【導(dǎo)讀】在鐵路架構(gòu)中設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換器既有其優(yōu)點(diǎn)，也有困難。鐵路電源設(shè)計(jì)的主要部分出現(xiàn)在移動(dòng)的、不受控的環(huán)境中，即火車上。此外，電力機(jī)車的預(yù)期使用壽命為30年，這意味著數(shù)千小時(shí)的服務(wù)時(shí)間和數(shù)百萬(wàn)次的開關(guān)機(jī)次數(shù)。高速移動(dòng)的列車周邊也有很多地方需要供電，例如軌道旁邊。在這兩部分用電方面，設(shè)計(jì)人員都需要在惡劣和不受控環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高于正常要求的可靠性。
電動(dòng)軌道牽引系統(tǒng)最初部署于19世紀(jì)，在當(dāng)今時(shí)代變得越來(lái)越重要。與內(nèi)燃機(jī)車相比，這種交通運(yùn)輸模式在單位重量能耗方面是最佳的，而且具有更快的加速和更好的軌道梯度牽引性能（圖1）。我還記得1955年當(dāng)我6歲的時(shí)候，在紐約布魯克林運(yùn)行的架空電線牽引的有軌電車。
圖1：電動(dòng)軌道牽引系統(tǒng)需要特別的電源管理方案。
當(dāng)我研究鐵路供電電源設(shè)計(jì)架構(gòu)時(shí)，我很驚訝地發(fā)現(xiàn)竟然有這么多電源供應(yīng)商把這個(gè)領(lǐng)域作為一個(gè)主要目標(biāo)市場(chǎng)，這還沒有包括西門子（Siemens）等公司的IC供應(yīng)商的產(chǎn)品，以及Mentor, a Siemens Business針對(duì)軌道牽引系統(tǒng)中電力電子的熱可靠性仿真系統(tǒng)等產(chǎn)品。
鐵路電力架構(gòu)需要電源
對(duì)于電動(dòng)鐵路牽引電力系統(tǒng)，第三軌和架空電線是主要的電源解決方案（圖2、圖3、圖4）。受電弓（pantograph）是安裝在列車頂部，從架空張力線取電的系統(tǒng)。
圖2：從器件級(jí)來(lái)看，自帶氣冷/液冷（轉(zhuǎn)換器）、逆變器、整流器、電池和電機(jī)的IGBT功率模塊是這種系統(tǒng)的有機(jī)組成部分。（圖片由西門子提供）
圖3：電動(dòng)軌道牽引系統(tǒng)中需要電源的地方有很多。（圖片由Powerbox提供）
圖4：鐵路車輛用電子設(shè)備的種類。（圖片由富士電機(jī)提供）
挑戰(zhàn)
在鐵路架構(gòu)中設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換器既有其優(yōu)點(diǎn)，也有困難。鐵路電源設(shè)計(jì)的主要部分出現(xiàn)在移動(dòng)的、不受控的環(huán)境中，即火車上。此外，電力機(jī)車的預(yù)期使用壽命為30年，這意味著數(shù)千小時(shí)的服務(wù)時(shí)間和數(shù)百萬(wàn)次的開關(guān)機(jī)次數(shù)（power cycle）。
高速移動(dòng)的列車周邊也有很多地方需要供電，例如軌道旁邊。在這兩部分用電方面，設(shè)計(jì)人員都需要在惡劣和不受控環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高于正常要求的可靠性。
這種環(huán)境下的功率器件會(huì)遇到嚴(yán)酷的電熱條件，比如短路、過壓、過流，過熱，以及老化效應(yīng)等。在這種類型的應(yīng)用中，可靠性是必需的，極端的工作溫度對(duì)哪怕最可靠的器件都是嚴(yán)酷的考驗(yàn)。
電源通常采用對(duì)流冷卻，整個(gè)電源系統(tǒng)的工作溫度也必須低至-40℃。在這些電源系統(tǒng)中要使用振動(dòng)補(bǔ)償彈簧夾端子，以及保形涂層，還要以緊湊的外形提供非常輕巧的設(shè)計(jì)，所有這些都是設(shè)計(jì)架構(gòu)的一部分，所有架構(gòu)還都必須展現(xiàn)出最高的效率。
設(shè)計(jì)還必須滿足大量國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求，例如《Railways Applications - Electronic Equipment Used on Rolling Stock（鐵路應(yīng)用——機(jī)車車輛上使用的電子設(shè)備）》（EN50155）標(biāo)準(zhǔn)就要求抵抗沖擊和振動(dòng)、浪涌、電壓變化、電磁性能和ESD測(cè)試，以及用于LED顯示、音頻放大器、安全監(jiān)視器、照明和通信系統(tǒng)的隔離電源DC/DC。此外還有《Electromagnetic Compatibility for Rolling Stock Apparatus（機(jī)車車輛設(shè)備電磁兼容性）》（EN50121-3-2）、《Rolling Stock Equipment Shock and Vibration Tests（機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)測(cè)試）》（EN61373）、《Fire Protection on Railway Vehicles（鐵路車輛的防火）》（EN45545）等標(biāo)準(zhǔn)，以及更多的本地化標(biāo)準(zhǔn)。
