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DC-DC Converter在轨道交通的应用

供稿:深圳市中电华星电子技术有限公司 2017/10/18 15:16:55

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  • 关键词: DC-DC Converter 轨道交通
  • 摘要:电子产品在轨道交通的使用,都必须要通过 EN50155 的标准认证。国际间大多以此作为首重的准则,或者是参照其内容再修订为该国的使用规范。内容规范了电子产品的输入电压范围、输入的突波与中断、电磁耐受性、震动、温度与湿度等,是为各个电子产品设计开发阶段时必须要考虑的,文中会以 DC-DC Converter 来说明。

电子产品在轨道交通的使用,都必须要通过 EN50155 的标准认证。国际间大多以此作为首重的准则,或者是参照其内容再修订为该国的使用规范。内容规范了电子产品的输入电压范围、输入的突波与中断、电磁耐受性、震动、温度与湿度等,是为各个电子产品设计开发阶段时必须要考虑的,文中会以 DC-DC Converter 来说明。

环境温度

在世界各地,铁路交通可是为各国的基础交通建设,为了因应各地的气候、温度、供电条件等,都要以严格的角度来看待。对于应用在轨道交通的DC-DC Converter,可能是在城市中的地铁、轨旁、长距离的高速铁路、处于密闭的封闭环境里,也可能是充满湿气的寒冷地区。很难预期列车所 处的环境条件,即使在标准内有规范对应的环境温度等级(Table 1),仍然建议要以最高等级的 TX 的考虑,这对于会发热的 DC-DC Converter 来讲是一个严格的考验。TX 等级虽然只规范+85 度 15 分钟的时间,然而一般的设备厂验证通常都会以 85 度 1 小时或更严苛条件的环境温度下测试,来确保产品能通过法规的测试以及实际列车载运行时的电源可靠性与稳定

性。

当列车通过隧道时,列车的周围环境温度会急遽的变化,DC-DC Converter

依旧要能维持其稳定性。标准内规范在 40 ℃的温度变化量之中,温度变化

率不得大于 3 ℃/sec

Table 1环境温度

湿度

在高低温差的环境中,空气中的湿气容易在车厢的任一个部位凝结成水珠,当水珠处于电气设备上,甚至于印刷电路板上,电路上的短路都会造成设 备的破坏与失效。所以对于湿气,任何的印刷电路板都必须要用防护漆来 保护电路。在 DC-DC Converter 的选用上,要以内部有灌注胶封装的型式(Fig.1)为佳。除了防止湿气凝结于电路上,也可以避免外部环境的污染入侵。

Fig.1 灌胶封装型式的 DC-DC Converter

震动与冲击

随着列车的行进,列车车体的摇摆与震动,为电子设备带来一些风险。有些电源供应器厂是依据 MIL-STD 810F 所做的震动测试,此标准所制订的震动与冲击的条件相较于铁道要求的 EN61373 标准,虽然震动测试的频率或是冲击的波形不同,论强度而言,是以 MIL-STD 810F 较为严苛。

Fig.2 冲击比较

EN61373 Category 1 Class B vs. MIL-STD 810F

在 EN61373 标准规范中,依据电子设备在车体的位置的不同,会有不同的震动与冲击的程度。像是比较大型的元器件,如 DC-DC Converter、铝电解电容、电感…等,必要时需要采用固定胶或是螺丝将元器件固定在印刷电路板上。而此类应用的固定胶,要采用耐热性佳、耐久性高的材质,才能使元器件在长时间的震动与高热环境中,获得稳固的支撑。

因为无铅制程的缘故,焊锡相对的脆弱,容易造成锡裂。一般而言,元器件组装在印刷电路板上后,会有裁剪 Pin 脚的作业,过程当中,可能因为裁剪的震动,使焊锡裂开,更或者是 Pin 脚的镀层分离。如果裁剪的制程是必须的,就要改变制程的顺序。可以先裁剪 Pin 脚,再做组装焊接的动作;或者是组装焊接后裁剪,之后再做一次补锡的动作,这样才可以确保焊锡的稳固性。而在做插件型式的 DC-DC Converter 组装时,要确保本体紧贴印刷电路板,避免浮件。当浮件使震动的力矩增大时,会使 Pin 脚折断的机率增加。

Fig.3 电子设备在车体位置的分类

Power Supply

在列车上的电池系统分为 24V, 36V, 48V, 72V, 96V, 110V 等。电池系统不是一个相当稳定的供电电源,会因为某些设备的启动或关断,影响其它设备的输入端电压。正常运行的输入电压为 0.7Un – 1.25Un,Un 代表电池系统的标称电压。比较需要注意的是 1.4Un/ 1sec 的瞬时电压与 0.6Un/100ms 的跌落电压。这两种瞬时的输入电压条件都维持相当长的时间,难以单靠外部的电容或是其它电路来克服,即使可以,也会耗费许多的成本在这上面。一般而言,通过 EN50155 铁道标准的 DC-DC Converter 都应该可以符合这样的条件。也就是说在设计 Converter 的时候,就应该要将这样的瞬时输入电压条件纳入其输入电压范围。

