【導(dǎo)讀】對(duì)于交通運(yùn)輸系統(tǒng)中的DC/DC轉(zhuǎn)換器，其性能具有特殊要求，必須具有寬輸入范圍、嚴(yán)苛環(huán)境下EMI的抗干擾能力，這使得商業(yè)或“標(biāo)準(zhǔn)”工業(yè)級(jí)器件不太可能成為可靠的解決方案。本文概述了鐵路、汽車和工業(yè)車輛的應(yīng)用要求，并介紹了符合規(guī)范要求的模塊化解決方案。
DC/DC轉(zhuǎn)換器幾乎可以應(yīng)用到所有的電子系統(tǒng)中：消費(fèi)類、IT類、工業(yè)類、運(yùn)輸類等。轉(zhuǎn)換器大多都嵌在系統(tǒng)中，使系統(tǒng)與外界隔離，不受不可預(yù)測的電源和環(huán)境變化的影響，但交通工具就不同了。DC/DC轉(zhuǎn)換器通常直接由系統(tǒng)電池供電，系統(tǒng)電池也可以為其他負(fù)載供電，產(chǎn)生尖峰、浪涌和電壓跌落。交通工具的環(huán)境也會(huì)有冷凝、沖擊、振動(dòng)和極端溫度變化的現(xiàn)象。本質(zhì)上來說，交通工具在不同輻射EMC環(huán)境之間移動(dòng)，包括來自其他車輛、無線電、電視和移動(dòng)電話天線的排放。模塊化DC/DC轉(zhuǎn)換器是已經(jīng)通過安全認(rèn)證的，高性能、低成本器件。這些符合交通工具要求的模塊通常需要有特殊的設(shè)計(jì)才能達(dá)到目標(biāo)市場性能標(biāo)準(zhǔn)。
交通運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用有不同的標(biāo)稱電壓：以鐵路為例
鐵路可能被視為DC/DC轉(zhuǎn)換器最苛刻的應(yīng)用之一，標(biāo)稱系統(tǒng)電壓的變化可在24和110VDC之間。根據(jù)EN 50155-2017“鐵路應(yīng)用-機(jī)車車輛上使用的電子設(shè)備” ，標(biāo)稱電壓可以有+25%/-30%的變化，電壓可以低至標(biāo)稱電壓的60%，而浪涌可以高達(dá)140%。圖1總結(jié)了可看到的電壓范圍。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，持續(xù)100ms的浪涌和電壓驟降到特定水平不應(yīng)導(dǎo)致 “功能偏差” ，浪涌長達(dá)一秒的情況下可允許性能稍微下降。至于功率轉(zhuǎn)換器，很難說下游設(shè)備可接受的降級(jí)的程度，因此事實(shí)上DC/DC需要在140%的最高浪涌水平下長期地正常工作。
圖1：EN 50155-2017鐵路應(yīng)用不同標(biāo)稱電壓的電源電壓范圍
圖1顯示DC/DC轉(zhuǎn)換器的“標(biāo)準(zhǔn)”4:1輸入范圍，說明某些部件可以符合一些鐵路要求，而能夠應(yīng)對(duì)所有變化的理想轉(zhuǎn)換器則需要10:1或更寬的輸入范圍。
一些鐵路應(yīng)用仍然需要符合RIA 12標(biāo)準(zhǔn)，這是一個(gè)舊標(biāo)準(zhǔn)，必須承受大于標(biāo)稱電壓3.5倍的浪涌，浪涌持續(xù)時(shí)間為20ms。對(duì)110V系統(tǒng)來說這等于是385V的峰值，DC/DC輸入范圍很難達(dá)到或讓瞬態(tài)抑制器吸收。源阻抗僅0.2歐姆，因此如果它被箝制到160V，瞬態(tài)抑制器的耗散功率峰值將是難以控制的180kW。RECOM[1] 推薦的一種有效方法是用串聯(lián)MOSFET來 “預(yù)調(diào)節(jié)” 電源，增加一個(gè)定時(shí)關(guān)斷機(jī)制，如果浪涌持續(xù)發(fā)生MOSFET的功耗也不會(huì)超過額定值。這個(gè)方案可以作為預(yù)制浪涌抑制器的模塊來處理高達(dá)300W的連續(xù)負(fù)載，也可作為分立器件使用，如圖2所示。
圖2：RIA 12應(yīng)用的 “浪涌抑制器”設(shè)計(jì)圖（文獻(xiàn)來源RECOM）
軌道應(yīng)用中的DC/DC轉(zhuǎn)換器通常還需要承受EN 61000-4-x標(biāo)準(zhǔn)中定義的快速瞬態(tài)過電壓。這些能量相對(duì)較低，因此簡單的LC濾波器和瞬態(tài)抑制器就足夠了。EN 50155還將電源中斷定義成S1、S2和S3三個(gè)類別，最壞的情況是標(biāo)稱輸入電壓中斷20ms但不會(huì)對(duì)性能造成影響。這通常需要DC/DC轉(zhuǎn)換器外接保持電容。
跟其他大多數(shù)的應(yīng)用相比，鐵路車輛的設(shè)備也受到更高的沖擊和振動(dòng)。EN 61373標(biāo)準(zhǔn)在不同區(qū)域定義了等級(jí)，從3類安裝在車軸到1類安裝在車廂。在所有情況下，轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)都需要堅(jiān)固耐用，PCB噴上涂層并加以灌封來最大限度地減少機(jī)械應(yīng)力、防止潮濕。
