超寬輸入范圍鐵路電源解決方案之分析與比較

作者：Mornsun

全球主流鐵路系統均采用多電壓設備供電，這使得電源模塊無法通過歸一化來實現保持時間保護，增加了客戶應用系統的設計難度和管理成本。針對這個問題，[MORNSUN] 發明了一種主動保持時間保護電路，以兼容超寬電壓輸入范圍和電容歸一化。本文通過分析市場上幾種常見的鐵路電源解決方案的利與弊，對超寬輸入范圍的鐵路電源解決方案進行了比較和總結。

電路設計的難點

在全球主流的鐵路控制系統中，像德國、美國、法國、印度等大多數國家的電源電壓都要求內部控制系統，以容納 24V、28V、36V、48V、72V、96V、110V 電壓。因此，一個電源無法歸一化到多個系統，這增加了客戶系統設計的難度和管理成本。

根據 EN50155 標準，直流電源模塊必須在輸入電壓的波動范圍內穩定地給后端設備供電。即使出現最大電壓波動，電源模塊也應正常輸出，保護后端設備的穩定。EN50155 標準要求電源設備在 0.7 倍到 1.25 倍的電壓波動范圍內穩定工作，即 16.8 V137.5 V，如果波動范圍到 0.6 倍和 1.4 倍，那么工作時間分別只要求為 100 ms 和 1 s。為了滿足全球鐵路系統的供電要求和認證要求，超寬輸入電壓范圍電源模塊的輸入范圍最好設計成 14 V160V。

圖 1：鐵路電源電壓范圍設計要求。（圖片來源：MORNSUN Power）

同時，鐵路系統有很高的可靠性要求，要求后端設備能夠存儲保持時間狀態數據，并在電源切斷后有序地切換到備用電源。因此，需要在電源模塊的前端設置一個儲能電容器，以維持 10ms 的保持時間保護時間。

圖 2：超寬電壓鐵路電源設計難點。（圖片來源：MORNSUN Power）

傳統解決方案：在輸入端并聯電解電容器

在傳統的解決方案中，保持時間保護一般是通過在輸入端并聯一個電解電容器來實現的（圖 3）。

圖 3：在輸入端并聯電解電容器是保護保持時間的傳統解決方案。（圖片來源：MORNSUN Power）

按照電容器儲能公式：W=1/2CU2 和放電時間公式：t=RC*Ln*U/Ut，輸入電壓值 (U) 越高，儲存的能量 (W) 越多，當電容值 (C) 相同時，保持時間保護時間 (t) 越長。相反，輸入電壓值 (U) 越低，在相同條件下儲存的能量 (W) 就越小，保持時間保護時間則越短。這種現象會因電壓變化之間的平方差關系而加劇。

由于電源的輸入電壓范圍很寬，而外部儲能電容器是根據最大輸入電壓來選擇的，所以電容的電容值就必須很大，這樣才能與低壓系統的應用相適應。在圖 4 中，對于最大輸入電壓達 160 V、功率為 100 W 的情形，儲能電容器的電容值約為 190μF，可實現 10ms 的保持時間保護時間。然而，如果與 24 V 系統兼容，電容將達到 8000 μF，外部儲能電容器的物理尺寸將更大（約為四分之一磚電源模塊的 3.8 倍）。

圖 4：顯示輸出電壓所需外部儲能電容的圖形和圖表。（圖片來源：MORNSUN Power）

鐵路行業常見的解決方案是根據客戶不同的應用系統推薦不同耐壓的外部儲能電容器，以解決上述問題。但這將導致客戶的系統無法歸一化，從而違背超寬輸入范圍電源模塊的設計初衷，增加了客戶系統設計難度、材料管理成本和認證成本。

圖 5：傳統系統利弊。（圖片來源：MORNSUN Power）

主流解決方案①：兩段式拓撲結構

傳統的解決方案正逐漸被放棄?，F在，市場上的主流解決方案是兩級拓撲結構。前級拓撲結構采用升壓電路，后級是常見的拓撲結構，如反激、半橋或全橋電路。外部儲能電容器放置在兩級拓撲結構（即升壓電路的輸出端）之間（圖 6）。

圖 6：主流兩級拓撲結構方案。（圖片來源：MORNSUN Power）

當出現低輸入電壓時，它將被升壓電路提升到設定的高電壓值，以便為外部儲能電容器充電。當出現高輸入電壓時，它將穿過升壓電路并直接對外部儲能電容器充電。因此，在這個方案中，可以選擇耐壓大、電容小的電解儲能電容器。這可以持續給后級供電，以實現輸入電壓被切斷時所需的保持時間保護時間。

圖 7：帶有小型外圍電路的兩級拓撲結構電路圖。（圖片來源：MORNSUN Power）

由于電路中使用了兩級串聯結構，因此效率太低，無法適用于高功率密度的產品。作為升壓電路的容性負載，外部儲能電容器不能直接加到輸出端。它必須增加一個小的外圍電路和一個大的電容器，以防止啟動不良（圖 7）。

