選擇適用于鐵道應用的DCDC轉換器

鐵路電氣化系統依靠穩定的直流電源為其直流電機和控制/能量電路。這些直流牽引系統比煤炭、天然氣或以柴油為基礎的同類產品，同時還減少了二氧化碳排放。 DC-DC轉換器起著至關重要的作用，提高電氣化鐵路效能和電力品質。使用的電子元件在這些應用中將受到極端溫度、濕度、振動和機械沖擊應力。因此，它們需要高等級的電氣和結構完整性才足以在這些條件下可靠地運行。

本文探討了鐵路系統中 DC-DC 轉換器的要求，包括一般直流鐵路的描述，如何在這些系統中使用直流到直流轉換器，以及規范電子零件設備在無論何種條件下均能正常工作的標準。

了解直流電氣化鐵路系統

早期的鐵路電氣化系統基于低壓直流電，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依靠架空線和鐵軌提供的電源。最常見的電壓系統包含舊有軌電車和地下系統的直流牽引系統為 600V，較新的有軌電車系統為 750V地鐵，以及更多郊區線路使用的1500V。郊區也使用大型 3000V 系統網絡。

直流電氣化鐵路系統的趨勢

鐵路系統電壓和效率穩步提高的總體趨勢。電壓的增加可使電流減少，使用較高線號（較細）的電纜即足夠。較低電壓的系統將需要高電流水平，這導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，藉由轉子的動能轉換成電能，將回收的電能回存于電源端儲存。許多參數在產品中就可以被設計能確保產品不會被電性、機械與環境等的應力致使的過早出線故障。平均故障間隔時間 (MTBF) 為一個關鍵參數，表示設備在穩態條件下長期運行的能力。

如何在鐵路系統中使用 DC-DC 轉換器

再生制動依賴于使用大型雙向 DC-DC 轉換器將電力送回從直流饋線到電池組或儲能系統 (ESS)。較小的直流轉換是在現代鐵路中，為所有電子設備和相關的子系統持續的電力供應。這些輔助系統包括更高電壓的關鍵系統，例如發動機控制、電機驅動控制和制動系統，以及低壓二次系統包括照明、電池充電、指示燈、泵、信息顯示器和電動門。傳統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備。

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

鐵路電氣設備的 EN 50155 歐洲標準要求標稱輸入電壓可在額定電壓的 0.7 至 1.25 倍之間波動。該標準還允許短期0.6 和 1.4 倍標稱輸入電壓之間的偏差。換句話說，一個 110V 系統需要 77V和 137.5V 之間的連續電壓范圍，波動電壓范圍從66伏到154伏。 DC-DC轉換器可以支持寬輸入范圍以涵蓋多個標稱輸入電壓。例如，一個轉換器常見的 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應用的可安裝 DC-DC 轉換器。這些設備都提供3,000 VAC 增強型隔離以及從 36 伏到 160 伏的寬輸入范圍，允許它們用于 72V、96V 和 110V 鐵路應用。

隔離轉換器中變壓器的設計考量

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

滿足鐵路應用的苛刻條件

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

鐵路系統中使用的電子設備的認證和安全認證涵蓋EN 50155、EN 61373 和 EN 44545-2 以確保這些系統性能不受電氣、環境或火災危險。其他標準包括 IEC/UL/EN 62368-1音頻、視頻領域電氣和電子設備的安全要求標準信息和通信設備——鐵路常用的輔助系統。

P-DUKE 的鐵路 DC-DC 轉換器產品

P-DUKE 的 RHK03W、RHK06W、RHK10W (3W/6/10W)、RHM20W (20W) 和 RHD40W (40W) 系列 DC-DC 轉換器是適用于 72V、96V 和 110V 鐵路輸入并符合 EN 50155、EN 61373 和 EN 445545-2 鐵路電氣標準以及IEC/UL/EN 62368-1 標準（具備加強絕緣等級）設備（圖 2）。這些轉換器具有內置的 EMI 電路，其設計根據IEC/EN 55032 A 類以及 IEC/EN 50121-3-2。這大大簡化了 PCB 設計并節省了空間。變壓器設計可實現高達 90.5% 的效率，同時滿足苛刻的工業和鐵路應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，并且可運行于5000m高海拔環境，應用于可能穿越山區的機車車輛。

結論

鐵路應用中使用的 DC-DC 轉換器有相當多的考量地方，包含輸入電壓的基本需求到隔離與結構穩定性，這使得這些設備可以克服惡劣的環境中的各項電氣、機械和環境條件。這些設備不僅需要滿足常見的鐵路標準，但還應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準的從 3W 到 300W 的 DC-DC 轉換器。

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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