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DCDC隔离电源在车载轨道中的应用与选型指南

简介

   本文介绍了轨(gui)道交通车(che)(che)载电子设(she)备(bei)的(de)供电需求(qiu)与分类(lei),,并结合《车(che)(che)载电子设(she)备(bei)标准》EN50155-2007要(yao)(yao)求(qiu),提出(chu)车(che)(che)载电子设(she)备(bei)中(zhong)的(de)DC/DC电源模块选型需考(kao)虑的(de)要(yao)(yao)求(qiu),包括隔离电压、输入电压范围要(yao)(yao)求(qiu)、工作温度(du)范围、以(yi)及(ji)要(yao)(yao)求(qiu)的(de)EMC特性等,最后(hou)针对上述要(yao)(yao)点推荐(jian)了用于车(che)(che)载电子设(she)备(bei)单元的(de)隔离DC/DC电源模块选型指导(dao)。

关键字车载电子设备 隔离   DC/DC隔离电源模块  

    
   中国作为拥有全世界一半(ban)以上高(gao)铁(tie)(tie)(tie)运营(ying)里(li)(li)程(cheng)的(de)国家,在“十(shi)三(san)五”期间(jian)(2016年(nian)~2020年(nian)),总的(de)目标是到2020年(nian)铁(tie)(tie)(tie)路(lu)(lu)里(li)(li)程(cheng)达到15万(wan)公(gong)里(li)(li),高(gao)速(su)铁(tie)(tie)(tie)路(lu)(lu)达到3万(wan)公(gong)里(li)(li),铁(tie)(tie)(tie)路(lu)(lu)总规模是增加2.9万(wan)公(gong)里(li)(li),其中高(gao)速(su)铁(tie)(tie)(tie)路(lu)(lu)增加1.1万(wan)公(gong)里(li)(li)。“十(shi)三(san)五”高(gao)铁(tie)(tie)(tie)规划投(tou)资额有望突(tu)破4万(wan) 亿(yi)元,铁(tie)(tie)(tie)路(lu)(lu)机车(che)车(che)辆投(tou)资额为8000亿(yi)元左右。 
   反观(guan)中国高铁(tie)(tie)的国际市场,一批境外项(xiang)(xiang)目取得重大(da)进(jin)展(zhan),印尼(ni)雅万高铁(tie)(tie)、中老铁(tie)(tie)路(lu)已经开工建设,中泰铁(tie)(tie)路(lu)、匈塞铁(tie)(tie)路(lu)塞尔维亚(ya)段正式启动,俄罗斯(si)莫斯(si)科(ke)—喀山高铁(tie)(tie)项(xiang)(xiang)目确定,充分说明了(le)铁(tie)(tie)路(lu)已经成为“中国制造”的一张(zhang)靓丽名(ming)片(pian),是“一带一路(lu)”规划中政(zheng)府力(li)推“走出(chu)去(qu)”的重点(dian)。发展(zhan)中国家的铁(tie)(tie)路(lu)建设比如(ru)印度,蕴含着巨大(da)的发展(zhan)潜力(li)。
一、载电子设备的介绍
   随着(zhe)铁(tie)路(lu)行业的(de)不断发展,为了提(ti)高(gao)车(che)载(zai)运行的(de)可靠(kao)性(xing)和提(ti)高(gao)乘客的(de)舒适性(xing),大量的(de)电子(zi)设(she)(she)备(bei)(bei)被应(ying)用于轨道交(jiao)通中。车(che) 载(zai)电子(zi)设(she)(she)备(bei)(bei)的(de)供(gong)电主要(yao)是(shi)由车(che)载(zai)辅(fu)(fu)助供(gong)电系(xi)统提(ti)供(gong),辅(fu)(fu)助供(gong)电系(xi)统指的(de)是(shi)除为牵引动(dong)力(li)系(xi)统之外的(de)所有(you)需要(yao)用电力(li)的(de)负载(zai)设(she)(she)备(bei)(bei),包括辅(fu)(fu)助供(gong)电系(xi)统和蓄电池系(xi)统。

   一般(ban)情(qing)(qing)况(kuang)(kuang)下(xia)(xia),车载电子设备供电由充电机输出(chu)作(zuo)为低压母线电源,蓄(xu)电池系(xi)统(tong)(tong)正常情(qing)(qing)况(kuang)(kuang)下(xia)(xia)向TCMS系(xi)统(tong)(tong)、照明系(xi)统(tong)(tong)、无(wu)线电等系(xi)统(tong)(tong)进行(xing)供电,并在充电机出(chu)现临(lin)时故(gu)障等情(qing)(qing)况(kuang)(kuang)下(xia)(xia),起到(dao)能(neng)量缓冲(chong)的作(zuo)用。