這個解決方案有兩個缺陷：

• 與單級充電方案相比，采用兩級串聯的電路拓撲結構的復雜性大為增加，大大提高了成本，同時在一定程度上還降低了用戶系統的可靠性。
• 與單級充電方案相比，采用兩級串聯的充電方案的整體效率會降低，會帶來大功率電源和系統的溫度升高，從而降低了電源和系統的壽命。

圖 8：兩級拓撲方案的利與弊。（圖片來源：MORNSUN Power）

主流解決方案②：單級拓撲結構 + 無源降壓

近年來，出現了單級拓撲結構 + 無源降壓的解決方案。與兩級拓撲結構相比，這提高了效率和可靠性。

圖 9：單級 + 無源降壓主流方案。（圖片來源：MORNSUN Power）

以市場上主流的降壓充電方案為例，當提供輸入電壓 (>24 V) 且電路正常開啟時，降壓電壓會將輸入電壓鉗制在 22 V 的設定低電壓值，同時充電電路會同步給外部電容充電。當輸入電壓降低到 22V 以下時，外部電容器將通過二極管切換進來，向后端提供儲存的電力，從而保持 10ms 的保持時間保護時間。所以當輸入電壓高于 22V 時，通常會執行保持時間保護功能。此時，系統只需要一個耐壓為 35 V 的 8000 μF 電解電容器。

然而，當輸入電壓低于 22 V 時，外部電容器的電壓與輸入電壓相同，其儲能將不足以維持10ms 的保持時間保護功能。當客戶系統需要欠壓保護功能時，如 48 V 的系統，欠壓保護設定為 27 V，儲能電容器的充電電壓為 22 V，當輸入端斷電時，儲能電容器需要低于 22 V 才開始放電，但 22 V 不足以開啟電源的欠壓點，那時系統就會關閉，這意味著保持時間保護功能失效。

圖 10：不同電壓下的保持時間保護。（圖片來源：MORNSUN Power）

圖 11：單級拓撲結構 + 無源降壓解決方案的利與弊。（圖片來源：MORNSUN Power）

新技術升級：主動保持時間保護電路

MORNSUN 發明了一種主動保持時間保護電路，使得電源模塊不僅具有超寬電壓范圍，而且實現了歸一化的電源，其特點是體積小，固定外圍電路簡單，適用于各種鐵路系統。

該電路內置了一個能量預存模塊和一個輸入保持時間自動切換模塊。通過精確的設計和計算，能量預存模塊可以最大限度地減少電容器的體積，并使能量存儲最大化。保持時間自動切換模塊可以實時檢測輸入電壓的狀態。一旦輸入電壓被切斷，外部電容器將主動給輸入端主電源供電，使產品繼續工作 10 ms，以便后端設備存儲保持時間狀態數據并切換到備用電源，從而實現自動平穩的切換。

圖 12：主動保持時間保護電路。（圖片來源：MORNSUN Power）

同時，主動保持時間保護電路具有可編程的欠壓保護功能。當客戶調整欠壓點以適用于不同的電源系統時，該解決方案可以確保在全輸入電壓范圍內實現 10ms 的保持時間保護。

圖 13：輸入欠壓保護示意圖。（圖片來源：MORNSUN Power）

這項技術已經成功地應用于 Mornsun 的鐵路電源，即 [UWTH1DxxQB-100WR3] 系列。該系列具有 14 - 160 V直流的超寬輸入電壓范圍，滿足全球主流鐵路系統的輸入電壓要求；通過一個簡單、固定的外圍電路和一個 470 μF 的電解電容器，實現了 10 ms 的保持時間保護功能。輸入欠壓保護可以通過改變外部電阻來調節，具有高達 5000 米的工作海拔，以及高達 4000 V交流電的隔離電壓。

圖 14：UWTH1DxxQB-100WR3 系列具有 14 至 160 V直流的超寬輸入電壓范圍。（圖片來源：MORNSUN Power）

圖 15：MORNSUN 超寬輸入電壓鐵路電源的優點。（圖片來源：MORNSUN Power）

結語

鐵路電源解決方案并非只針對一種電壓，那么設計者該如何選擇和設計一個合適的解決方案呢？如果工程師們對系統規格和認證的要求較低，那么就可以選擇傳統的解決方案。此外，如果他們對能效指標或保持時間保護功能的要求較低，也可以選擇傳統的拓撲結構解決方案。另一個選擇是，如果他們想要一個適合各種工作條件的高集成度解決方案，那么就應選擇更令人放心的主動保持時間保護電路解決方案。

隨著行業需求和技術要求的增加，產品更新的速度越來越快。在滿足功能的前提下，MORNSUN 不斷努力，追求高效率和高可靠性。其超寬輸入電壓范圍鐵路電源可以幫助客戶降低系統成本和規格要求，延長使用壽命，降低系統設計難度，減少認證時間，最終實現物料的歸一化和管理成本的降低。