【導讀】對于交通運輸系統中的DC/DC轉換器，其性能具有特殊要求，必須具有寬輸入范圍、嚴苛環境下EMI的抗干擾能力，這使得商業或“標準”工業級器件不太可能成為可靠的解決方案。本文概述了鐵路、汽車和工業車輛的應用要求，并介紹了符合規范要求的模塊化解決方案。
DC/DC轉換器幾乎可以應用到所有的電子系統中：消費類、IT類、工業類、運輸類等。轉換器大多都嵌在系統中，使系統與外界隔離，不受不可預測的電源和環境變化的影響，但交通工具就不同了。DC/DC轉換器通常直接由系統電池供電，系統電池也可以為其他負載供電，產生尖峰、浪涌和電壓跌落。交通工具的環境也會有冷凝、沖擊、振動和極端溫度變化的現象。本質上來說，交通工具在不同輻射EMC環境之間移動，包括來自其他車輛、無線電、電視和移動電話天線的排放。模塊化DC/DC轉換器是已經通過安全認證的，高性能、低成本器件。這些符合交通工具要求的模塊通常需要有特殊的設計才能達到目標市場性能標準。
交通運輸系統中的應用有不同的標稱電壓：以鐵路為例
鐵路可能被視為DC/DC轉換器最苛刻的應用之一，標稱系統電壓的變化可在24和110VDC之間。根據EN 50155-2017“鐵路應用-機車車輛上使用的電子設備” ，標稱電壓可以有+25%/-30%的變化，電壓可以低至標稱電壓的60%，而浪涌可以高達140%。圖1總結了可看到的電壓范圍。根據該標準，持續100ms的浪涌和電壓驟降到特定水平不應導致 “功能偏差” ，浪涌長達一秒的情況下可允許性能稍微下降。至于功率轉換器，很難說下游設備可接受的降級的程度，因此事實上DC/DC需要在140%的最高浪涌水平下長期地正常工作。
圖1：EN 50155-2017鐵路應用不同標稱電壓的電源電壓范圍
圖1顯示DC/DC轉換器的“標準”4:1輸入范圍，說明某些部件可以符合一些鐵路要求，而能夠應對所有變化的理想轉換器則需要10:1或更寬的輸入范圍。
一些鐵路應用仍然需要符合RIA 12標準，這是一個舊標準，必須承受大于標稱電壓3.5倍的浪涌，浪涌持續時間為20ms。對110V系統來說這等于是385V的峰值，DC/DC輸入范圍很難達到或讓瞬態抑制器吸收。源阻抗僅0.2歐姆，因此如果它被箝制到160V，瞬態抑制器的耗散功率峰值將是難以控制的180kW。RECOM[1] 推薦的一種有效方法是用串聯MOSFET來 “預調節” 電源，增加一個定時關斷機制，如果浪涌持續發生MOSFET的功耗也不會超過額定值。這個方案可以作為預制浪涌抑制器的模塊來處理高達300W的連續負載，也可作為分立器件使用，如圖2所示。
圖2：RIA 12應用的 “浪涌抑制器”設計圖（文獻來源RECOM）
軌道應用中的DC/DC轉換器通常還需要承受EN 61000-4-x標準中定義的快速瞬態過電壓。這些能量相對較低，因此簡單的LC濾波器和瞬態抑制器就足夠了。EN 50155還將電源中斷定義成S1、S2和S3三個類別，最壞的情況是標稱輸入電壓中斷20ms但不會對性能造成影響。這通常需要DC/DC轉換器外接保持電容。
跟其他大多數的應用相比，鐵路車輛的設備也受到更高的沖擊和振動。EN 61373標準在不同區域定義了等級，從3類安裝在車軸到1類安裝在車廂。在所有情況下，轉換器的結構都需要堅固耐用，PCB噴上涂層并加以灌封來最大限度地減少機械應力、防止潮濕。
RECOM的DC/DC轉換器系列及新收購的Power Control Systems [2]公司提供符合鐵路EN 50155認證要求的許多產品，從額定8W SMD、DIP24零件到具有超寬12:1輸入范圍、涵蓋所有的標稱電壓的240W磚型轉換器。RECOM還提供符合EN 50155和RIA 12要求的濾波電路參考設計[3]，以及常用于軌道旁邊的高達10kW三相AC輸入電源。