图1.蓄电池系统的供电情况

    车(che)载(zai)电子主要由TCMS系(xi)(xi)(xi)统(tong)(网络(luo)控(kong)(kong)制系(xi)(xi)(xi)统(tong))、信(xin)号系(xi)(xi)(xi)统(tong)、乘客咨询广播(bo)系(xi)(xi)(xi)统(tong)、空调控(kong)(kong)制系(xi)(xi)(xi)统(tong)等组成(cheng);各系(xi)(xi)(xi)统(tong)之间都是(shi)通过(guo)总线(xian)进(jin)行(xing)供电,为了保证(zheng)每个系(xi)(xi)(xi)统(tong)之间都能可靠的运(yun)行(xing)工作,需要隔离(li)电源(yuan)对各个子系(xi)(xi)(xi)统(tong)进(jin)行(xing)供电,从(cong)而(er)隔离(li)出现(xian)故障(zhang)的车(che)载(zai)电子设备(bei),防(fang)止故障(zhang)区域(yu)的蔓(man)延。
    大(da)量的(de)(de)车载(zai)电(dian)子设备通(tong)(tong)过(guo)列车通(tong)(tong)信总(zong)线(xian)进行互联(lian),驾驶员(yuan)可通(tong)(tong)过(guo)车载(zai)控制器对(dui)各个车载(zai)电(dian)子系统进行控制,可实现遥测功能,达到远程控制的(de)(de)目的(de)(de)。车载(zai)电(dian)子设备的(de)(de)自(zi)动(dong)化(hua)、智能化(hua)技术应(ying)用,对(dui)隔离总(zong)线(xian)提出(chu)了更高的(de)(de)要求。

图2.典型EMC区域与隔离系统接口情况


二、车载电子设备的要求
    由于车(che)(che)载电(dian)子设(she)备(bei)(bei)种(zhong)类繁多并且存在着差(cha)异性,为了(le)保证车(che)(che)载电(dian)子设(she)备(bei)(bei)都能够满(man)足铁路(lu)车(che)(che)载使用的(de)(de)特(te)殊(shu)要(yao)求,其产品必须需要(yao)满(man)足EN50155等标准内容要(yao)求;所有车(che)(che)载电(dian)子设(she)备(bei)(bei)接(jie)口均需要(yao)满(man)足电(dian)位差(cha)、电(dian)磁兼容、人身安全(quan)等方(fang)面的(de)(de)要(yao)求,并且控制外(wai)部(bu)故障而引起的(de)(de)失效扩散(san)。
标准对车载电子设备的要求主要有以下方面:

1.环境要求(qiu) 如海拔、温度(du)湿度(du)、冲击振(zhen)动以及IP等级要求(qiu);

2.电(dian)气要求 如电(dian)源需求、电(dian)气隔离等;
3.浪涌和静电(dian)放电(dian)需(xu)求;浪涌试验主要是过电(dian)压需(xu)求试验,最大需(xu)要承(cheng)受1.4倍(bei)常规电(dian)压需(xu)求;
4.EMC要求(qiu)(qiu);包(bao)括、RE以及CS、RS、Surge、EFT、ESD等(deng)要求(qiu)(qiu),对于(yu)不同(tong)的(de)接口(kou)部分,采用不同(tong)的(de)等(deng)级要求(qiu)(qiu);如图(tu)2所示。
5.对装置的可靠性、可维修性和预估(gu)的使(shi)用寿命;如可维修性验证:采用指示灯进行(xing)指示,定(ding)位故障发(fa)生点(dian),方便进行(xing)维修;如可靠性运(yun)行(xing)验证,运(yun)行(xing)里程不(bu)少于(yu)(yu)10W公里,运(yun)行(xing)时间不(bu)少于(yu)(yu)1年等要求;
6.其(qi)他(ta)要(yao)求:如对于(yu)(yu)供(gong)电中(zhong)(zhong)断、跌落(luo)等(deng)要(yao)求,一般模(mo)块电源(yuan)设计(ji)难满足10mS中(zhong)(zhong)断需(xu)求,尤(you)其(qi)是对于(yu)(yu)低压(ya)输(shu)入产品,需(xu)要(yao)增加外(wai)围(wei)输(shu)入输(shu)出电容(rong)满足客户需(xu)求;如对于(yu)(yu)蓄电池(chi)的短路保(bao)护措施,一般采用防反二极(ji)管或者机械设计(ji)来规(gui)避此方面(mian)的失效。

