作者：Bill Schweber

　　现代铁路系统车载电子设备数量不断增加，用于乘客互联网接入、卫星链路、对讲机和公共广播 (PA) 系统、导航子系统、紧急收音机、信号器招牌、LED 照明、信息系统、座椅定位等功能充电插座和其他配件。还有电池充电子系统，因为其中许多功能必须在瞬时功率缺口或长时间断电期间供电。这些功能中的每一个都有独特的电压要求，导致部署许多 DC/DC 转换器来将较高电压的直流电转换为多个较低的电压。

　　然而，指定用于铁路的 DC/DC 转换器的设计人员需要确保这些转换器能够在困难的电气、机械和热应力条件下在有限的空间内可靠地运行。它们还必须满足一长串严格的行业和监管要求，并且易于部署以节省时间。

　　本文简要探讨了铁路应用 DC/DC 电源转换器的要求。然后介绍TRACO Power的 DC/DC 转换器，并展示如何应用它们来满足这些要求。

　　铁路配电

　　电力机车或电车的典型配电路径具有许多来自主直流架空接触网源的较低电压。与任何关键应用程序一样，都有强制性的行业标准，从多个角度定义性能要求。

　　铁路电子设备的主要监管规范是 EN 50155，铁路应用 - 机车车辆 - 电子设备。这定义了环境和服务条件、可靠性预期、安全性以及设计和施工方法。它还涵盖文档和测试。

　　其他关键规格包括：

　　EN 61373，铁路应用 - 机车车辆设备 - 冲击和振动测试

　　EN 61000-4，电磁兼容性 (EMC)

　　EN 45545-2，欧洲铁路消防安全标准

　　英国铁路工业协会标准 RIA 12，保护牵引和机车车辆电子设备免受直流控制系统瞬态和浪涌影响的通用规范

　　满足这些监管要求是一项重大的设计挑战，即使自助 (DIY) 电源转换器设计在仿真期间和作为工作台原型时按预期工作。幸运的是，没有必要采取 DIY 的方式。满足铁路要求的现成、特定应用的标准 DC/DC 转换器现已上市。

　　例如，TEP 150UIR/TEP 200UIR系列是两个相似系列的半砖板装转换器，额定功率分别为 150 瓦和 200 瓦。它们具有增强型 3,000 伏交流 (VAC )输入/输出 (I/O) 隔离以及内置短路、过压和过热保护。

　　这两个系列的所有成员都具有相同的连接配置和 60 mm × 60 mm × 13 mm 的封装尺寸(图 1)。它们的效率约为 90%。

　　图 1：TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列的所有成员都具有相同的外壳尺寸和外形尺寸。 (图片来源：TRACO Power)

　　TEP 150UIR 系列可在 14 至 160 伏直流 (V DC ) 的极宽输入电压范围内运行，并提供 5 伏/30 安培 (A) 至 48 伏/3.2 A 范围内的五种输出配对(图 2) 。

　　楷模

　　TEP 200UIR 系列具有相同的输入和输出电压范围，但电流更高，范围从 5 伏/40 A 到 48 伏/4.2 A(图 3)。

　　楷模

　　图 3：TEP 200UIR 系列的功率增加了 33%，输出电压值相同，但输出电流更高。 (图片来源：TRACO Power)

　　该系列中电压最高/电流最低的成员是TEP 200-7218UIR，它在 48 伏电压下可提供高达 4.2 A 的电流，而 150 瓦同类产品在该电压下的电流为 3.2 A。

　　通过保持通用的尺寸和占地面积，用户可以轻松升级电路来满足不同的需求或使用不同的板，从而最大限度地减少布线和布局问题。他们还可以通过减少独特型号的库存来简化库存。

　　三大主要特点

　　TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 装置具有三个突出的特性：宽输入电压范围、延长的保持时间和有源浪涌电流限制。

　　1)宽输入电压范围：典型的工业级电子产品可能满足一般电压/电流要求，但此应用的 DC/DC 电源转换器必须承受更宽的输入电压变化和一系列可能的标称值(图 4)。

　　图 4：不同轨道应用的直流输入范围非常宽，特别是在分析中考虑了与标称值的允许偏差时。 (图片来源：TRACO Power)

　　这包括每个标称值周围输入电压允许的变化：

　　连续范围 = 0.7 至 1.25, × V NOM

　　掉电 = 0.6 × V NOM，持续 100 毫秒 (ms)

　　浪涌 = 1.4 × V NOM，持续一秒

　　设计一个能够承受 100 毫秒断电的电源转换器非常困难，而持续一秒的浪涌则需要钳制太多能量。因此，转换器必须在图 4 所示的完整范围内运行，同时包含一些安全裕度。实际上，这意味着输入范围大于 2.33:1。