其他一些鐵路標(biāo)準(zhǔn)還包括：
* EN 55022 A類和B類；
* EN 61000-4-2（ESD）；
* EN 61000-4-3（抗RF性能）；
* EN 61000-4-4（快速瞬變）；
* EN 61000-4-6（抗傳導(dǎo)性能）；
* EN 50163；
* RIA 12浪涌保護(hù)（3.5VN 20ms）；
* RIA 13和RIA 20機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)；
* IEC 571和IEC61373沖擊/振動(dòng)。
鐵路應(yīng)用會(huì)對(duì)這些電源解決方案強(qiáng)調(diào)高負(fù)載和長(zhǎng)壽命的要求，尤其是對(duì)分立功率器件，比如MOSFET、二極管、晶體管和IGBT等。西門子為此采用的技術(shù)包括：改善傳熱系數(shù)的直接鍵合銅基板；用條帶鍵合取代較厚的鍵合線，以便更好地處理大電流；以及具有非常低熱阻的無(wú)焊上片（die-attach）技術(shù)。上述技術(shù)都是用于增強(qiáng)開關(guān)機(jī)次數(shù)和承受模塊封裝中的熱效應(yīng)。
想了解關(guān)于電力機(jī)車的工作原理，請(qǐng)觀看此YouTube視頻（由railsystem.net提供）。
鐵路應(yīng)用
信令和軌道旁邊的應(yīng)用
平交路口控制和信令控制系統(tǒng)不需要滿足EN50155。大多數(shù)車外或軌道旁的鐵路應(yīng)用都需要AC-DC電源，而不是DC-DC轉(zhuǎn)換器。
以下是ADM公司最近幫助客戶實(shí)現(xiàn)的一個(gè)軌道旁應(yīng)用示例。客戶需要更換地鐵車站信息屏幕內(nèi)的電源，這是由于布線法規(guī)發(fā)生變化，要求顯示屏采用直流電壓供電，而不是240VAC。必須克服的一個(gè)問題是允許電壓下降超過100V。
在遠(yuǎn)離地下平臺(tái)的控制柜里采用了一臺(tái)Mean Well電源RSP-2400-48，將輸入的240VAC轉(zhuǎn)換為48VDC/50A輸出。每個(gè)顯示屏都更新了一個(gè)Mean Well SD-25C-5 DC-DC轉(zhuǎn)換器，用來(lái)將輸入的48VDC轉(zhuǎn)換為顯示屏供電所需的5VDC。
機(jī)車車輛
• 推進(jìn)系統(tǒng)（IGBT控制、制動(dòng)控制、電腦）；
• 駕駛艙（電力顯示屏、通信系統(tǒng)等）；
• 旅客艙（交流電源充電、信息顯示屏、娛樂系統(tǒng)）；
• 餐車（微波爐、咖啡機(jī)、收銀機(jī)、電腦）→電池充電和系統(tǒng)用電產(chǎn)生；
• 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的充電設(shè)備；
• 牽引應(yīng)用中的制動(dòng)器磁化；
• 零伏啟動(dòng)應(yīng)用。
以下是ADM最近幫助客戶安裝配置精密時(shí)鐘電源的機(jī)車車輛應(yīng)用示例。該公司挑選了一個(gè)Mean Well PLN-60-12電源為高精度網(wǎng)絡(luò)控制時(shí)鐘供電——這類時(shí)鐘在澳大利亞的鐵路網(wǎng)上廣泛使用。事實(shí)證明，PLN-60-12非常可靠。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)橐坏┌惭b后再打開此設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別很高。
牽引變流器
當(dāng)將電力用于鐵路系統(tǒng)中的牽引系統(tǒng)時(shí)，我們通常稱之為電力牽引。軌道電氣化是指在為電力機(jī)車系統(tǒng)供電時(shí)使用的電源系統(tǒng)類型。其可以是AC或DC，或復(fù)合電源（圖5）。
圖5：英飛凌為牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供的IC解決方案。（圖片由英飛凌提供）
電氣化的類型選擇取決于許多因素，例如電源的可用性、應(yīng)用領(lǐng)域類型，或是城區(qū)、郊區(qū)還是干線服務(wù)等。
電力牽引系統(tǒng)主要有三種：
• 直流（DC）電氣化系統(tǒng)（300、500、600、750、1200、1500和3000V<sub>DC</sub>）；