RECOM的DC/DC轉(zhuǎn)換器系列及新收購的Power Control Systems [2]公司提供符合鐵路EN 50155認(rèn)證要求的許多產(chǎn)品，從額定8W SMD、DIP24零件到具有超寬12:1輸入范圍、涵蓋所有的標(biāo)稱電壓的240W磚型轉(zhuǎn)換器。RECOM還提供符合EN 50155和RIA 12要求的濾波電路參考設(shè)計(jì)[3]，以及常用于軌道旁邊的高達(dá)10kW三相AC輸入電源。
其他工業(yè)運(yùn)輸應(yīng)用可能有類似鐵路的要求
寬范圍的電池輸入電壓也適用于其他的應(yīng)用如電動(dòng)叉車、混合動(dòng)力汽車或UPS系統(tǒng)。電池標(biāo)稱電壓在12到48V之間，但是重負(fù)荷電機(jī)在 “負(fù)載突降” 時(shí)充電電壓和浪涌，會(huì)將12V系統(tǒng)的最大電壓提高到42V甚至更高（圖3）。48V系統(tǒng)中的電壓相對(duì)更高，但是當(dāng)60V被定義為最大 “安全” 電壓時(shí)，可以使用如圖2的浪涌抑制器電路將DC/DC輸入電壓鉗位到最高60V。在這種安全的特低電壓下，DC/DC的絕緣系統(tǒng)可為 “功能隔離” ，而不需要取得認(rèn)證機(jī)構(gòu)的更高級(jí)別的認(rèn)證。在 “冷啟動(dòng)” 的情況下，低電壓寬輸入范圍DC/DC是一個(gè)好方案。由于最終用途的環(huán)境無法得到很好地控制、比如，行駛在軌道上的列車，車輛位置無法確定，因此建議使用堅(jiān)固耐用的器件以確保可靠性。隨著電子技術(shù)進(jìn)入農(nóng)業(yè)和所有重型工業(yè)車輛，對(duì)寬輸入范圍和堅(jiān)固結(jié)構(gòu)的要求也是一樣的。
圖3：12V車輛應(yīng)用中的浪涌電壓（來自LV124）
汽車電源電壓明確定義
道路車輛的電源電壓是非常明確的，由德國汽車制造商在2013年制定的LV124是12V系統(tǒng)的通用標(biāo)準(zhǔn)。圖3為常見的電壓，轉(zhuǎn)換器需要在超過4: 1輸入范圍內(nèi)可靠工作。雖然不同的制造商有自己的解釋和要求，但標(biāo)準(zhǔn)ISO 7637-2也適用于高壓瞬態(tài)。可以施加高達(dá)-150V負(fù)瞬態(tài)持續(xù)2ms以及正電壓如+150V持續(xù)150ns。負(fù)脈沖是由并聯(lián)電感負(fù)載斷電所產(chǎn)生的。瞬態(tài)具有相對(duì)較低的能量，可以使用LC濾波器和瞬態(tài)抑制器加以減弱。
人們越來越關(guān)注混合動(dòng)力汽車的48V DC系統(tǒng)，因?yàn)榧磳⒃?021年實(shí)施的法規(guī)要求新登記的乘用車的二氧化碳排放需低于每公里95克。那時(shí)市場還無法轉(zhuǎn)換成全電動(dòng)車，因此混合動(dòng)力車是大型車輛的唯一選擇。具有12V和48V系統(tǒng)電壓的系統(tǒng)可以提供更好的燃料消耗和排放，48V電池可在必要時(shí)提供牽引力，并為油泵和水泵等周邊設(shè)備供電，這在設(shè)備為電驅(qū)動(dòng)時(shí)效率更高。
48V系統(tǒng)具有與12V系統(tǒng)類似的欠壓和過壓百分比范圍，但需要考慮將電壓保持在安全的60V水平以避免額外的昂貴絕緣系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)VDA 320定義的級(jí)別如圖4所示。
圖4：汽車48V系統(tǒng)電壓等級(jí)
如果在這些系統(tǒng)中使用DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊，對(duì)于信息娛樂或?qū)Ш綉?yīng)用，4:1（18-72V）輸入范圍可能就足夠了，但該模塊仍必須能夠承受沖擊和振動(dòng)的規(guī)范，以及車輛停放在寒冷的北極或炎熱的熱帶所帶來的極大溫差。
模塊化DC/DC轉(zhuǎn)換器需要符合交通運(yùn)輸系統(tǒng)的應(yīng)用規(guī)范
交通運(yùn)輸對(duì)DC/DC轉(zhuǎn)換器的要求可以輕松地由具有長期市場經(jīng)驗(yàn)的RECOM及姊妹公司PCS的現(xiàn)成解決方案滿足。廣泛的產(chǎn)品包括在鐵路應(yīng)用中符合EN 50155標(biāo)準(zhǔn)的超寬12:1輸入的模塊，以及適用于汽車和工業(yè)車輛的堅(jiān)固耐用的轉(zhuǎn)換器。為了確保使用壽命和最佳性能以及滿足苛刻應(yīng)用的要求，RECOM的產(chǎn)品通過了全面的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和測試，包括全部的電性能、HALT、溫度循環(huán)和高溫老化。
文獻(xiàn)
[1] RECOM www.recom-power.com [2] Power Control Systems www.powercontrolsystems.com [3] RIA 12 ‘Surge stopper’ and EMI filter R-REF04-RIA12
來源：RECOM
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