鐵路電氣化系統(tǒng)依靠穩(wěn)定的直流電源為其直流電機(jī)和控制/能量電路。這些直流牽引系統(tǒng)比煤炭、天然氣或以柴油為基礎(chǔ)的同類產(chǎn)品，同時還減少了二氧化碳排放。 DC-DC轉(zhuǎn)換器起著至關(guān)重要的作用，提高電氣化鐵路效能和電力品質(zhì)。使用的電子元件在這些應(yīng)用中將受到極端溫度、濕度、振動和機(jī)械沖擊應(yīng)力。因此，它們需要高等級的電氣和結(jié)構(gòu)完整性才足以在這些條件下可靠地運(yùn)行。

本文探討了鐵路系統(tǒng)中 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的要求，包括一般直流鐵路的描述，如何在這些系統(tǒng)中使用直流到直流轉(zhuǎn)換器，以及規(guī)范電子零件設(shè)備在無論何種條件下均能正常工作的標(biāo)準(zhǔn)。

了解直流電氣化鐵路系統(tǒng)

早期的鐵路電氣化系統(tǒng)基于低壓直流電，其供電由沿軌道的牽引變電站 (TS) 中的二極管整流器，將電力分配給火車的電機(jī)依靠架空線和鐵軌提供的電源。最常見的電壓系統(tǒng)包含舊有軌電車和地下系統(tǒng)的直流牽引系統(tǒng)為 600V，較新的有軌電車系統(tǒng)為 750V地鐵，以及更多郊區(qū)線路使用的1500V。郊區(qū)也使用大型 3000V 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

直流電氣化鐵路系統(tǒng)的趨勢

鐵路系統(tǒng)電壓和效率穩(wěn)步提高的總體趨勢。電壓的增加可使電流減少，使用較高線號（較細(xì)）的電纜即足夠。較低電壓的系統(tǒng)將需要高電流水平，這導(dǎo)致架空線較粗和變電站之間的距離較短。透過減少能量的損耗，能源的轉(zhuǎn)換效率的提高減少了二氧化碳的排放。煞車的過程中，藉由轉(zhuǎn)子的動能轉(zhuǎn)換成電能，將回收的電能回存于電源端儲存。許多參數(shù)在產(chǎn)品中就可以被設(shè)計能確保產(chǎn)品不會被電性、機(jī)械與環(huán)境等的應(yīng)力致使的過早出線故障。平均故障間隔時間 (MTBF) 為一個關(guān)鍵參數(shù)，表示設(shè)備在穩(wěn)態(tài)條件下長期運(yùn)行的能力。

如何在鐵路系統(tǒng)中使用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器

再生制動依賴于使用大型雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器將電力送回從直流饋線到電池組或儲能系統(tǒng) (ESS)。較小的直流轉(zhuǎn)換是在現(xiàn)代鐵路中，為所有電子設(shè)備和相關(guān)的子系統(tǒng)持續(xù)的電力供應(yīng)。這些輔助系統(tǒng)包括更高電壓的關(guān)鍵系統(tǒng)，例如發(fā)動機(jī)控制、電機(jī)驅(qū)動控制和制動系統(tǒng)，以及低壓二次系統(tǒng)包括照明、電池充電、指示燈、泵、信息顯示器和電動門。傳統(tǒng)的解決方案通常涉及使用輸入濾波器、三相逆變器和低頻率變壓器，以提供架空線電壓和之間的電氣隔離輔助供電設(shè)備。

通常，這種變壓器又大又笨重，給已經(jīng)空間和重量受限的應(yīng)用增加額外的負(fù)擔(dān)。相反，可以使用隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器來滿足尺寸、現(xiàn)代鐵路應(yīng)用的重量和功率要求。目標(biāo)是轉(zhuǎn)換高 750V，1500V 和/或 3000V 輸入電壓到穩(wěn)壓 24、28、36、48、72、96 或 110 伏輸出。主電源在列車內(nèi)的配電也需要一個 DC-to-DC 鏈轉(zhuǎn)換為二級系統(tǒng)。如前所述，標(biāo)稱輸入電壓可以從低至從 24 伏到高達(dá) 110 伏；在這里，需要經(jīng)過輸出穩(wěn)壓功能的 3.3、5、12、15 或 24 伏輸出。

鐵路電氣設(shè)備的 EN 50155 歐洲標(biāo)準(zhǔn)要求標(biāo)稱輸入電壓可在額定電壓的 0.7 至 1.25 倍之間波動。該標(biāo)準(zhǔn)還允許短期0.6 和 1.4 倍標(biāo)稱輸入電壓之間的偏差。換句話說，一個 110V 系統(tǒng)需要 77V和 137.5V 之間的連續(xù)電壓范圍，波動電壓范圍從66伏到154伏。 DC-DC轉(zhuǎn)換器可以支持寬輸入范圍以涵蓋多個標(biāo)稱輸入電壓。例如，一個轉(zhuǎn)換器常見的 72V 和 110V 鐵路輸入電壓需要的工作輸入電壓范圍為43.2 伏至 154 伏（見表 1）。 P-DUKE 提供 RHKW、RHMW 和 RHDW 系列適用于鐵路和工業(yè)應(yīng)用的可安裝 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。這些設(shè)備都提供3,000 VAC 增強(qiáng)型隔離以及從 36 伏到 160 伏的寬輸入范圍，允許它們用于 72V、96V 和 110V 鐵路應(yīng)用。

