鉄道用途の DC/DC コンバータに求めるもの

鉄道の電化システムは、DC モーターと制御/エネルギー回路の両方に電力を供給するために、安定した DC 電源に依存しています。 これらの DC トラクション システムは、石炭、ガス、またはディーゼル ベースのシステムよりもエネルギー効率が高く、CO2 排出量も削減します。 DC-DC コンバータは、電化された鉄道のエネルギー効率と電力品質を改善する上で重要な役割を果たします。 これらのアプリケーションで使用される電子部品は、極端な温度、湿度、振動、および機械的衝撃にさらされます。 そのため、これらの条件に耐えて確実に動作するには、高度な電気的および構造的完全性が必要です。 この記事では、DC 鉄道の一般的な説明、これらのシステムでの DC-DC コンバーターの使用方法、これらのデバイスが動作条件に関係なく機能することを可能にする規格など、鉄道システムにおける DC-DC コンバーターの要件について説明します。 .

直流電気鉄道システムの概要
初期の鉄道電化システムは低電圧 DC に基づいており、電源は線路沿いの牽引用変電所 (TS) のダイオード整流器によって供給され、電力は架線とレールから供給される電力に依存して列車のモーターに分配されていました。 DC 牽引システムの最も一般的な電圧は、古い路面電車や地下システムでは 600V、新しい地下鉄では 750V システム、郊外の路線では 1500V です。 郊外でも3000Vの大型システムが使われている
ネットワーク。

直流電気鉄道システムの動向
鉄道システムでは、電圧と効率が着実に向上するという一般的な傾向があります。 電圧の増加により、より高いゲージ (より細い) ケーブルで十分な場合に電流を減少させることができます。 低電圧システムでは高電流レベルが必要になるため、架線が太くなり、変電所間の距離が短くなります。 エネルギー効率の向上により、設備のエネルギー消費が削減され、CO2 排出量が削減されます。 エネルギーの再利用は、回転子の運動エネルギーが電気に変換されて電源に戻される回生ブレーキによっても採用できます。

これらのパラメーターの多くは、デバイスが望ましくない電気的、機械的、および環境的条件による早期故障に適合しないことを保証しますが、平均故障間隔 (MTBF) は、デバイスが安定して動作している間の長期的な摩耗を表す重要なパラメーターです。 状態条件。

鉄道システムでの DC-DC コンバータの使用方法
回生ブレーキは、大規模な双方向 DC-DC コンバータを使用して、DC 給電線からバッテリ バンクまたはエネルギー貯蔵システム (ESS) に電力を送り返します。 最新の鉄道では、車両内のすべての電子デバイスとサブシステムに継続的に電力を供給するために、より小さな DC 変換が必要です。 これらの補助システムには、エンジン制御、モーター駆動制御、ブレーキ システムなどの高電圧クリティカル システムと、低電圧二次システムが含まれます。
照明、バッテリー充電、表示ランプ、ポンプ、情報ディスプレイ、電動ドアオープナーなど。 従来のソリューションでは、多くの場合、入力フィルタ、3 相インバータ、および低周波変圧器を使用して、架線電圧と補助電源装置を電気的に分離しています。

通常、この変圧器は大きくかさばり、すでにスペースと重量に制約のあるアプリケーションに余分な質量を追加します。 代わりに、絶縁型 DC-DC コンバータを使用して、最新の鉄道アプリケーションのサイズ、重量、および電力要件を満たすことができます。 目標は、750V、1500V、および/または 3000V の高い入力電圧を安定化された 24、28、36、48、72、96、または 110 ボルトの出力に変換することです。
主電源から列車内の配電には、二次システムへの DC-DC 変換のチェーンも必要です。 前述のように、公称入力電圧は最低 24 ボルトから最高 110 ボルトまでさまざまです。 そこから、調整された 3.3、5、12、15、または 24 ボルトの出力が必要です。 EN 50155 鉄道電気機器の欧州規格では、公称入力電圧が定格電圧の 0.7 倍から 1.25 倍の間で変動できることが要求されています。 この規格では、公称入力電圧の 0.6 ～ 1.4 倍の短期偏差も許容されます。

言い換えると、110V システムでは、66 ボルトから 154 ボルトまでの変動電圧範囲と同様に、67.2 ボルトから 120 ボルトまでの連続電圧範囲が必要になります。 DC-DC コンバータは、複数の公称入力電圧をカバーする広い入力範囲をサポートできます。 たとえば、一般的な 72V と 110V の鉄道入力電圧用のコンバータには、43.2 ボルトから 154 ボルトの動作入力電圧範囲が必要です (表 1 を参照)。 P-DUKE は、鉄道および産業用アプリケーション向けに定格された RHKW、RHMW、および RHDW シリーズのマウント可能な DC-DC コンバータを提供します。 これらのデバイスはすべて、3,000 VAC の強化絶縁と、36 ボルトから最大 160 ボルトまでの広い入力範囲を提供し、

