即插即用型一體化盒式DC/DC電源解決方案

軌交應用對電源轉換器提出了嚴苛的要求。雖然商業產品可能滿足所需達到的部分規范，但通常需要配備大量的外部電路才能全面符合 EN 50155 等面向軌交行業的標準。本文討論了真正的“即插即用型”產品所需滿足的規范。

在電子設備的所有應用環境中，軌交行業的應用環境可能最為嚴苛。但在該行業的所有領域，從鐵路到物料搬運設備，從電動汽車到電動滑板車等等，都呈現出不斷增長的趨勢。特別是在鐵路車輛應用中，為提高安全性和效率，自動化的應用越來越廣泛，同時還需實現數據連接和智能標識等便利功能。所有這些都必須在典型的鐵路環境中可靠運行，需要耐受這種環境中的高污染、高沖擊和高振動，并且往往通過標稱電壓為 110 VDC 的傳統直流電源軌供電，而在全球某些國家或地區輸入電壓可能低至 24VDC。通常情況下，適用的標準為 EN 50155，該標準的現行版本為 2021 年 7 月版，其中不僅規定了電氣和物理環境要求，還規定了技術構造特性、可靠性、維護、使用壽命、文檔和測試相關要求。

鐵路應用供電電壓存在各種變化

對于將直流電源轉換為供敏感電子設備使用的清潔電源軌的電源模塊，除了滿足環境、隔離和 EMC 規范外，還必須能夠應對輸入電壓的各種變化，以及輸入電壓的浪涌、驟降和中斷。圖1 顯示了 EN 50155 中規定的不影響性能的電壓變化。

圖 1：EN50155 標準規定的不影響性能的標稱直流電源軌電壓的變化

如圖 1 所示，電源電壓可以降為零并持續一段時間，這種供電中斷根據中斷時間將分為 S1、S2 和 S3 三個類別（圖 2）。默認情況下，應達到 S2 類別；如圖所示，如中斷時間不超過 10 毫秒，則能達到性能標準 A；超過10 毫秒，則能達到標準 C。性能標準 A 表示不會產生任何影響；性能標準 B 表示在測試期間性能降低，但之后恢復正常；性能標準 C 表示允許功能喪失，但設備必須能夠以自動或手動方式復位。供電中斷的影響在標稱供電電壓下進行測試。

圖 2：EN50155 規定的供電中斷類別

在軌交應用中，設備安裝在各種位置，從溫度相對適宜的乘客車廂到溫度較高的設備柜中都能見到。為反映不同的溫度條件，EN 50155 規定了設備工作溫度類別 OT1 到 OT6（圖 3），如無特殊規定，默認類別為 OT3。類別 OT5 和 OT6 僅適用于特殊條件。

圖 3：EN50155 定義的工作溫度類別

該標準還考慮到，在自然冷卻或強制冷卻發揮作用之前，設備可能需要在高于“正?！睖囟鹊臈l件下啟動。這些條件在該標準中以“啟動”溫度的三個類別 ST0、ST1 和 ST2（圖 4）予以規定，其中 ST1是默認類別，并且 ST1 和 ST2 不適用于 OT5 和 OT6。標準第13.4.5 條規定了各個類別的溫度變化時間和速度，分別對應于干熱條件下的熱循環測試 A、B 和 C。

圖 4：EN50155 定義的“啟動”溫度類別

尋找適用于軌交應用的“即插即用型”DC/DC 轉換器

毫無疑問，找到一款既能滿足這些規范，又能在軌交應用中“即插即用”的 DC/DC 轉換器并非易事。雖然通用 DC/DC 轉換器具有較寬的輸入范圍，可能覆蓋各種“標稱”軌交輸入電壓，但實際上，要完全滿足 EN 50155 標準要求，可能需要額外采用大量外部電路。例如，需要具有輸入反極性保護和浪涌電流限制功能，并且需要通過外部電容器達到至少 10 毫秒的保持時間，才能滿足供電中斷規范。典型的“標準”DC/DC 變換器在內部幾乎不具備在保持時間內儲能的功能，因此需在外部實現，此時所需電容器的額定電壓必須為最高輸入電壓，并且電容值應能在最低標稱輸入電壓下以額定輸出功率達到必要的保持時間。這可能需要使用較大的元件，對安裝造成不便，并且可能會產生較大的無法控制的浪涌電流。此外，大多數 DC/DC 轉換器的額定隔離電壓也有限，只能實現“功能隔離"，或最多實現“基本隔離”，但在軌交應用中，系統設計師通常會要求達到隔離電壓為 3 kVAC 的“增強”隔離。

如果能找到一款滿足電氣規范的通用開放式框架 DC/DC 轉換器，它能夠以緊湊的尺寸提供高輸出功率，但可能需要采用強制風冷來實現這一點。在軌交應用中，考慮到維護、噪音和使用壽命等問題，并不適合采用風扇，因此更傾向于使用對流冷卻，并配備基板以利用任何可用的“冷壁”。在實際應用中，基板冷卻型全磚DC/DC 轉換器會將所有熱量傳遞到冷壁，但是隨后需要使用前文提到的大量外部電路和互連。

解決方案

為解決前述問題，可采用經過專門設計、能夠滿足 EN 50155 標準要求的 DC/DC 轉換器，該產品應具有寬泛的輸入范圍，可以覆蓋各種標稱電壓，并能夠應對輸入電壓浪涌、驟降和 10 ms 的供電中斷。RECOM 的“即插即用型”RMD 系列就是一款理想的解決方案。該系列可提供 150 W、300 W 和 500 W的額定功率，并為開放式框架基板冷卻型產品，可無風扇運行，工作溫度范圍為 -40°C 到 +85°C，可達到 OT4 和 ST2類別。連接通過螺釘端子完成，安裝方便。150 W 和 300W 型號的標稱輸入電壓范圍為 16.8 VDC 到 137.5VDC（從 14.4 VDC 到 154 VDC，持續時間分別為 100 ms 和 1 s）。12:1 輸入范圍覆蓋了在 110 VDC 標稱輸入電壓下 1.4 x Vnom 的極端電壓和 24 VDC 輸入下 0.6 x Vnom 的極端電壓，而 500 W 型號在 72 VDC 和110 VDC 標稱輸入電壓下的工作電壓范圍為 50.4 VDC 到 137.5 VDC（170 VDC/3 s）。所有型號均有單一的 24 VDC 輸出，并具有 O 形環二極管用于實現冗余并行操作，同時包括輸入反極性保護、10 ms 保持時間、遠程控制以及浪涌電流限制功能。此外，這些產品還符合 EN50121 軌交應用電磁兼容性規范。

審核編輯：湯梓紅