三、车载电子设备的电源选型

    隔离电源(yuan)(yuan)作为防止故障扩散的方法之一(yi),在车载电子设备中起着重要(yao)的作用;但(dan)是(shi)车载在运行过(guo)程(cheng)中,存在着各种状(zhuang)态,如剧(ju)烈的振动状(zhuang)态;剧(ju)烈的外(wai)界环境温度变化率等情况出(chu)现;普通常规的工业级电源(yuan)(yuan)很(hen)难满(man)足其使用要(yao)求(qiu);那(nei)么(me)车(che)载电(dian)(dian)路电(dian)(dian)源需(xu)要要求呢?

1.冲击和振动:

    由于(yu)铁(tie)路运行(xing)环境(jing)的性质,铁(tie)道(dao)车(che)辆会受(shou)到冲(chong)击(ji)和(he)振(zhen)动(dong)。对(dui)于(yu)安装在铁(tie)道(dao)车(che)辆上的电(dian)子设备必须进行(xing)随机振(zhen)动(dong)和(he)冲(chong)击(ji)试验要(yao)求。对(dui)于(yu)电(dian)源模块来说,采(cai)用灌胶(jiao)固定PCB板载(zai)元器件的方法,可有效增强其抗振(zhen)动(dong)和(he)冲(chong)击(ji)的能力。

    如金升阳铁路电源(yuan)R3系列产品可完全满足(zu)振(zhen)动(dong)10~55Hz 10g 30Min along X Y Z要求(qiu)。
    车载(zai)蓄电(dian)(dian)池的额定供(gong)电(dian)(dian)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)主要有以下(xia)几种:24V、48V、72V、96V、110V等5种规格;由于辅助设备启动(dong)或者感(gan)性负载(zai)进行(xing)切换,会产生(sheng)浪涌电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)或者低(di)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)出现;电(dian)(dian)源设计的输入电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)参数(shu)能(neng)够在0.6VN和1.4VN电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)范围内正常工作;并且电(dian)(dian)源厂(chang)家都(dou)会兼容多个车载(zai)蓄电(dian)(dian)池电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)等级(ji)。

       如1.金升阳铁路电源产品URB1D24YMD-6WR3,输入电(dian)压范围为40VDC~160VDC,可兼容车载蓄电(dian)池72VDC、96VDC、110VDC三个供电(dian)电(dian)压等级。

2.隔离电气要求

     车(che)载(zai)电(dian)子(zi)设备的(de)介电(dian)试验(yan)(耐压(ya)试验(yan))的(de)试验(yan)电(dian)压(ya)与车(che)载(zai)蓄电(dian)池的(de)供电(dian)电(dian)压(ya)相关,其相关要求如下:

表1.隔离耐压(ya)与蓄电池(chi)电压(ya)关系

   

    对于车载电子(zi)设备的供电类型不确(que)定的话,比如110V蓄(xu)电池可能(neng)浮(fu)冲至125V以(yi)上情(qing)况出现或者低(di)压(ya)(ya)变压(ya)(ya)器(qi)可能(neng)会产生大于125V电压(ya)(ya);建议(yi)采用1500VAC隔离(li)的使用要(yao)求(qiu),可满足(zu)瞬(shun)时过电压(ya)(ya)时的电气(qi)隔离(li)要(yao)求(qiu);如金升(sheng)阳铁路电源产品6WR3,可满足(zu)1500VAC/2250VDC的电气(qi)隔离(li)要(yao)求(qiu); 
3.温度和湿度要求:                                                           