• 交流（AC）電氣化系統(tǒng)（15kV<sub>AC</sub>@16.7Hz和25kV<sub>AC</sub>@50/60Hz，見圖6）；
• 復(fù)合系統(tǒng)（1.5kV<sub>DC</sub>、3kV<sub>DC</sub>、15kV<sub>AC</sub>@16.7Hz、25kV<sub>AC</sub>@50Hz）。
圖6：此處顯示了具有三級(jí)脈寬調(diào)制（PWM）轉(zhuǎn)換器和變壓變頻（VVVF）控制系統(tǒng)逆變器架構(gòu)的交流設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)采用單個(gè)3級(jí)VVVF逆變器，共同驅(qū)動(dòng)并聯(lián)的四臺(tái)牽引電機(jī)。（圖片由富士電機(jī)提供）
輔助電源
饋給直流電動(dòng)軌道列車系統(tǒng)的主要直流電壓為1,500VDC、750VDC或600VDC。這些設(shè)計(jì)中所用IGBT采用兩級(jí)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)架構(gòu)（圖7）。
圖7：直流電動(dòng)軌道車輛的輔助電源電路設(shè)計(jì)。（圖片由富士電機(jī)提供）
交流電電動(dòng)軌道車上輔助電源的負(fù)載通常是指示燈、內(nèi)部照明和控制電源，并且容量相對(duì)較小，然而，可靠性至關(guān)重要（圖8）。
圖8：交流電電動(dòng)軌道車輛的輔助電源電路設(shè)計(jì)。（圖片由富士電機(jī)提供）
有時(shí)輔助電源是安裝在電動(dòng)軌道車頂部的（圖9）。
圖9：頂部安裝的輔助電源。（圖片由富士電機(jī)提供）
電動(dòng)門系統(tǒng)
在較老的設(shè)計(jì)中，日本和其他地方經(jīng)常使用氣動(dòng)門系統(tǒng)。然而，最近電動(dòng)門系統(tǒng)成為設(shè)計(jì)師的首選，因?yàn)槠洳恍枰嗑S護(hù)，并且在乘客或行李有被門夾住危險(xiǎn)的情況中，通過采用自診斷功能并使用高速控制響應(yīng)系統(tǒng)，還可提高乘客安全性（圖10）。
圖10：電動(dòng)門系統(tǒng)。（圖片由富士電機(jī)提供）
IC方案
西門子
西門子稱，如果沒有電源轉(zhuǎn)換器，電動(dòng)軌道牽引鏈（ERTC）是不可能實(shí)現(xiàn)的。這些電源器件將電流轉(zhuǎn)移并切換到電源轉(zhuǎn)換器的不同分支，并具有大電流高電壓能力。
西門子為德國(guó)最新的列車——ICE 4（BR 412）高速列車提供電源解決方案。他們的元器件和系統(tǒng)解決方案涵蓋機(jī)械和電氣需求，以及推進(jìn)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架（一種鐵路驅(qū)動(dòng)和導(dǎo)引系統(tǒng)，見圖11）和車載電源的系統(tǒng)解決方案。
圖11：轉(zhuǎn)向架是一種四輪或六輪轉(zhuǎn)向車，為車身提供支撐并用于提供牽引力和制動(dòng)力。（圖片由Railway Technical網(wǎng)站提供）
欲了解更多有關(guān)信息，請(qǐng)參閱西門子的《Components and systems for advanced rail vehicles（高級(jí)軌道車輛元器件和系統(tǒng)）》手冊(cè)。
電源模塊方案
Vicor
我與Vicor公司的ChiP DCM IC高級(jí)產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Kai Johnstad進(jìn)行過交談。這些模塊可以在未穩(wěn)壓的寬范圍輸入下工作，產(chǎn)生隔離的直流輸出。鐵路有一些獨(dú)特的要求，Vicor二十年來(lái)一直在為滿足這些需求而定制自己的鐵路解決方案（圖12）。
圖12：Vicor針對(duì)鐵路應(yīng)用的DCM IC。（圖片由Vicor提供）
DCM IC具有高頻零電壓開關(guān)（ZVS）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且轉(zhuǎn)換器可在其整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)提供高效率。這些DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊（DCM）可滿足軌道應(yīng)用的需求，特別是具有43-154V寬輸入電壓范圍的100VIN 3623 ChiP，可適用于72或110V額定電壓的軌道應(yīng)用。這些電源解決方案可為各種系統(tǒng)提供電源轉(zhuǎn)換，從嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)到信息顯示屏等。這一新系列的產(chǎn)品效率接近93%，功率密度高達(dá)653W/in3，可讓工程師使用小體積穩(wěn)壓DC-DC轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)軌道電源設(shè)計(jì)人員所采用的多種標(biāo)稱輸入電壓。
