【導讀】在鐵路架構中設計電源轉換器既有其優點，也有困難。鐵路電源設計的主要部分出現在移動的、不受控的環境中，即火車上。此外，電力機車的預期使用壽命為30年，這意味著數千小時的服務時間和數百萬次的開關機次數。高速移動的列車周邊也有很多地方需要供電，例如軌道旁邊。在這兩部分用電方面，設計人員都需要在惡劣和不受控環境下實現高于正常要求的可靠性。
電動軌道牽引系統最初部署于19世紀，在當今時代變得越來越重要。與內燃機車相比，這種交通運輸模式在單位重量能耗方面是最佳的，而且具有更快的加速和更好的軌道梯度牽引性能（圖1）。我還記得1955年當我6歲的時候，在紐約布魯克林運行的架空電線牽引的有軌電車。
圖1：電動軌道牽引系統需要特別的電源管理方案。
當我研究鐵路供電電源設計架構時，我很驚訝地發現竟然有這么多電源供應商把這個領域作為一個主要目標市場，這還沒有包括西門子（Siemens）等公司的IC供應商的產品，以及Mentor, a Siemens Business針對軌道牽引系統中電力電子的熱可靠性仿真系統等產品。
鐵路電力架構需要電源
對于電動鐵路牽引電力系統，第三軌和架空電線是主要的電源解決方案（圖2、圖3、圖4）。受電弓（pantograph）是安裝在列車頂部，從架空張力線取電的系統。
圖2：從器件級來看，自帶氣冷/液冷（轉換器）、逆變器、整流器、電池和電機的IGBT功率模塊是這種系統的有機組成部分。（圖片由西門子提供）
圖3：電動軌道牽引系統中需要電源的地方有很多。（圖片由Powerbox提供）
圖4：鐵路車輛用電子設備的種類。（圖片由富士電機提供）
挑戰
在鐵路架構中設計電源轉換器既有其優點，也有困難。鐵路電源設計的主要部分出現在移動的、不受控的環境中，即火車上。此外，電力機車的預期使用壽命為30年，這意味著數千小時的服務時間和數百萬次的開關機次數（power cycle）。
高速移動的列車周邊也有很多地方需要供電，例如軌道旁邊。在這兩部分用電方面，設計人員都需要在惡劣和不受控環境下實現高于正常要求的可靠性。
這種環境下的功率器件會遇到嚴酷的電熱條件，比如短路、過壓、過流，過熱，以及老化效應等。在這種類型的應用中，可靠性是必需的，極端的工作溫度對哪怕最可靠的器件都是嚴酷的考驗。
電源通常采用對流冷卻，整個電源系統的工作溫度也必須低至-40℃。在這些電源系統中要使用振動補償彈簧夾端子，以及保形涂層，還要以緊湊的外形提供非常輕巧的設計，所有這些都是設計架構的一部分，所有架構還都必須展現出最高的效率。
設計還必須滿足大量國際標準的要求，例如《Railways Applications - Electronic Equipment Used on Rolling Stock（鐵路應用——機車車輛上使用的電子設備）》（EN50155）標準就要求抵抗沖擊和振動、浪涌、電壓變化、電磁性能和ESD測試，以及用于LED顯示、音頻放大器、安全監視器、照明和通信系統的隔離電源DC/DC。此外還有《Electromagnetic Compatibility for Rolling Stock Apparatus（機車車輛設備電磁兼容性）》（EN50121-3-2）、《Rolling Stock Equipment Shock and Vibration Tests（機車車輛設備沖擊和振動測試）》（EN61373）、《Fire Protection on Railway Vehicles（鐵路車輛的防火）》（EN45545）等標準，以及更多的本地化標準。
其他一些鐵路標準還包括：
* EN 55022 A類和B類；
* EN 61000-4-2（ESD）；
* EN 61000-4-3（抗RF性能）；
* EN 61000-4-4（快速瞬變）；
* EN 61000-4-6（抗傳導性能）；
* EN 50163；
* RIA 12浪涌保護（3.5VN 20ms）；
* RIA 13和RIA 20機械標準；