其他工業運輸應用可能有類似鐵路的要求
寬范圍的電池輸入電壓也適用于其他的應用如電動叉車、混合動力汽車或UPS系統。電池標稱電壓在12到48V之間，但是重負荷電機在 “負載突降” 時充電電壓和浪涌，會將12V系統的最大電壓提高到42V甚至更高（圖3）。48V系統中的電壓相對更高，但是當60V被定義為最大 “安全” 電壓時，可以使用如圖2的浪涌抑制器電路將DC/DC輸入電壓鉗位到最高60V。在這種安全的特低電壓下，DC/DC的絕緣系統可為 “功能隔離” ，而不需要取得認證機構的更高級別的認證。在 “冷啟動” 的情況下，低電壓寬輸入范圍DC/DC是一個好方案。由于最終用途的環境無法得到很好地控制、比如，行駛在軌道上的列車，車輛位置無法確定，因此建議使用堅固耐用的器件以確保可靠性。隨著電子技術進入農業和所有重型工業車輛，對寬輸入范圍和堅固結構的要求也是一樣的。
圖3：12V車輛應用中的浪涌電壓（來自LV124）
汽車電源電壓明確定義
道路車輛的電源電壓是非常明確的，由德國汽車制造商在2013年制定的LV124是12V系統的通用標準。圖3為常見的電壓，轉換器需要在超過4: 1輸入范圍內可靠工作。雖然不同的制造商有自己的解釋和要求，但標準ISO 7637-2也適用于高壓瞬態。可以施加高達-150V負瞬態持續2ms以及正電壓如+150V持續150ns。負脈沖是由并聯電感負載斷電所產生的。瞬態具有相對較低的能量，可以使用LC濾波器和瞬態抑制器加以減弱。
人們越來越關注混合動力汽車的48V DC系統，因為即將在2021年實施的法規要求新登記的乘用車的二氧化碳排放需低于每公里95克。那時市場還無法轉換成全電動車，因此混合動力車是大型車輛的唯一選擇。具有12V和48V系統電壓的系統可以提供更好的燃料消耗和排放，48V電池可在必要時提供牽引力，并為油泵和水泵等周邊設備供電，這在設備為電驅動時效率更高。
48V系統具有與12V系統類似的欠壓和過壓百分比范圍，但需要考慮將電壓保持在安全的60V水平以避免額外的昂貴絕緣系統。標準VDA 320定義的級別如圖4所示。
圖4：汽車48V系統電壓等級
如果在這些系統中使用DC/DC轉換器模塊，對于信息娛樂或導航應用，4:1（18-72V）輸入范圍可能就足夠了，但該模塊仍必須能夠承受沖擊和振動的規范，以及車輛停放在寒冷的北極或炎熱的熱帶所帶來的極大溫差。
模塊化DC/DC轉換器需要符合交通運輸系統的應用規范
交通運輸對DC/DC轉換器的要求可以輕松地由具有長期市場經驗的RECOM及姊妹公司PCS的現成解決方案滿足。廣泛的產品包括在鐵路應用中符合EN 50155標準的超寬12:1輸入的模塊，以及適用于汽車和工業車輛的堅固耐用的轉換器。為了確保使用壽命和最佳性能以及滿足苛刻應用的要求，RECOM的產品通過了全面的設計驗證和測試，包括全部的電性能、HALT、溫度循環和高溫老化。
文獻
[1] RECOM www.recom-power.com [2] Power Control Systems www.powercontrolsystems.com [3] RIA 12 ‘Surge stopper’ and EMI filter R-REF04-RIA12
來源：RECOM
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