Vicor向設(shè)計(jì)師展示了如何使用模塊化DC-DC轉(zhuǎn)換器能滿足歐洲鐵路應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。
Schaefer
Schaefer的鐵路級(jí)功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品包括AC-DC電源、DC-DC電源轉(zhuǎn)換器、整流器和電池充電器，以及DC-AC正弦波逆變器。他們專門為車載和軌道旁重軌電源應(yīng)用提供定制的鐵路電源解決方案，并且符合EN 50155標(biāo)準(zhǔn)要求。
對(duì)于鐵路行業(yè)，確保提供穩(wěn)定的電源系統(tǒng)存在相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，因?yàn)椴粌H有嚴(yán)格的技術(shù)和性能要求，而且需要符合若干國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
以下是這個(gè)行業(yè)的一些需求：
• 超寬輸入范圍以處理極端情況，例如74V<sub>DC</sub>總線；
• 即使在啟動(dòng)條件下也能保持穩(wěn)定的輸出功率；
• 降壓、升壓或隔離拓?fù)洌?/div>
• DC/DC、DC/AC、AC/DC或AC/AC；
• 定制解決方案，通常沒有一次性工程費(fèi)用（NRE）；
• 高效率以降低總擁有成本；
• 密封的解決方案；
• 自然對(duì)流或水冷解決方案；
• 特別堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)可用于要求最嚴(yán)格且苛刻的軌道和車載環(huán)境；
• 冗余配置可在關(guān)鍵應(yīng)用中延長(zhǎng)使用壽命；
• 超寬溫度范圍；
• 輕巧、高功率密度以適應(yīng)較小的封裝設(shè)計(jì)。
Schaeffer為列車用電池充電器提供的鐵路電源包括4.5kW車載電池充電器系統(tǒng)和40kW AC/DC車載電池充電系統(tǒng)。
Absopulse
Absopulse鐵路轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用包括：
• 信令和通信系統(tǒng)；
• 無(wú)線連接解決方案；
• GPS跟蹤系統(tǒng)；
• 視頻監(jiān)控和安全系統(tǒng)；
• 乘客信息顯示系統(tǒng)；
• 客戶娛樂系統(tǒng)；
• 列車控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；
• 牽引控制系統(tǒng)；
• 門控系統(tǒng)；
• 前大燈和尾燈系統(tǒng)。
Absopulse提供的一些典型產(chǎn)品包括適用于公共交通的750VDC鐵路DC/DC轉(zhuǎn)換器，以及具有寬輸入范圍的IP66等級(jí)的鐵路DC/AC純正弦波逆變器。
XP Power
XP Power面向鐵路應(yīng)用用高效率50W至600W DC/DC轉(zhuǎn)換器系列推出了一種新型鐵路電源——RDF50/RDL100/RDH300/RDH600系列。
XP Power指出，選擇電源供應(yīng)商時(shí)需要考慮如下一些要求：
• 符合EN50121、EN50124、EN50125、EN50155和EN50163等統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，以及RIA、NF-F-01-510、VDE、ST等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；
• 保守元器件降額后的可靠性；
• 全面設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試（DVT）；
• 長(zhǎng)產(chǎn)品生命周期和停產(chǎn)（EOL）管理；
• 專門的項(xiàng)目管理；
• 寬輸入電壓，適用于全球常用的直流電池輸入電壓；
• EMC/EMI控制及抗峰值和浪涌性能；
• 堅(jiān)固的構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)；
• 寬工作溫度范圍（典型值-40℃至70℃）；
• 對(duì)流或傳導(dǎo)冷卻；
• 并行和冗余操作；
• 過熱、過壓、過流保護(hù)；
• 符合RoHS；
• ISO9001質(zhì)量管理體系。
電源控制系統(tǒng)