* IEC 571和IEC61373沖擊/振動。
鐵路應用會對這些電源解決方案強調高負載和長壽命的要求，尤其是對分立功率器件，比如MOSFET、二極管、晶體管和IGBT等。西門子為此采用的技術包括：改善傳熱系數的直接鍵合銅基板；用條帶鍵合取代較厚的鍵合線，以便更好地處理大電流；以及具有非常低熱阻的無焊上片（die-attach）技術。上述技術都是用于增強開關機次數和承受模塊封裝中的熱效應。
想了解關于電力機車的工作原理，請觀看此YouTube視頻（由railsystem.net提供）。
鐵路應用
信令和軌道旁邊的應用
平交路口控制和信令控制系統不需要滿足EN50155。大多數車外或軌道旁的鐵路應用都需要AC-DC電源，而不是DC-DC轉換器。
以下是ADM公司最近幫助客戶實現的一個軌道旁應用示例。客戶需要更換地鐵車站信息屏幕內的電源，這是由于布線法規發生變化，要求顯示屏采用直流電壓供電，而不是240VAC。必須克服的一個問題是允許電壓下降超過100V。
在遠離地下平臺的控制柜里采用了一臺Mean Well電源RSP-2400-48，將輸入的240VAC轉換為48VDC/50A輸出。每個顯示屏都更新了一個Mean Well SD-25C-5 DC-DC轉換器，用來將輸入的48VDC轉換為顯示屏供電所需的5VDC。
機車車輛
• 推進系統（IGBT控制、制動控制、電腦）；
• 駕駛艙（電力顯示屏、通信系統等）；
• 旅客艙（交流電源充電、信息顯示屏、娛樂系統）；
• 餐車（微波爐、咖啡機、收銀機、電腦）→電池充電和系統用電產生；
• 電動機起動的充電設備；
• 牽引應用中的制動器磁化；
• 零伏啟動應用。
以下是ADM最近幫助客戶安裝配置精密時鐘電源的機車車輛應用示例。該公司挑選了一個Mean Well PLN-60-12電源為高精度網絡控制時鐘供電——這類時鐘在澳大利亞的鐵路網上廣泛使用。事實證明，PLN-60-12非常可靠。這一點很重要，因為一旦安裝后再打開此設備的風險級別很高。
牽引變流器
當將電力用于鐵路系統中的牽引系統時，我們通常稱之為電力牽引。軌道電氣化是指在為電力機車系統供電時使用的電源系統類型。其可以是AC或DC，或復合電源（圖5）。
圖5：英飛凌為牽引系統設計提供的IC解決方案。（圖片由英飛凌提供）
電氣化的類型選擇取決于許多因素，例如電源的可用性、應用領域類型，或是城區、郊區還是干線服務等。
電力牽引系統主要有三種：
• 直流（DC）電氣化系統（300、500、600、750、1200、1500和3000V<sub>DC</sub>）；
• 交流（AC）電氣化系統（15kV<sub>AC</sub>@16.7Hz和25kV<sub>AC</sub>@50/60Hz，見圖6）；
• 復合系統（1.5kV<sub>DC</sub>、3kV<sub>DC</sub>、15kV<sub>AC</sub>@16.7Hz、25kV<sub>AC</sub>@50Hz）。
圖6：此處顯示了具有三級脈寬調制（PWM）轉換器和變壓變頻（VVVF）控制系統逆變器架構的交流設計。該設計采用單個3級VVVF逆變器，共同驅動并聯的四臺牽引電機。（圖片由富士電機提供）
輔助電源
饋給直流電動軌道列車系統的主要直流電壓為1,500VDC、750VDC或600VDC。這些設計中所用IGBT采用兩級轉換器設計架構（圖7）。
圖7：直流電動軌道車輛的輔助電源電路設計。（圖片由富士電機提供）
交流電電動軌道車上輔助電源的負載通常是指示燈、內部照明和控制電源，并且容量相對較小，然而，可靠性至關重要（圖8）。
圖8：交流電電動軌道車輛的輔助電源電路設計。（圖片由富士電機提供）
有時輔助電源是安裝在電動軌道車頂部的（圖9）。
圖9：頂部安裝的輔助電源。（圖片由富士電機提供）
電動門系統