    为(wei)了(le)满足长途(tu)铁道(dao)机车(che)(che)的(de)温(wen)度   变化范(fan)围和(he)湿(shi)度范(fan)围要(yao)求(qiu),要(yao)求(qiu)车(che)(che)载电(dian)源(yuan)要(yao)求(qiu)满足环境温(wen)度-40℃~85℃的(de)使用要(yao)求(qiu),需要(yao)通过高(gao)低温(wen)循坏和(he)湿(shi)热(re)交变等可(ke)(ke)靠(kao)(kao)性(xing)型(xing)式试(shi)验(yan)验(yan)证。金升阳铁路(lu)电(dian)源(yuan)产(chan)品,均按照严格(ge)的(de)质量管控体系进行设计和(he)生产(chan),可(ke)(ke)通过铁路(lu)要(yao)求(qiu)的(de)型(xing)式可(ke)(ke)靠(kao)(kao)性(xing)试(shi)验(yan)。
4.特殊浪涌要求
    每个国(guo)家对(dui)特殊(shu)浪(lang)(lang)涌(yong)的(de)(de)(de)要(yao)(yao)求不一(yi)(yi)致(zhi),例如(ru)(ru):英国(guo)铁路标(biao)准(zhun)RIA12《拖动(dong)及(ji)运载设(she)备的(de)(de)(de)直流控制(zhi)(zhi)系统中瞬态浪(lang)(lang)涌(yong)保护的(de)(de)(de)通用规范》(海外这句话(hua),可以删除了;或者FAE提供标(biao)准(zhun)英文版名称),要(yao)(yao)求与供电(dian)(dian)(dian)(dian)电(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)蓄电(dian)(dian)(dian)(dian)池连接(jie)的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)子设(she)备,必须能够经(jing)受(shou)两种波(bo)形(xing)(xing):一(yi)(yi)种是(shi)1S 1.5倍输入(ru)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)波(bo)形(xing)(xing)另外一(yi)(yi)种波(bo)形(xing)(xing)是(shi)3.5倍输入(ru)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya),持(chi)续时间20mS的(de)(de)(de)浪(lang)(lang)涌(yong)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya),该浪(lang)(lang)涌(yong)脉冲(chong)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)的(de)(de)(de)源(yuan)阻抗(kang)为0.2Ω,如(ru)(ru)果(guo)考虑供电(dian)(dian)(dian)(dian)蓄电(dian)(dian)(dian)(dian)池额定电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)为110VDC,那么(me)如(ru)(ru)果(guo)只是(shi)采(cai)用单(dan)一(yi)(yi)的(de)(de)(de)钳(qian)压(ya)(ya)器(qi)件进行(xing)防护,很(hen)难(nan)(nan)吸收(设(she)钳(qian)位(wei)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)VC为160VDC)高达=2475J的(de)(de)(de)能量,一(yi)(yi)般瞬时钳(qian)压(ya)(ya)抑(yi)制(zhi)(zhi)器(qi)件很(hen)难(nan)(nan)满足(zu)要(yao)(yao)求,需要(yao)(yao)专门(men)的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)路或者模块(kuai)来满足(zu)标(biao)准(zhun)要(yao)(yao)求。金(jin)升阳(yang)辅(fu)助滤波(bo)器(qi)采(cai)用串联导(dao)通功率(lv)器(qi)件形(xing)(xing)成有(you)源(yuan)钳(qian)位(wei)电(dian)(dian)(dian)(dian)路,将瞬态的(de)(de)(de)浪(lang)(lang)涌(yong)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)钳(qian)位(wei)至铁路电(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)可承(cheng)受(shou)的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)范围之内。如(ru)(ru)辅(fu)助器(qi)FC-CX3D,输入(ru)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)范围66VDC~160VDC,输出最大(da)功率(lv)为100W,最大(da)的(de)(de)(de)限制(zhi)(zhi)钳(qian)位(wei)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)为165VDC;采(cai)用专利电(dian)(dian)(dian)(dian)路--有(you)源(yuan)钳(qian)位(wei)电(dian)(dian)(dian)(dian)路,可实现最大(da)98%的(de)(de)(de)效率(lv)。

5.其他方面需求
   对(dui)于供电(dian)(dian)中断、跌落等要求,一(yi)般模块电(dian)(dian)源设计(ji)难满(man)足(zu)10mS中断需(xu)求,需(xu)要增加外(wai)围输(shu)入(ru)输(shu)出电(dian)(dian)容满(man)足(zu)客户(hu)需(xu)求。 

四、小结

   本文(wen)通过分析车(che)载电子设备(bei)的(de)要求,进而为(wei)轨道交通车(che)载电子设备(bei)DCDC隔离(li)电源(yuan)模块正(zheng)确(que)选型(xing)做出指(zhi)导,对(dui)于(yu)铁路(lu)模块电源(yuan)可靠使用具有重要意义。


参考文献

[1].BS EN50155:2007 Railway applications -- Electronic equipment used on rolling stock
[2].GB/T 25119-2010 轨道交通 机车车辆电子装置
[3].TB/T 3021-2001 铁道机车车辆(liang)电(dian)子装置
[4].IEC61373-1999 铁道车辆设备(bei)冲击和(he)振动试验

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