原标题：超宽输入范围铁路电源解决方案分析与比较

　　全球主流铁路系统采用多电压器件供电，使得电源模块无法归一化实现滞留时间保护，增加了客户应用系统的设计难度和管理成本。对于这个问题， 莫恩森 发明了与超宽电压输入范围和电容归一化兼容的有源保持时间保护电路。本文通过分析市场上几种常见铁路电源解决方案的优缺点，对超宽输入范围铁路电源解决方案进行了比较和总结。

　　电路设计的难点

　　在全球主流铁路控制系统中，大多数国家的电源电压要求内部控制系统，如德国、美国、法国和印度，包括24 V、28 V、36 V、48 V、72 V、96 V和110 V。因此，一个电源无法规范化为多个系统，增加了客户系统设计的难度和管理成本。

　　根据EN50155标准，直流电源模块必须在输入电压的波动范围内稳定地为后端设备供电。即使有最大电压波动，电源模块也要正常输出，保护后端设备的稳定性。N50155标准要求电源设备在0.7倍至1.25倍的电压波动范围内稳定工作，即16.8V~137.5V，如果波动范围为0.6倍和1.4倍，则工作时间仅要求分别为100ms和1s。为满足全球铁路系统的电源要求和认证要求，超宽V输入范围电源模块的输入范围最好设计为14 V~160 V。

　　图 1：铁路电源电压范围设计要求。(图片来源：晨晟电力)

　　同时，铁路系统具有高可靠性要求，要求后端设备能够存储滞留时间状态数据，并在断电后有序切换到备用电源。因此，需要在功率模块的前端安装储能电容器，以保持10ms的保持时间保护时间。

　　图2：超宽电压铁路电源设计难点。(图片来源：晨晟电力)

　　传统解决方案：在输入端并联电解电容器

　　在传统解决方案中，保持时间保护通常通过在输入端并联电解电容器来实现(图 3)。

　　图 3：输入端并联电解电容器是保护保持时间的传统解决方案。(图片来源：晨晟电力)

　　根据电容储能公式：W=1/2*C*U2和放电时间公式：t=RC*Ln*U/Ut，表明输入电压值(U)越高，存储的能量(W)越多，当电容值(C)相同时，保持时间保护时间(t)越长。相反，输入电压值(U)越低，相同条件下存储的能量(W)越小，保持时间保护时间越短。电压变化之间的平方差关系加剧了这种现象。

　　由于电源的输入电压范围非常宽，并且根据最大输入电压选择外部储能电容器，因此电容器的电容值必须很大才能与低压系统的应用兼容。在图4中，对于100 W时高达160 V的最大输入电压，储能电容的电容约为190 μF，以实现10 ms的保持时间保护时间。但是，如果它与24 V系统兼容，则电容将高达8000μF，外部储能电容器的物理尺寸将更大(约为四分之一砖电源模块的3.8倍)。

　　图 4：显示输出电压所需的外部储能电容的图形和图表。(图片来源：晨晟电力)

　　铁路行业常见的解决方案是根据客户不同的应用系统推荐不同耐压的外部储能电容器，以解决上述问题。但是，这将导致客户系统无法规范化，从而失去超宽输入范围电源模块的原始设计意图，并增加客户系统设计难度，材料管理成本和认证成本。

　　图 5：传统系统的优缺点。(图片来源：晨晟电力)

　　主流解决方案(1)：两阶段拓扑

　　传统的解决方案正在逐渐被抛弃。如今，市场上的主流解决方案是两级拓扑。前级拓扑采用升压电路，后级为反激式、半桥、全桥电路等常见拓扑结构。在两级拓扑之间放置一个外部储能电容器，即升压电路的输出端(图 6)。

　　图 6：主流两级拓扑解决方案。(图片来源：晨晟电力)

　　当存在低输入电压时，升压电路将其提升到设定的高电压值，为外部储能电容器充电。当存在高输入电压时，它将通过升压电路并直接为外部储能电容器充电。因此，在该解决方案中，可以选择耐压大、电容小的电解储能电容器。这可以连续为后续级供电，以实现输入电压切断时所需的保持时间保护时间。

　　图 7：具有小型外围电路的两级拓扑电路图。(图片来源：晨晟电力)

　　由于电路中使用的两级串联连接，效率太低，无法应用于高功率密度产品。作为升压电路的容性负载，外部储能电容不能直接加到输出端。它必须添加一个小型外围电路和大型电容器，以防止启动不良(图 7)。