Railway Technology是他們一系列新的電源控制系統(tǒng)產(chǎn)品的代表，其中包括用于鐵路信令電源設(shè)備（PSU）的多輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器MD146-IRX-2-N1，以及用于地鐵信令設(shè)備的DC-DC轉(zhuǎn)換器RACK-4XSD206-I-RX-96-1。
一個(gè)挑戰(zhàn)是許多偏遠(yuǎn)地區(qū)沒有電力供應(yīng)。
其他鐵路電源模塊轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商還有Synqor、PULS、東芝和Bel Power等公司。
定制和標(biāo)準(zhǔn)鐵路設(shè)計(jì)
Powerbox公司完成了許多優(yōu)秀的標(biāo)準(zhǔn)鐵路電源設(shè)計(jì)，但也為鐵路應(yīng)用提供定制設(shè)計(jì)（圖13）。
圖13：用于鐵路系統(tǒng)的Powerbox電源產(chǎn)品的一些示例。（圖片由Powerbox提供）
客戶電源需求實(shí)例
1. 重新設(shè)計(jì)推進(jìn)系統(tǒng)
挑戰(zhàn)：?jiǎn)栴}始于一位客戶的緊急電話。在一輛完整新車的首次測(cè)試中，推進(jìn)系統(tǒng)會(huì)隨機(jī)停止，最初懷疑是Powerbox DC/DC轉(zhuǎn)換器的原因。
解決方案：Powerbox調(diào)查小組第二天在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試和測(cè)量，以及理論分析。最終發(fā)現(xiàn)問題在于由轉(zhuǎn)換器供電的一個(gè)子系統(tǒng)。在某些運(yùn)行模式下，該子系統(tǒng)會(huì)造成轉(zhuǎn)換器嚴(yán)重過載，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)參數(shù)。該團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)解決方案，就是重新設(shè)計(jì)子系統(tǒng)。方案已經(jīng)實(shí)施，而且項(xiàng)目按原定計(jì)劃進(jìn)行。
2. 解決噪聲和瞬變超出EN50155/EN50121-3-2要求問題的系統(tǒng)方案
挑戰(zhàn)：Powerbox的一個(gè)老客戶在機(jī)車改造期間遇到了問題。電池充電器輸入電路反復(fù)失敗。經(jīng)過鑒定，原因來(lái)自并聯(lián)設(shè)備引起的噪聲和受電弓（從架空電線傳送電流到列車的接合框架）彈跳引起的瞬變兩方面的復(fù)合作用。噪聲和瞬態(tài)電平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了EN50155和EN50121-3-2標(biāo)準(zhǔn)所要求的限值，并且超過了電池充電器可以應(yīng)付的范圍。客戶知道Powerbox是鐵路電源專家，因此求助于他們來(lái)為此問題提供可能的解決方案。
解決方案：客戶與Powerbox共同決定，濾波是最便捷的處理方式。在三周內(nèi)，Powerbox工程師設(shè)計(jì)制造了一個(gè)外置低通濾波器，將噪聲和瞬態(tài)降至推薦水平，從而保護(hù)了充電器。
3. 從轉(zhuǎn)換器要求到系統(tǒng)優(yōu)化
挑戰(zhàn)：客戶提出的任務(wù)是在大量遠(yuǎn)程軌道旁設(shè)施上為信令設(shè)備供電。所提供的輸入電壓是交流干線電源，而所需的輸出取決于每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備要求，是各種直流電壓。此外還需要有備用電池。由于大多數(shù)設(shè)備安裝在熱管理能力有限的機(jī)柜中，所以最小化散熱至關(guān)重要。大量的遠(yuǎn)程站點(diǎn)意味著可靠性是必不可少的先決條件，這需要有較短的平均恢復(fù)時(shí)間（MTTR）。
解決方案：Powerbox最初被邀請(qǐng)為此應(yīng)用提供DC/DC轉(zhuǎn)換器。但當(dāng)他們分析應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，發(fā)現(xiàn)通過精益設(shè)計(jì)和模塊化概念的應(yīng)用，可以在其他幾個(gè)方面節(jié)省大量成本。客戶同意他們的建議，最初的DC/DC轉(zhuǎn)換器邀請(qǐng)就變成了定制的系統(tǒng)訂單。Powerbox設(shè)計(jì)了模塊化的電源系統(tǒng)，其上集成了電源轉(zhuǎn)換、電池充電、配電盤和計(jì)算機(jī)通信接口。高效率轉(zhuǎn)換器和智能系統(tǒng)架構(gòu)也大大減少了散熱。
本文轉(zhuǎn)載自EDN電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
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