选择适用于铁道应用的DC/DC转换器

铁路电气化系统依靠稳定的直流电源为其直流电机和控制/能量电路。这些直流牵引系统比煤炭、天然气或以柴油为基础的同类产品，同时还减少了二氧化碳排放。 DC-DC转换器起着至关重要的作用，提高电气化铁路效能和电力品质。使用的电子元件在这些应用中将受到极端温度、湿度、振动和机械冲击应力。因此，它们需要高等级的电气和结构完整性才足以在这些条件下可靠地运行。

本文探讨了铁路系统中 DC-DC 转换器的要求，包括一般直流铁路的描述，如何在这些系统中使用直流到直流转换器，以及规范电子零件设备在无论何种条件下均能正常工作的标准。

了解直流电气化铁路系统
早期的铁路电气化系统基于低压直流电，其供电由沿轨道的牵引变电站 (TS) 中的二极管整流器，将电力分配给火车的电机依靠架空线和铁轨提供的电源。最常见的电压系统包含旧有轨电车和地下系统的直流牵引系统为 600V，较新的有轨电车系统为 750V地铁，以及更多郊区线路使用的1500V。郊区也使用大型 3000V 系统网络。

直流电气化铁路系统的趋势
铁路系统电压和效率稳步提高的总体趋势。电压的增加可使电流减少，使用较高线号（较细）的电缆即足够。较低电压的系统将需要高电流水平，这导致架空线较粗和变电站之间的距离较短。透过减少能量的损耗，能源的转换效率的提高减少了二氧化碳的排放。煞车的过程中，藉由转子的动能转换成电能，将回收的电能回存于电源端储存。许多参数在产品中就可以被设计能确保产品不会被电性、机械与环境等的应力致使的过早出线故障。平均故障间隔时间 (MTBF) 为一个关键参数，表示设备在稳态条件下长期运行的能力。

如何在铁路系统中使用 DC-DC 转换器
再生制动依赖于使用大型双向 DC-DC 转换器将电力送回从直流馈线到电池组或储能系统 (ESS)。较小的直流转换是在现代铁路中，为所有电子设备和相关的子系统持续的电力供应。这些辅助系统包括更高电压的关键系统，例如发动机控制、电机驱动控制和制动系统，以及低压二次系统包括照明、电池充电、指示灯、泵、信息显示器和电动门。传统的解决方案通常涉及使用输入滤波器、三相逆变器和低频率变压器，以提供架空线电压和之间的电气隔离辅助供电设备。

通常，这种变压器又大又笨重，给已经空间和重量受限的应用增加额外的负担。相反，可以使用隔离式 DC-DC 转换器来满足尺寸、现代铁路应用的重量和功率要求。目标是转换高 750V，1500V 和/或 3000V 输入电压到稳压 24、28、36、48、72、96 或 110 伏输出。主电源在列车内的配电也需要一个 DC-to-DC 链转换为二级系统。如前所述，标称输入电压可以从低至从 24 伏到高达 110 伏；在这里，需要经过输出稳压功能的 3.3、5、12、15 或 24 伏输出。

铁路电气设备的 EN 50155 欧洲标准要求标称输入电压可在额定电压的 0.7 至 1.25 倍之间波动。该标准还允许短期0.6 和 1.4 倍标称输入电压之间的偏差。换句话说，一个 110V 系统需要 77V和 137.5V 之间的连续电压范围，波动电压范围从66伏到154伏。 DC-DC转换器可以支持宽输入范围以涵盖多个标称输入电压。例如，一个转换器常见的 72V 和 110V 铁路输入电压需要的工作输入电压范围为43.2 伏至 154 伏（见表 1）。 P-DUKE 提供 RHKW、RHMW 和 RHDW 系列适用于铁路和工业应用的可安装 DC-DC 转换器。这些设备都提供3,000 VAC 增强型隔离以及从 36 伏到 160 伏的宽输入范围，允许它们用于 72V、96V 和 110V 铁路应用。

隔离转换器中变压器的设计考量
隔离式 DC-DC 转换器将利用变压器在输入之间提供电流隔离和设备的输出。通常，DC-to-DC 转换是通过首先将直流电透过主切换元件转换为交流电，通过变压器传递能量至二次侧，然后通过整流器取得稳定的直流输出（电路的一二次侧之间没有金属或导电路径）。绝缘能力取决于空间和沿面距离，按相关标准有严格之定义。空间距离是两个导体之间通过空气的距离，而沿面距离是沿两个导体之间的表面。空间距离使防止电弧产生，沿面距离是减轻了在表面被污染的情况下发生短路与导电的可能性。变压器阻绝了一次侧的危险电压，维持二次侧的安全性；变压器本身的绝缘能力会影响能量的耦合传递，进而影响转换器的整体转换效率。 P-DUKE的专利变压器设计能够使转换器有高达90.5%的转换效率外，同时拥有4.5mm的空间距离与沿面距离（图 1）。

满足铁路应用的苛刻条件
在 EN 50155 标准之外，EN61373 标准列出了用于铁路车辆设备的测试要求。这些设备将受到近乎恒定的振动以及在某些情况下的机械冲击条件。振动测试将包括模拟长寿命测试，其中被测试的设备以特定振幅承受至少 15 小时的振动。于机械冲击测试时，该设备会经历一系列半正弦脉冲的冲击应力来重现列车行驶中的效应。

铁路系统中使用的电子设备的认证和安全认证涵盖EN 50155、EN 61373 和 EN 44545-2 以确保这些系统性能不受电气、环境或火灾危险。其他标准包括 IEC/UL/EN 62368-1音频、视频领域电气和电子设备的安全要求标准信息和通信设备——铁路常用的辅助系统。

P-DUKE 的铁路 DC-DC 转换器产品
P-DUKE 的 RHK03W、RHK06W、RHK10W (3W/6/10W)、RHM20W (20W) 和 RHD40W (40W) 系列 DC-DC 转换器是适用于 72V、96V 和 110V 铁路输入并符合 EN 50155、EN 61373 和 EN 445545-2 铁路电气标准以及IEC/UL/EN 62368-1 标准（具备加强绝缘等级）设备（图 2）。这些转换器具有内置的 EMI 电路，其设计根据IEC/EN 55032 A 类以及 IEC/EN 50121-3-2。这大大简化了 PCB 设计并节省了空间。变压器设计可实现高达 90.5% 的效率，同时满足苛刻的工业和铁路应用的安全和隔离要求。他们通过震动与冲击试验的测试，适用于 -40°C 至 +105°C 的宽工作温度范围，并且可运行于5000m高海拔环境，应用于可能穿越山区的机车车辆。

结论
铁路应用中使用的 DC-DC 转换器有相当多的考量地方，包含输入电压的基本需求到隔离与结构稳定性，这使得这些设备可以克服恶劣的环境中的各项电气、机械和环境条件。这些设备不仅需要满足常见的铁路标准，但还应具有一定程度的抗电磁干扰能力。
P-DUKE 提供符合上述所有标准的从 3W 到 300W 的 DC-DC 转换器。