Gespecialiseerde DC/DC-converters voldoen aan de unieke uitdagingen van stroomvoorziening voor spoorwegen

Moderne spoorwegsystemen hebben steeds meer elektronica aan boord voor functies zoals internettoegang voor passagiers, satellietverbindingen, intercoms en omroepsystemen, navigatiesubsystemen, noodradio's, signaalborden, ledverlichting, informatiesystemen, oplaadpunten bij zitplaatsen en andere accessoires. Er zijn ook subsystemen voor het opladen van accu's, omdat veel van deze functies van stroom moeten worden voorzien tijdens korte stroomonderbrekingen of lange perioden van stroomuitval. Elk van deze functies heeft unieke spanningsvereisten, wat leidt tot de inzet van veel DC/DC-converters om een hogere gelijkspanning om te zetten in meerdere lagere voltages.

Ontwerpers die DC/DC-converters specificeren voor gebruik bij de spoorwegen moeten er echter voor zorgen dat deze converters betrouwbaar zijn in kleine ruimtes onder moeilijke elektrische, mechanische en thermische omstandigheden. Ook moeten ze voldoen aan een lange lijst van strenge industriële en regelgevende vereisten en eenvoudig kunnen worden ingezet om tijd te besparen.

In dit artikel wordt allereerst kort ingegaan op de vereisten voor DC/DC-converters voor spoorwegtoepassingen. Vervolgens worden DC/DC-converters van TRACO Power geïntroduceerd en wordt getoond hoe deze kunnen worden toegepast om aan deze vereisten te voldoen.

Stroomdistributie voor spoorwegen

Een typisch stroomdistributietraject voor een elektrische trein of tram heeft meerdere lagere voltages die zijn afgeleid van de primaire DC-bovenleidingsbron. Zoals bij elke kritische applicatie, zijn er verplichte industrienormen die prestatievereisten definiëren vanuit meerdere perspectieven.

De belangrijkste reglementaire specificatie voor spoorwegelektronica is EN 50155, Spoorwegen en soortgelijk geleid vervoer - Elektronische uitrusting voor gebruik in rollend materieel. Hierin worden omgevings- en servicevoorwaarden, verwachtingen ten aanzien van betrouwbaarheid, veiligheid en ontwerp- en constructiemethoden vastgelegd. Ook documentatie en testen komen aan bod.

Andere kritieke specificaties zijn onder andere:

• EN 61373, Spoorwegen en soortgelijk geleid vervoer - Uitrusting voor rollend materieel - Schok- en trilbeproevingen
• EN 61000-4, Elektromagnetische compatibiliteit (EMC)
• EN 45545-2, Europese spoorwegnorm voor brandveiligheid
• Britse spoorwegindustrienorm RIA 12, Algemene specificatie voor de bescherming van elektronische apparatuur voor tractie en rollend materieel tegen transiënten en schommelingen in gelijkstroomregelsystemen

Naleving van deze wettelijke vereisten is een grote ontwerpuitdaging, zelfs als het doe-het-zelf converterontwerp tijdens simulatie en als prototype op een testbank werkt zoals bedoeld. Gelukkig is een doe-het-zelf-aanpak niet nodig. Er zijn al kant-en-klare, toepassingsspecifieke, standaard DC/DC-converters verkrijgbaar die voldoen aan de spoorwegvereisten.

De TEP 150UIR/TEP 200UIR zijn bijvoorbeeld twee vergelijkbare series half-brick, printplaatconverters van respectievelijk 150 en 200 watt. Ze hebben een versterkte ingang/uitgang (I/O) isolatie van 3000 volt AC (V_AC) en een ingebouwde kortsluitings-, overspannings- en overtemperatuurbeveiliging.

Alle componenten in deze twee series hebben dezelfde aansluitconfiguratie en pakketgrootte van 60 mm × 60 mm × 13 mm (afbeelding 1). Hun efficiëntie is ongeveer 90%.

Afbeelding 1: Alle componenten in de series TEP 150UIR en TEP 200UIR hebben dezelfde afmeting en vormfactor. (Bron afbeelding: TRACO Power)

De TEP 150UIR-serie werkt met een extreem breed ingangsspanningsbereik van 14 tot 160 volt DC (V_DC) en is verkrijgbaar in vijf uitgangswaarden van 5 volt/30 ampère (A) tot 48 volt/3,2 A (afbeelding 2).

