在铁路应用中的DC/DC转换器的要求

本文探讨了铁路系统中对DC-DC转换器的要求，包括直流铁路的描述，直流-直流转换器如何在这些系统中使用，以及允许这些设备在不考虑操作条件的情况下运行。

早期的铁路电气化系统基于低压直流，供电由轨道沿线牵引变电站（TSs）中的二极管整流器，功率分配给列车电机通过依赖架空线路和轨道提供的电源。最常见的电压旧的有轨电车和地下系统的直流牵引系统为600V，新的系统为750V地铁和更多郊区线路使用的1500V。郊区也使用大型3000V系统网络。

铁路系统的总体趋势是电压和效率稳步提高。电压的增加允许在更高规格（更薄）电缆的情况下降低电流足够的较低电压系统将需要高电流水平，这将导致较厚的架空线路和变电站之间的短距离。能源效率的提高减少了二氧化碳通过减少装置的能耗来减少排放。也可以采用能量再利用通过再生制动，转子的动能转化为电能并发送回到电源。

虽然这些参数中的许多参数确保了设备不会因不期望的原因而出现过早故障电气、机械和环境条件下，平均无故障时间（MTBF）为表示设备在稳态条件下运行时的长期磨损的关键参数。

DC-DC变换器在铁路系统中的应用

再生制动依赖于使用大型双向DC-DC转换器将电力回送从直流馈线连接到电池组或储能系统（ESS）。较小的直流转换为：在现代铁路中，必须向所有电子设备分配连续供电，以及coach内的子系统。这些辅助系统包括高电压关键系统，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、泵和信息显示器以及电动门

传统的解决方案通常涉及使用输入滤波器、三相逆变器和低通滤波器频率变压器，以便在架空线电压和辅助电源设备。

通常，该变压器体积庞大，为已经存在的空间增加了额外的质量-并且重量受应用程序限制。而是可以使用隔离的DC-DC转换器来满足尺寸，现代铁路应用的成本、重量和功率要求。目标是将高750V，将1500V和/或3000V输入电压转换为经调节的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条直流至直流链转换为二次系统。如前所述，标称输入电压可以从从24伏到高达110伏；因此，需要调节3.3、5、12、15或24伏输出。

EN 50155《铁路电气设备欧洲标准》要求：电压可以在额定电压的0.7到1.25倍之间波动。该标准还允许短期标称输入电压的0.6至1.4倍之间的偏差。
换言之，110V系统需要67.2伏和120伏，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，可覆盖多个标称输入电压。例如常用的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3000VAC的加强隔离以及从36伏到160伏的宽输入范围，允许它们在72V、96V和110V铁路应用中使用。

输入规格
表1:EN 50155铁路电气设备的标准电压范围规范

隔离变流器中的变压器注意事项
隔离直流-直流转换器将利用变压器在输入端之间提供电流隔离以及装置的输出。通常，DC到DC转换通过首先转换来完成通过逆变器将信号转换为交流，通过变压器发送信号，然后通过整流器用于调节直流输出（因此电路的两个部分之间没有金属或导电路径）。

隔离量取决于间隙和爬电距离，通常严格定义根据相关标准。间隙是两个导体之间通过空气的距离，爬电是沿两个导体之间的表面。间隙距离将防止电弧和爬电距离减少了在表面受到污染的情况下发生短路的可能性，并且导电的。变压器和从直流到交流（和反向）的转换次数将限制转换器可以实现的效率。隔离栅阻止直接控制输出用于更好的输出调节。还必须考虑变压器的效率，这可以：限制转换器本身的效率。P-DUKE的专利变压器设计可在即使间隙和爬电距离为4.5 mm，效率也高达90.5%（图1）。

图1：专利Transformer设计使效率达到90.5%，尽管间隙和爬电距离为4.5mm满足铁路应用的苛刻条件

在EN 50155标准之外，EN61373标准列出了设备的测试要求用于铁路车辆。这些装置将受到几乎恒定的振动，在某些情况下例如，机械冲击。振动试验将包括模拟长寿命试验，其中：被测装置在特定振幅下经受至少15小时的振动。震惊在测试中，该装置经历一系列半正弦脉冲，以再现传输的效果。铁路系统中使用的电子设备的认证和安全批准跨越EN 50155、EN 61373和EN 44545-2以确保这些系统的性能环境或火灾危险。其他标准包括IEC/UL/EN 62368-1音频、视频、音频和视频领域电气和电子设备安全要求标准，信息和通信设备铁路辅助设备中经常使用的系统系统。

除EN 50121-2标准外，没有针对铁路应用的直接EMI标准：在铁路边界围栏处测得的最大排放水平；然而，电磁这些系统的环境要求具有来自变电站、主电源等的潜在源，架空线路和机车车辆。对于铁路和工业应用，具有具有一定电磁抗扰度的转换器。

P-DUKE的铁路直流-直流转换器产品

P-DUKE的RHKW（3W/6/10W）、RHMW（20W）和RHDW（40W）系列DC-DC转换器是适用于72V、96V和110V铁路输入，符合EN 50155、EN 61373和EN 445545-2铁路标准电气标准以及IEC/UL/EN 62368-1标准（带加强绝缘）设备（图2）。这些转换器具有内置EMI电路，其设计符合：
IEC/EN 55032 A级以及IEC/EN 50121-3-2。这大大简化了PCB设计并节省了成本房地产委员会。变压器设计允许高达90.5%的效率，同时还满足：苛刻的工业和铁路应用的安全和隔离要求。它们经过测适用于-40°C至+105°C的宽工作温度下的振动和冲击，并在以下条件下运行：5000米用于可能穿过山区的机车车辆。

结论

在铁路应用中使用的DC-DC转换器从基本电压起有许多考虑因素隔离和施工要求。这允许这些设备在恶劣环境下运行电气、机械和环境条件。这些设备不仅需要满足通用要求铁路标准，但也应具有一定程度的抗电磁干扰能力。P-Duke提供3W至300W的DC-DC转换器，满足上述所有标准。