隔離轉(zhuǎn)換器中變壓器的設(shè)計考量

隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器將利用變壓器在輸入之間提供電流隔離和設(shè)備的輸出。通常，DC-to-DC 轉(zhuǎn)換是通過首先將直流電透過主切換元件轉(zhuǎn)換為交流電，通過變壓器傳遞能量至二次側(cè)，然后通過整流器取得穩(wěn)定的直流輸出（電路的一二次側(cè)之間沒有金屬或?qū)щ娐窂剑?。絕緣能力取決于空間和沿面距離，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有嚴(yán)格之定義?？臻g距離是兩個導(dǎo)體之間通過空氣的距離，而沿面距離是沿兩個導(dǎo)體之間的表面。空間距離使防止電弧產(chǎn)生，沿面距離是減輕了在表面被污染的情況下發(fā)生短路與導(dǎo)電的可能性。變壓器阻絕了一次側(cè)的危險電壓，維持二次側(cè)的安全性；變壓器本身的絕緣能力會影響能量的耦合傳遞，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)換器的整體轉(zhuǎn)換效率。 P-DUKE的專利變壓器設(shè)計能夠使轉(zhuǎn)換器有高達(dá)90.5%的轉(zhuǎn)換效率外，同時擁有4.5mm的空間距離與沿面距離（圖 1）。

滿足鐵路應(yīng)用的苛刻條件

在 EN 50155 標(biāo)準(zhǔn)之外，EN61373 標(biāo)準(zhǔn)列出了用于鐵路車輛設(shè)備的測試要求。這些設(shè)備將受到近乎恒定的振動以及在某些情況下的機(jī)械沖擊條件。振動測試將包括模擬長壽命測試，其中被測試的設(shè)備以特定振幅承受至少 15 小時的振動。于機(jī)械沖擊測試時，該設(shè)備會經(jīng)歷一系列半正弦脈沖的沖擊應(yīng)力來重現(xiàn)列車行駛中的效應(yīng)。

鐵路系統(tǒng)中使用的電子設(shè)備的認(rèn)證和安全認(rèn)證涵蓋EN 50155、EN 61373 和 EN 44545-2 以確保這些系統(tǒng)性能不受電氣、環(huán)境或火災(zāi)危險。其他標(biāo)準(zhǔn)包括 IEC/UL/EN 62368-1音頻、視頻領(lǐng)域電氣和電子設(shè)備的安全要求標(biāo)準(zhǔn)信息和通信設(shè)備——鐵路常用的輔助系統(tǒng)。

P-DUKE 的鐵路 DC-DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品

P-DUKE 的 RHK03W、RHK06W、RHK10W (3W/6/10W)、RHM20W (20W) 和 RHD40W (40W) 系列 DC-DC 轉(zhuǎn)換器是適用于 72V、96V 和 110V 鐵路輸入并符合 EN 50155、EN 61373 和 EN 445545-2 鐵路電氣標(biāo)準(zhǔn)以及IEC/UL/EN 62368-1 標(biāo)準(zhǔn)（具備加強(qiáng)絕緣等級）設(shè)備（圖 2）。這些轉(zhuǎn)換器具有內(nèi)置的 EMI 電路，其設(shè)計根據(jù)IEC/EN 55032 A 類以及 IEC/EN 50121-3-2。這大大簡化了 PCB 設(shè)計并節(jié)省了空間。變壓器設(shè)計可實現(xiàn)高達(dá) 90.5% 的效率，同時滿足苛刻的工業(yè)和鐵路應(yīng)用的安全和隔離要求。他們通過震動與沖擊試驗的測試，適用于 -40°C 至 +105°C 的寬工作溫度范圍，并且可運(yùn)行于5000m高海拔環(huán)境，應(yīng)用于可能穿越山區(qū)的機(jī)車車輛。

結(jié)論

鐵路應(yīng)用中使用的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器有相當(dāng)多的考量地方，包含輸入電壓的基本需求到隔離與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，這使得這些設(shè)備可以克服惡劣的環(huán)境中的各項電氣、機(jī)械和環(huán)境條件。這些設(shè)備不僅需要滿足常見的鐵路標(biāo)準(zhǔn)，但還應(yīng)具有一定程度的抗電磁干擾能力。

P-DUKE 提供符合上述所有標(biāo)準(zhǔn)的從 3W 到 300W 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

原文連接：https://www.pduke.com.cn/sc/news_detail5_25.htm

RHK03W：https://www.pduke.com.cn/sc/product_list300.htm

RHK06W：https://www.pduke.com.cn/sc/product_list308.htm

RHK10W：https://www.pduke.com.cn/sc/product_list312.htm

RHM20W：https://www.pduke.com.cn/sc/product_list227.htm

RHD40W：https://www.pduke.com.cn/sc/product_list243.htm

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