Afbeelding 2: De TEP 150UIR-serie is verkrijgbaar met een spanning/stroombereik van 5 volt/30 A tot 48 volt/3,2 A. (Bron afbeelding: TRACO Power)

De TEP 150-7211UIR, met de laagste spanning en hoogste stroom, kan tot 30 A leveren bij 5 volt.

De TEP 200UIR-serie heeft hetzelfde ingangs- en uitgangsspanningsbereik, maar hogere stromen, van 5 volt/40 A tot 48 volt/4,2 A (afbeelding 3).

Afbeelding 3: De TEP 200UIR-serie biedt 33% meer vermogen, met dezelfde uitgangsspanningswaarden maar hogere uitgangsstromen. (Bron afbeelding: TRACO Power)

De TEP 200-7218UIR heeft de hoogste spanning/laagste stroom in deze serie en kan tot 4,2 A leveren bij 48 volt, vergeleken met 3,2 A voor zijn tegenhanger van 150 watt bij diezelfde spanning.

Door een gemeenschappelijke grootte en voetafdruk te behouden, kunnen gebruikers eenvoudig een schakeling upgraden om aan andere behoeften te voldoen of andere printplaten gebruiken met minimale bekabelings- en lay-outproblemen. Ook kunnen ze hun inventarisatie vereenvoudigen door minder unieke modellen op voorraad te nemen.

Drie belangrijke functies

De TEP 150UIR en TEP 200UIR units hebben drie opvallende kenmerken: een breed ingangsspanningsbereik, een langere holdup-tijd en een actieve inschakelstroombegrenzing.

1) Breed ingangsspanningsbereik: Typische industriële elektronica kan voldoen aan de algemene spannings-/stroomvereisten, maar DC/DC-converters voor deze toepassing moeten bestand zijn tegen veel grotere variaties in ingangsspanning en een reeks mogelijke nominale waarden (afbeelding 4).

Afbeelding 4: De DC-ingangswaarden voor verschillende spoorwegtoepassingen hebben een extreem breed bereik, vooral wanneer toelaatbare afwijkingen van nominale waarden in de analyse worden meegenomen. (Bron afbeelding: TRACO Power)

Dit omvat de toegestane variaties in ingangsspanning rond elke nominale waarde:

• Continu bereik = 0,7 tot 1,25 × V_NOM
• Brown-out = 0,6 × V_NOM gedurende 100 milliseconden (ms)
• Schommeling = 1,4 × V_NOM gedurende één seconde

Het is moeilijk om een spanningsomvormer te ontwerpen die een brown-out van 100 ms kan opvangen, terwijl schommelingen van een seconde te veel energie hebben om te kunnen worden geklemd. Daarom moet de converter over het volledige bereik werken dat is weergegeven in afbeelding 4, met een zekere veiligheidsmarge. In de praktijk betekent dit een ingangsbereik van meer dan 2,33:1.

Wat de situatie nog ingewikkelder maakt, is dat de nominale spanning kan variëren van 24 V_DC tot 110 V_DC. Veel fabrikanten van DC/DC-converters voldoen aan deze eisen door converters aan te bieden met een breder 4:1 ingangsbereik (meestal 43 tot 160 volt) om aan de meeste toepassingen te voldoen. Een enkele converter is echter meestal niet in staat om aan alle eisen te voldoen.

Om dit te verhelpen, ondersteunen de TRACO eenheden een ultrabrede 12:1 ingang van 14 tot 160 V_DC. Dankzij dit bereik kan de system application engineer zich richten op een reeks nominale systeemspanningen met één enkele voeding.

2) Langere holdup-tijd: De DC-lijn is onderhevig aan snelle transiënten van ± 2 kilovolt (kV) met een stijgtijd van 5 nanoseconden (ns), een daaltijd van 50 ns en een herhalingssnelheid van 5 kilohertz (kHz). Er zijn ook schommelingen van ± 2 kV lijn-naar-aarde en ± 1 kV lijn-naar-lijn met stijgtijden van 1,2 microseconden (μs) en daaltijden van 50 μs van een gedefinieerde, AC-gekoppelde bronimpedantie.

Sommige vereisten gaan verder dan EN 50155 en vereisen immuniteit voor pieken tot 1,5 × V_NOM gedurende één seconde en 3,5 × V_NOM gedurende 20 ms van een extreem lage bronimpedantie van 0,2 ohm (Ω). Voor een systeem op 110 V_DC (nominaal) komt dit overeen met een piekwaarde van 385 V_DC, wat buiten het normale bereik van een converter ligt, vooral als deze moet werken tot de minimale brown-out van 66 V_DC.