　　此解决方案有两个缺陷：

　　(1)与单级充电方案相比，两级串联电路拓扑结构的复杂性大大增加，大大增加了成本，同时在一定程度上降低了客户系统的可靠性。

　　(2)与单级充电方案相比，两级串联充电方案的整体效率会降低，这将带来大功率电源和系统的温升，降低电源和系统的寿命。

　　图 8：两阶段拓扑解决方案的优缺点。(图片来源：晨晟电力)

　　主流解决方案(2)：单级拓扑+无源降压

　　近年来，出现了单级拓扑+无源BUCK的解决方案。与两级拓扑相比，这提高了效率和可靠性。

　　图 9：单级 + 无源降压主流解决方案。(图片来源：晨晟电力)

　　以市面上主流的BUCK充电方案为例，当存在输入电压(>24V)且电路正常导通时，降压电路将输入电压箝位在设定的22 V低电压值，充电电路同时为外部电容器充电。当输入电压降至22 V以下时，外部电容将通过二极管切换，为后端提供存储的功率，从而保持10 ms的保持时间保护时间。因此，当输入电压高于22 V时，通常执行保持时间保护功能。此时，系统只需要一个耐压为35 V的8000 μF电解电容。

　　但是，当输入电压小于22 V时，外部电容器的电压与输入电压相同，其能量存储不足以维持10 ms的保持时间保护功能。当客户系统需要欠压保护功能时，例如48 V系统，欠压保护设置为27 V，储能电容器的充电电压为22 V。当输入断电时，储能电容需要低于22 V才能开始放电，但22 V不足以打开电源的欠压点，然后系统关闭，这意味着保持时间保护功能无效。

　　图 10：不同电压的保持时间保护。(图片来源：晨晟电力)

　　图 11：单级拓扑 + 无源降压解决方案的优缺点。(图片来源：晨晟电力)

　　新技术升级：有源保持时间保护电路

　　MORNSUN发明了一种有源保持时间保护电路，该电路使电源模块不仅具有超宽电压，而且还实现了标准化电源，该电源具有紧凑的尺寸，固定的简单外围电路，适用于各种铁路系统。

　　该电路内置了能量预存储模块和输入保持时间自动切换模块。储能模块可以通过精确的设计和计算，使电容器体积最小化，储能最大化。保持时间自动开关模块可以实时检测输入电压的状态。一旦输入电压被切断，外部电容器将主动供电主电源的输入端，使产品持续工作10ms，为后端设备存储保持时间状态数据并切换到备用电源，实现自动平滑切换。

　　图 12：有源保持时间保护电路。(图片来源：晨晟电力)

　　同时，有源保持时间保护电路具有可编程欠压保护。当客户调整欠压点以应用于不同的电源系统时，该解决方案可确保在整个输入电压范围内保持时间保护为10 ms。

　　图 13：输入欠压保护图。(图片来源：晨晟电力)

　　该技术已成功应用于Mornsun的铁路电源， UWTH1DxxQB-100WR3 系列。该系列具有 14 – 160 V 的超宽输入电压范围直流，满足全球主流铁路系统的输入电压要求;通过简单固定的外围电路和470μF电解电容器实现10 ms的保持时间保护功能。输入欠压保护可通过改变外部电阻来调节，工作高度可达 5000 m，隔离电压高达 4000 V交流.

　　图 14：UWTH1DxxQB-100WR3 系列具有 14 至 160 V 的超宽输入电压范围直流.(图片来源：晨晟电力)

　　图 15：MORNSUN 超宽输入电压铁路电源的优点。(图片来源：晨晟电力)

　　总结

　　铁路电源解决方案并非只针对一种电压，那么设计人员如何选择和设计合适的解决方案呢?如果工程师对系统尺寸和认证的要求较低，则可以选择传统解决方案。或者，如果对效率指数或保持时间保护功能的要求较低，则选择传统的拓扑解决方案。如果他们想要适合各种工作条件的高度集成的解决方案，另一种选择是选择更令人放心的有源保持时间保护电路解决方案。

　　随着行业需求和技术要求的提高，产品更新速度越来越快。在满足功能的前提下，晨晟不断追求高效率、高可靠性。其超宽输入电压铁路电源帮助客户的系统降低成本和尺寸，延长使用寿命，降低系统设计难度，减少认证时间，最终实现档案物料规范化和管理成本降低。