DC-DC隔离电源在车载轨道中的应用与选型指南

简介：

本文介绍了轨道交通车载电子设备的供电需求与分类，，并结合《车载电子设备标准》EN50155-2007要求，提出车载电子设备中的DC/DC电源模块选型需考虑的要求，包括隔离电压、输入电压范围要求、工作温度范围、以及要求的EMC特性等，最后针对上述要点推荐了用于车载电子设备单元的隔离DC/DC电源模块选型指导。

中国作为拥有全世界一半以上高铁运营里程的国家,在“十三五”期间（2016年~2020年），总的目标是到2020年铁路里程达到15万公里，高速铁路达到3万公里，铁路总规模是增加2.9万公里，其中高速铁路增加1.1万公里。“十三五”高铁规划投资额有望突破4万 亿元，铁路机车车辆投资额为8000亿元左右。

反观中国高铁的国际市场，一批境外项目取得重大进展，印尼雅万高铁、中老铁路已经开工建设，中泰铁路、匈塞铁路塞尔维亚段正式启动，俄罗斯莫斯科—喀山高铁项目确定，充分说明了铁路已经成为“中国制造”的一张靓丽名片，是“一带一路”规划中政府力推“走出去”的重点。发展中国家的铁路建设比如印度，蕴含着巨大的发展潜力。

一、车载电子设备的介绍

随着铁路行业的不断发展，为了提高车载运行的可靠性和提高乘客的舒适性，大量的电子设备被应用于轨道交通中。车 载电子设备的供电主要是由车载辅助供电系统提供，辅助供电系统指的是除为牵引动力系统之外的所有需要用电力的负载设备，包括辅助供电系统和蓄电池系统。

一般情况下，车载电子设备供电由充电机输出作为低压母线电源，蓄电池系统正常情况下向TCMS系统、照明系统、无线电等系统进行供电，并在充电机出现临时故障等情况下，起到能量缓冲的作用。


图1.蓄电池系统的供电情况

车载电子主要由TCMS系统（网络控制系统）、信号系统、乘客咨询广播系统、空调控制系统等组成；各系统之间都是通过总线进行供电，为了保证每个系统之间都能可靠的运行工作，需要隔离电源对各个子系统进行供电，从而隔离出现故障的车载电子设备，防止故障区域的蔓延。

大量的车载电子设备通过列车通信总线进行互联，驾驶员可通过车载控制器对各个车载电子系统进行控制，可实现遥测功能，达到远程控制的目的。车载电子设备的自动化、智能化技术应用，对隔离总线提出了更高的要求。


图2.典型EMC区域与隔离系统接口情况

二、车载电子设备的要求

由于车载电子设备种类繁多并且存在着差异性，为了保证车载电子设备都能够满足铁路车载使用的特殊要求，其产品必须需要满足EN50155等标准内容要求；所有车载电子设备接口均需要满足电位差、电磁兼容、人身安全等方面的要求，并且控制外部故障而引起的失效扩散。

标准对车载电子设备的要求主要有以下方面：

1.环境要求 如海拔、温度湿度、冲击振动以及IP等级要求；
2.电气要求 如电源需求、电气隔离等；
3.浪涌和静电放电需求；浪涌试验主要是过电压需求试验，最大需要承受1.4倍常规电压需求；
4.EMC要求；包括CE、RE以及CS、RS、Surge、EFT、ESD等要求，对于不同的接口部分，采用不同的等级要求；如图2所示。
5.对装置的可靠性、可维修性和预估的使用寿命；如可维修性验证：采用指示灯进行指示，定位故障发生点，方便进行维修；如可靠性运行验证，运行里程不少于10W公里，运行时间不少于1年等要求；
6.其他要求：如对于供电中断、跌落等要求，一般模块电源设计难满足10mS中断需求，尤其是对于低压输入产品，需要增加外围输入输出电容满足客户需求；如对于蓄电池的短路保护措施，一般采用防反二极管或者机械设计来规避此方面的失效。

三、车载电子设备的电源选型

隔离电源作为防止故障扩散的方法之一，在车载电子设备中起着重要的作用；但是车载在运行过程中，存在着各种状态，如剧烈的振动状态；剧烈的外界环境温度变化率等情况出现；普通常规的工业级电源很难满足其使用要求；那么车载电路电源需要要求呢？

1.冲击和振动：

由于铁路运行环境的性质，铁道车辆会受到冲击和振动。对于安装在铁道车辆上的电子设备必须进行随机振动和冲击试验要求。对于电源模块来说，采用灌胶固定PCB板载元器件的方法，可有效增强其抗振动和冲击的能力。

如金升阳铁路电源R3系列产品可完全满足振动10~55Hz 10g 30Min along X Y Z要求。

车载蓄电池的额定供电电压主要有以下几种：24V、48V、72V、96V、110V等5种规格；由于辅助设备启动或者感性负载进行切换，会产生浪涌电压或者低电压出现；电源设计的输入电压参数能够在0.6VN和1.4VN电压范围内正常工作；并且电源厂家都会兼容多个车载蓄电池电压等级。

如1.金升阳铁路电源产品URB1D24YMD-6WR3，输入电压范围为40VDC~160VDC，可兼容车载蓄电池72VDC、96VDC、110VDC三个供电电压等级。

2.隔离电气要求：

车载电子设备的介电试验（耐压试验）的试验电压与车载蓄电池的供电电压相关，其相关要求如下：

表1.隔离耐压与蓄电池电压关系


对于车载电子设备的供电类型不确定的话，比如110V蓄电池可能浮冲至125V以上情况出现或者低压变压器可能会产生大于125V电压；建议采用1500VAC隔离的使用要求，可满足瞬时过电压时的电气隔离要求；如金升阳铁路电源产品6WR3，可满足1500VAC/2250VDC的电气隔离要求；

3.温度和湿度要求：                                                           

为了满足长途铁道机车的温度   变化范围和湿度范围要求，要求车载电源要求满足环境温度-40℃~85℃的使用要求，需要通过高低温循坏和湿热交变等可靠性型式试验验证。金升阳铁路电源产品，均按照严格的质量管控体系进行设计和生产，可通过铁路要求的型式可靠性试验。

4.特殊浪涌要求：

每个国家对特殊浪涌的要求不一致，例如：英国铁路标准RIA12《拖动及运载设备的直流控制系统中瞬态浪涌保护的通用规范》（海外这句话，可以删除了；或者FAE提供标准英文版名称），要求与供电电源蓄电池连接的电子设备，必须能够经受两种波形：一种是1S 1.5倍输入电压波形另外一种波形是3.5倍输入电压，持续时间20mS的浪涌电压，该浪涌脉冲电压的源阻抗为0.2Ω，如果考虑供电蓄电池额定电压为110VDC，那么如果只是采用单一的钳压器件进行防护，很难吸收（设钳位电压VC为160VDC）高达=2475J的能量，一般瞬时钳压抑制器件很难满足要求，需要专门的电路或者模块来满足标准要求。金升阳辅助滤波器采用串联导通功率器件形成有源钳位电路，将瞬态的浪涌电压钳位至铁路电源可承受的电压范围之内。如辅助器FC-CX3D，输入电压范围66VDC~160VDC，输出最大功率为100W，最大的限制钳位电压为165VDC；采用专利电路--有源钳位电路，可实现最大98%的效率。

5.其他方面需求：

对于供电中断、跌落等要求，一般模块电源设计难满足10mS中断需求，需要增加外围输入输出电容满足客户需求。