětím. (Zdroj obrázku: společnost TRACO Power)

3)Aktivní omezení náběhového proudu: Řeší běžný problém s výkonovými převodníky: Když začne vstupní napětí stoupat, kondenzátory udržení v chodu na vstupní svorce způsobí vysoký náběhový proud. To může spálit pojistku nebo vypnout obvod a způsobit chyby a závady v připojených zařízeních.

Aby se tomu zabránilo, impulzní pin z řady TEP 150UIR a TEP 200UIR poskytuje signál se čtvercovou vlnou 12 V, 1 kHz, který lze použít v obvodu omezení náběhového proudu (obrázek 7).

Obrázek 7: Řady TEP 150UIR a TEP 200UIR nabízejí jednoduchý způsob omezení náběhového proudu při spouštění pomocí impulzního pinu se čtvercovou vlnou. (Zdroj obrázku: společnost TRACO Power)

Připojením obvodu aktivního omezení náběhového proudu k impulznímu pinu je účinně omezen náběhový proud (obrázek 8). Bez omezení je náběhový proud přibližně 120 A (vlevo), zatímco s omezením klesne na přibližně 24,5 A (vpravo).

Obrázek 8: Řízení obvodu aktivního omezení náběhového proudu převodníků s impulzním pinem snižuje náběhový proud pětinásobně. Zde je zobrazen příklad s V_in 72 V. Horizontální stupnice vlevo má 50 V / dílek a vpravo 10 V / dílek s faktorem měřítka převodníku 1 V = 1 A. (Zdroj obrázku: společnost TRACO Power)

Závěr

DC/DC převodníky pro nízkonapěťové drážní aplikace musejí nabízet více než jen poskytovat spolehlivý a konzistentní výkon. Musí být kompaktní, snadno ovladatelné a nasaditelné, přizpůsobené rozmanité řadě aplikací, schopné provozu v náročných prostředích a schopné splňovat dlouhý seznam náročných elektrických, tepelných a mechanických zákonných norem a mandátů. Jak je uvedeno, řady TEP 150UIR a TEP 200UIR společnosti TRACO Power splňují tento úkol díky funkcím, které zahrnují široký rozsah vstupního napětí 12:1 od 14 do 160 V_DC, pin udržení v provozu k nabíjení kondenzátorů pro dodávku energie při výpadcích napětí, schopnost odolávat rázovým vlnám a četné párování výstupního napětí/proudu, to vše v jediném tvarovém faktoru.