　　使情况更加复杂的是，标称电压可以是 24 V DC到 110 V DC之间的任何电压。许多 DC/DC 转换器制造商通过提供具有更宽 4:1 输入范围(通常为 43 至 160 伏)的转换器来满足这些要求，以覆盖大多数应用，但单个转换器通常无法满足所有这些要求。

　　为了解决这个问题，TRACO 装置支持 14 至 160 V DC的超宽 12:1 输入。该范围使系统应用工程师能够利用单个电源实现一系列标称系统电压。

　　2)延长的保持时间：直流线路可承受 ±2 kV 的快速瞬变，上升时间为 5 纳秒 (ns)，下降时间为 50 ns，重复率为 5 kHz。此外，还存在 ±2 kV 线对地浪涌和 ±1 kV 线对线浪涌，其上升时间为 1.2 微秒 (μs)，下降时间为 50 μs(从定义的交流耦合源阻抗开始)。

　　某些要求超出了 EN 50155 的要求，要求能够抵抗来自 0.2 欧姆 (Ω) 极低源阻抗的1.5 x V NOM一秒和 3.5 × V NOM 20 毫秒的浪涌。对于 110 V DC (标称值)的系统，这对应于 385 V DC的峰值，这超出了转换器的正常范围，特别是当它需要降至 66 V DC最低电压时。

　　这种低阻抗源提供的能量意味着瞬态电压抑制器 (TVS) 无法钳位电压。根据功率水平，需要在电源输入上安装预调节器或在浪涌持续期间关闭输入的电路。 DC/DC 转换器需要保持功能，以在此期间维持输出。

　　为了解决这个问题，TRACO 装置配备了总线引脚输出这一重要功能。该输出提供固定电压来为电容器充电，使电容器能够提供较长保持时间所需的能量(图 5)。与传统前端电容器保持方案中使用的电容器相比，这些电容器明显更小且更便宜。

　　图 5：这是与总线电容器 C BUS一起使用的推荐输入电路，以简化延长保持时间的实施。 (图片来源：TRACO Power)

　　请注意，不需要在输入电路中添加串联二极管，因为这些转换器具有集成二极管，可以避免短路并保持电容器的能量流入电源。

　　当电源电压中断发生时，输入电压将在电容器开始放电之前降至总线电压，为电源模块提供能量。由于功率密度相对较高，TEP 150UIR 系列和 TEP 200UIR 系列可以在高达 80 伏的输入电压下提供固定总线电压。输入电压较高时，总线电压随实际输入电压线性增加(图 6)。

　　图 6：转换器在高达 80 伏的输入电压下提供固定总线电压;输入电压较高时，总线电压随实际输入电压线性增加。 (图片来源：TRACO Power)

　　3)有源浪涌电流限制：这解决了电源转换器的一个常见问题：当输入电压开始斜坡上升时，输入端的保持电容器将导致高浪涌电流。这可能会烧断保险丝或使电路跳闸，并导致连接设备出现错误和故障。

　　为了避免这种情况，TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列的脉冲引脚提供了 12 V、1 kHz 方波信号，可用于浪涌电流限制电路(图 7)。

　　图 7：TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列提供了一种简单的方法，使用带有方波信号的脉冲引脚来限制启动时的浪涌电流。 (图片来源：TRACO Power)

　　通过将有源浪涌电流限制电路连接到脉冲引脚，可以有效限制浪涌电流(图 8)。在没有限制的情况下，浪涌电流约为 120 A(左)，而在限制的情况下，浪涌电流降至约 24.5 A(右)。

　　图 8：使用脉冲引脚驱动转换器的有源浪涌电流限制电路，可将浪涌电流降低五倍。所示示例的输入电压为72 伏。左侧的水平刻度为 50 伏/格，右侧为 10 伏/格，传感器刻度系数为 1 伏 = 1 A。(图片来源：TRACO Power)

　　结论

　　用于低压铁路应用的 DC/DC 转换器必须不仅仅提供可靠、一致的电源性能。它们必须结构紧凑、易于管理和部署、适应各种应用、能够在恶劣的环境中运行，并且能够满足一系列具有挑战性的电气、热和机械监管标准和要求。如图所示，TRACO Power TEP 150UIR 和 TEP 200UIR 系列能够胜任这项任务，其功能包括 14 至 160 V DC的宽 12:1 输入电压范围、用于在电压下降期间为电容器充电以提供能量的保持引脚、承受浪涌的能力以及多种输出电压/电流配对，全部采用单一外形尺寸。