絶縁型コンバータにおけるトランスに関する考慮事項
絶縁型 DC-DC コンバータは、トランスを利用して、デバイスの入力と出力の間をガルバニック絶縁します。 通常、DC-DC 変換は、最初にインバーターで信号を AC に変換し、トランスを介して信号を送信し、次に調整された DC 出力用の整流器を介して行われます (したがって、 回路の 2 つの部分)。 絶縁量は、多くの場合、関連する規格によって厳密に定義されている空間距離と沿面距離に依存します。

クリアランスは 2 つの導体間の空気中の距離であり、沿面距離は 2 つの導体間の表面に沿った距離です。 空間距離はアーク放電を防止し、沿面距離は表面が汚染されて導電性になった場合に短絡が発生する可能性を軽減します。

変圧器と、DC から AC への (およびその逆の) 変換の数によって、コンバータが達成できる効率のレベルが制限されます。 絶縁バリアは、出力レギュレーションを改善するために出力が直接制御されるのを防ぎます。 トランスの効率も考慮する必要があり、コンバータ自体の効率を制限する可能性があります。 P-DUKE の特許取得済みトランス設計により、4.5 mm のクリアランスと沿面距離でも最大 90.5% の効率で動作できます (図 1)。

鉄道用途の過酷な条件に対応
EN 50155 規格以外に、EN61373 規格には、鉄道車両で使用される機器のテスト要件が記載されています。 これらのデバイスは、ほぼ一定の振動にさらされ、場合によっては機械的衝撃を受けます。 振動のテストには、テスト対象のデバイスが特定の振幅で少なくとも 15 時間の振動にさらされるシミュレートされた長寿命テストが含まれます。 衝撃試験の場合、デバイスはトランスポートの影響を再現するために半正弦インパルスのシーケンスを受けます。 鉄道システムで使用される電子機器の認証と安全承認は、EN 50155、EN 61373、および EN 44545-2 にまたがり、それぞれ電気、環境、または火災の危険性に関係なく、これらのシステムのパフォーマンスを保証します。 追加の規格には、オーディオ、ビデオ、情報、および通信機器の分野における電気および電子機器の安全要件に関する IEC/UL/EN 62368-1 規格が含まれます。これらのシステムは、常に鉄道補助システムで使用されます。

鉄道境界フェンスで測定された最大放出レベルに関する EN 50121-2 規格以外に、鉄道アプリケーション向けの直接的な EMI 規格はありません。 ただし、これらのシステムの電磁環境は、変電所、主電源、架線、および車両からの潜在的な発生源を必要とします。 鉄道用途と産業用途の両方で、一定レベルの電磁イミュニティを備えたコンバータを使用することは有益です。

P-DUKE の鉄道 DC-DC コンバータ製品
P-DUKEのRHMW（3W/6/10W）、RHMW（20W）、およびRHDW（40W）シリーズのDC-DCコンバータは、72V、96V、および110Vの鉄道入力に最適で、EN 50155、EN 61373、およびENに適合 445545-2 鉄道規格、および電気機器の IEC/UL/EN 62368-1 規格 (強化絶縁) に準拠しています (図 2)。 これらのコンバータには、EMI 回路が組み込まれており、以下に従って設計されています。
IEC/EN 55032 クラス A および IEC/EN 50121-3-2。 これにより、PCB 設計が大幅に簡素化され、ボードの面積が節約されます。 変圧器の設計により、最大 90.5% の効率を実現しながら、過酷な産業用および鉄道用アプリケーションの両方の安全性および絶縁要件も満たします。 これらは、-40°C から +105°C までの幅広い動作温度で振動と衝撃についてテストされており、
山間部を走る車両で5000メートル。

結論
鉄道アプリケーションで使用される DC-DC コンバータには、基本的な電圧要件から絶縁および構造まで、多くの考慮事項があります。 これにより、これらのデバイスは、過酷な電気的、機械的、および環境条件に関係なく動作できます。 これらのデバイスは、一般的な鉄道規格を満たす必要があるだけでなく、電磁干渉に対するある程度の耐性も備えている必要があります。
P-Duke は、上記のすべての基準を満たす 3W から 300W の DC-DC コンバータを提供しています。