Fig.4 EN50155 输入电压规格

110V 是比较多见的列车电池系统,例如中国,就是属于这样的系统。当使用 110V 系统,DC-DC Converter 的输入范围就必须涵盖 66-154V。

Power Interruptions and Change Over

除上述的电压条件外,输入可能发生突发性的中断现象,中断时间为 10

ms,在此期间电子设备不能有失效的情况。

Class S1: No interruptions

Class S2: 10ms interruptions

当输入端电池系统与稳压直流供电系统交换供电时,输入电压会产生瞬时

变化,于此变化过程中,电子设备不能有失效的状况。

Class C1: at 0.6Un during 100ms

Class C2: during a supply break of 30 ms

Fig.5 Power supply interruptions and change over

其中 S2 与 C2 是必须使用外加电容器来作为对策。外加电容器的电容量可依照如下算式计算:

where

Pin is input power of DC-DC Converter

∆t is during of interruption Un is nominal input voltage

Umodule,min. is shutdown voltage of DC-DC Converter

建议电容量为计算值的 1.5 倍,且选择耐高温﹑长寿命的电容器。

RIA12

除 EN50155 规范外,另有 RIA12 是针对输入电压突波的耐受能力的规范。此类有高达 3.5 倍 Un 且 20ms 的输入电压,能量之大,很难直接设计 Converter 内部。要以外部的主动式箝位电路,利用箝位电路中的 MOSFET 吸收多余的能量,让位于后端的 Converter 能够不受破坏且维持供电的状态。箝位电路中的 MOSFET,在箝位的功能触发时,处在电阻区的状态来吸收能量,在 MOSFET 选择上,一定要确保在 SOA 之内,建议选用 TO-247 包装较为适合。

Fig.6 Input Voltage; EN50155 vs. RIA12

Fig.7 RIA12 Surge Suppression Configuration

EMS

在 EMS 的部分对应到 EN50121-3-2,下表(Table 3)说明了 EMS 的规范以及与中国大陆规范的差异。

Surge 是一个在实际应用上常导致 DC-DC Converter 故障的原因之一。在EN50121-3-2 叙述中,在 Surge 项目是以 42Ω 作为内阻测试;但是在中国大陆的铁路标准是以较为严苛的 12Ω(Line to Ground)与 2Ω(Line to Line)内阻测试。且由于列车运行中,会有很大的不确定因素在雷击突波这部分。在设备厂也了解这一个部分,会采用 1.2 倍的规范值作为验证项目的条件。

突波吸收组件在印刷电路板的摆放上,要尽可能的靠近被保护的 DC-DC Converter 或其它设备的输入端。板上的布线要考虑到顺序性,确认电流是先流经吸收组件后再流入设备,且布线的面积也要尽可能的小。

EMI

在 EMI 的部分参照 EN55011,可以对比于 EN55032 Class A 的基准,相较之下,EMI 的要求并没有那么高。但是单靠 DC-DC Converter 制造商提供的 EN55032 Class A 的滤波器作对策,也常有失败的例子,原因在于环境上的差异。例如印刷电路板布线的差异、使用连接器、导线的长度…等。对于设备厂在做 DC-DC Converter 的布局时,最好预留 EMI 的对策,或者直接使用 EN55032 Class B 的滤波器。

Fig.8a Conducted Emission Limitation

Fig.8b Radiated Emission Limitation

Fig.8 EMI Limitations

Insulation

绝缘特性对于 DC-DC Converter 是一项基本的特性,在铁道应用上也有明确的指示。隔离电阻的量测,使用 Mega-Ohm meter,调整 500V 的试验条件,反复测试,尤其要比对在做绝缘电压测试前后,绝缘电阻的数值要能够是一致的情况。

初级侧与次级侧间所要测试隔离电压条件会依据输入电压范围的不同而改变。如果允许下,建议施加 50-60Hz 的 AC 电压测试;若无法使用 AC 电压,也可以使用与 AC 峰值相同的 DC 电压来做测试。测试的过程中不得有绝缘失效或者产生电弧的情况。

Fig.9 Input Voltage vs. Withstand Voltage

Conclusion

轨道交通一直以来都是相当普遍也相当重要的运输工具,它的系统稳定性必须要相当的高,一旦列车故障,将会影响整个程序的运作,损失难以估计。DC-DC Converter 作为设备供电的组件,占了很大的重要性。除了要符合 EN50155 标准之外,更要对于可靠度做更详细的设计考虑与验证。以下列出 DC-DC Converter 的选择重点事项:

·选择经过 EN50155 认证的 DC-DC Converter。

·挑选适合的输入电压,输入电压包含 0.6Un-1.4Un。

·已知实际的输出功率,预留 30-70%的余裕,挑选适当的型号。

·依据运作的环境温度、module 效率、热阻、允许运作的最高温度,确认 module 是否在 SOA 之中。

·预留 EMC 对策组件于印刷电路板上。

·若有 RIA12 的需求,必须在输入端安装箝位电路。

审核编辑(王静)
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