在較老的設計中，日本和其他地方經常使用氣動門系統。然而，最近電動門系統成為設計師的首選，因為其不需要太多維護，并且在乘客或行李有被門夾住危險的情況中，通過采用自診斷功能并使用高速控制響應系統，還可提高乘客安全性（圖10）。
圖10：電動門系統。（圖片由富士電機提供）
IC方案
西門子
西門子稱，如果沒有電源轉換器，電動軌道牽引鏈（ERTC）是不可能實現的。這些電源器件將電流轉移并切換到電源轉換器的不同分支，并具有大電流高電壓能力。
西門子為德國最新的列車——ICE 4（BR 412）高速列車提供電源解決方案。他們的元器件和系統解決方案涵蓋機械和電氣需求，以及推進系統、轉向架（一種鐵路驅動和導引系統，見圖11）和車載電源的系統解決方案。
圖11：轉向架是一種四輪或六輪轉向車，為車身提供支撐并用于提供牽引力和制動力。（圖片由Railway Technical網站提供）
欲了解更多有關信息，請參閱西門子的《Components and systems for advanced rail vehicles（高級軌道車輛元器件和系統）》手冊。
電源模塊方案
Vicor
我與Vicor公司的ChiP DCM IC高級產品市場經理Kai Johnstad進行過交談。這些模塊可以在未穩壓的寬范圍輸入下工作，產生隔離的直流輸出。鐵路有一些獨特的要求，Vicor二十年來一直在為滿足這些需求而定制自己的鐵路解決方案（圖12）。
圖12：Vicor針對鐵路應用的DCM IC。（圖片由Vicor提供）
DCM IC具有高頻零電壓開關（ZVS）拓撲結構，而且轉換器可在其整個輸入電壓范圍內提供高效率。這些DC-DC轉換器模塊（DCM）可滿足軌道應用的需求，特別是具有43-154V寬輸入電壓范圍的100VIN 3623 ChiP，可適用于72或110V額定電壓的軌道應用。這些電源解決方案可為各種系統提供電源轉換，從嵌入式計算機系統到信息顯示屏等。這一新系列的產品效率接近93%，功率密度高達653W/in3，可讓工程師使用小體積穩壓DC-DC轉換器來實現軌道電源設計人員所采用的多種標稱輸入電壓。
Vicor向設計師展示了如何使用模塊化DC-DC轉換器能滿足歐洲鐵路應用標準。
Schaefer
Schaefer的鐵路級功率轉換產品包括AC-DC電源、DC-DC電源轉換器、整流器和電池充電器，以及DC-AC正弦波逆變器。他們專門為車載和軌道旁重軌電源應用提供定制的鐵路電源解決方案，并且符合EN 50155標準要求。
對于鐵路行業，確保提供穩定的電源系統存在相當大的挑戰，因為不僅有嚴格的技術和性能要求，而且需要符合若干國際標準。
以下是這個行業的一些需求：
• 超寬輸入范圍以處理極端情況，例如74V<sub>DC</sub>總線；
• 即使在啟動條件下也能保持穩定的輸出功率；
• 降壓、升壓或隔離拓撲；
• DC/DC、DC/AC、AC/DC或AC/AC；
• 定制解決方案，通常沒有一次性工程費用（NRE）；
• 高效率以降低總擁有成本；
• 密封的解決方案；
• 自然對流或水冷解決方案；
• 特別堅固的結構可用于要求最嚴格且苛刻的軌道和車載環境；
• 冗余配置可在關鍵應用中延長使用壽命；
• 超寬溫度范圍；
• 輕巧、高功率密度以適應較小的封裝設計。
Schaeffer為列車用電池充電器提供的鐵路電源包括4.5kW車載電池充電器系統和40kW AC/DC車載電池充電系統。
Absopulse
Absopulse鐵路轉換器的典型應用包括：
• 信令和通信系統；
• 無線連接解決方案；
• GPS跟蹤系統；
• 視頻監控和安全系統；
• 乘客信息顯示系統；
• 客戶娛樂系統；
• 列車控制和監測系統；
• 牽引控制系統；
• 門控系統；
• 前大燈和尾燈系統。
Absopulse提供的一些典型產品包括適用于公共交通的750VDC鐵路DC/DC轉換器，以及具有寬輸入范圍的IP66等級的鐵路DC/AC純正弦波逆變器。
XP Power
XP Power面向鐵路應用用高效率50W至600W DC/DC轉換器系列推出了一種新型鐵路電源——RDF50/RDL100/RDH300/RDH600系列。
XP Power指出，選擇電源供應商時需要考慮如下一些要求：
• 符合EN50121、EN50124、EN50125、EN50155和EN50163等統一標準，以及RIA、NF-F-01-510、VDE、ST等國家標準；
• 保守元器件降額后的可靠性；
• 全面設計驗證測試（DVT）；
• 長產品生命周期和停產（EOL）管理；
• 專門的項目管理；
• 寬輸入電壓，適用于全球常用的直流電池輸入電壓；
• EMC/EMI控制及抗峰值和浪涌性能；
• 堅固的構造標準；
• 寬工作溫度范圍（典型值-40℃至70℃）；
• 對流或傳導冷卻；
• 并行和冗余操作；
• 過熱、過壓、過流保護；
• 符合RoHS；
• ISO9001質量管理體系。
電源控制系統
Railway Technology是他們一系列新的電源控制系統產品的代表，其中包括用于鐵路信令電源設備（PSU）的多輸出DC-DC轉換器MD146-IRX-2-N1，以及用于地鐵信令設備的DC-DC轉換器RACK-4XSD206-I-RX-96-1。
一個挑戰是許多偏遠地區沒有電力供應。
其他鐵路電源模塊轉換器供應商還有Synqor、PULS、東芝和Bel Power等公司。
定制和標準鐵路設計
Powerbox公司完成了許多優秀的標準鐵路電源設計，但也為鐵路應用提供定制設計（圖13）。
圖13：用于鐵路系統的Powerbox電源產品的一些示例。（圖片由Powerbox提供）
客戶電源需求實例
1. 重新設計推進系統
挑戰：問題始于一位客戶的緊急電話。在一輛完整新車的首次測試中，推進系統會隨機停止，最初懷疑是Powerbox DC/DC轉換器的原因。
解決方案：Powerbox調查小組第二天在現場進行了實際測試和測量，以及理論分析。最終發現問題在于由轉換器供電的一個子系統。在某些運行模式下，該子系統會造成轉換器嚴重過載，遠遠超出設計參數。該團隊提出了一個解決方案，就是重新設計子系統。方案已經實施，而且項目按原定計劃進行。
2. 解決噪聲和瞬變超出EN50155/EN50121-3-2要求問題的系統方案
挑戰：Powerbox的一個老客戶在機車改造期間遇到了問題。電池充電器輸入電路反復失敗。經過鑒定，原因來自并聯設備引起的噪聲和受電弓（從架空電線傳送電流到列車的接合框架）彈跳引起的瞬變兩方面的復合作用。噪聲和瞬態電平遠遠超出了EN50155和EN50121-3-2標準所要求的限值，并且超過了電池充電器可以應付的范圍。客戶知道Powerbox是鐵路電源專家，因此求助于他們來為此問題提供可能的解決方案。
解決方案：客戶與Powerbox共同決定，濾波是最便捷的處理方式。在三周內，Powerbox工程師設計制造了一個外置低通濾波器，將噪聲和瞬態降至推薦水平，從而保護了充電器。
3. 從轉換器要求到系統優化
挑戰：客戶提出的任務是在大量遠程軌道旁設施上為信令設備供電。所提供的輸入電壓是交流干線電源，而所需的輸出取決于每個現場的設備要求，是各種直流電壓。此外還需要有備用電池。由于大多數設備安裝在熱管理能力有限的機柜中，所以最小化散熱至關重要。大量的遠程站點意味著可靠性是必不可少的先決條件，這需要有較短的平均恢復時間（MTTR）。
解決方案：Powerbox最初被邀請為此應用提供DC/DC轉換器。但當他們分析應用場景時，發現通過精益設計和模塊化概念的應用，可以在其他幾個方面節省大量成本。客戶同意他們的建議，最初的DC/DC轉換器邀請就變成了定制的系統訂單。Powerbox設計了模塊化的電源系統，其上集成了電源轉換、電池充電、配電盤和計算機通信接口。高效率轉換器和智能系統架構也大大減少了散熱。
本文轉載自EDN電子技術設計。
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