De energie die beschikbaar is van zo'n laagohmige bron betekent dat de spanning niet geklemd kan worden door een transiënte spanningsonderdrukker (TVS). Afhankelijk van het vermogensniveau is een voorregelaar op de voedingsingang vereist of een schakeling die de ingang uitschakelt voor de duur van de schommeling. De DC/DC-converter heeft een holdup-functie nodig om de uitgang gedurende deze tijd in stand te houden.

Om dit probleem op te lossen, hebben de TRACO-eenheden een belangrijke functie in de vorm van een BUS-pen-uitgang. Deze uitgang levert een vaste spanning om een condensator op te laden, zodat de condensator de energie kan leveren die nodig is voor een langere holdup-tijd (afbeelding 5). Deze condensatoren zijn aanmerkelijk kleiner en goedkoper dan de condensatoren die gebruikt worden in het conventionele front-end holdup-schema van condensatoren.

Afbeelding 5: Dit is de aanbevolen ingangsschakeling voor gebruik met de buscondensator C_BUS om de implementatie van een langere holdup-tijd te vereenvoudigen. (Bron afbeelding: TRACO Power)

Merk op dat er geen seriediode aan de ingangsschakeling hoeft te worden toegevoegd, omdat deze converters een geïntegreerde diode hebben om kortsluiting te voorkomen en de energie van de condensator naar de voeding te laten stromen.

Wanneer een onderbreking van de voedingsspanning optreedt, daalt de ingangsspanning tot de BUS-spanning voordat de condensatoren beginnen te ontladen om energie te leveren aan de voedingsmodule. Door hun relatief hoge vermogensdichtheid kunnen de TEP 150UIR-serie en TEP 200UIR-serie een vaste BUS-spanning leveren bij een ingangsspanning tot 80 volt. Bij hogere ingangsspanningen neemt de BUS-spanning lineair toe met de werkelijke ingangsspanning (afbeelding 6).

Afbeelding 6: De converters leveren een vaste BUS-spanning tot 80 volt ingangsspanning; bij hogere ingangsspanningen neemt de BUS-spanning lineair toe met de werkelijke ingangsspanning. (Bron afbeelding: TRACO Power)

3) Actieve inschakelstroombegrenzing: Hiermee wordt een veel voorkomend probleem bij vermogensconverters aangepakt: wanneer de ingangsspanning begint op te lopen, veroorzaken de holdup-condensatoren op de ingangsaansluiting een hoge inschakelstroom. Hierdoor kan een zekering doorslaan of een stroomonderbreker uitschakelen en kunnen er fouten en storingen optreden in aangesloten apparaten.

Om dit te voorkomen, levert een pulse-pen van zowel de TEP 150UIR-serie als de TEP 200UIR-serie een blokgolfsignaal van 12 volt, 1 kHz dat kan worden gebruikt met de schakeling voor inschakelstroombegrenzing (afbeelding 7).

Afbeelding 7: De TEP 150UIR-serie en de TEP 200UIR-serie bieden een eenvoudige manier om inschakelstroom bij het opstarten te begrenzen met behulp van een pulse-pen met een blokgolfsignaal. (Bron afbeelding: TRACO Power)

Door de schakeling voor actieve inschakelstroombegrenzing op de pulse-pen aan te sluiten, wordt de inschakelstroom effectief begrensd (afbeelding 8). Zonder begrenzing is de inschakelstroom ongeveer 120 A (links), terwijl deze met begrenzing daalt tot ongeveer 24,5 A (rechts).

Afbeelding 8: Door de actieve inschakelstroombegrenzing van de converters aan te sturen met de puls-pen wordt de inschakelstroom met een factor vijf verlaagd. Hier wordt een voorbeeld getoond met een V_in van 72 volt. De horizontale schaalverdeling links is 50 volt/verdeling en rechts 10 volt/verdeling, met een schaalfactor van de transducer van 1 volt = 1 A. (Bron afbeelding: TRACO Power)

Conclusie

DC/DC-converters voor spoorwegtoepassingen met een laag voltage moeten meer doen dan betrouwbare, consistente stroomprestaties leveren. Ze moeten compact zijn, eenvoudig te beheren en in te zetten zijn, geschikt zijn voor een breed scala aan toepassingen, geschikt zijn voor gebruik in zware omgevingen en in staat zijn om te voldoen aan een lange lijst van uitdagende elektrische, thermische en mechanische regelgevende normen en mandaten. Zoals we hebben gezien, zijn de TEP 150UIR-serie en TEP 200UIR-serie van TRACO Power opgewassen tegen hun taak met kenmerken zoals een breed 12:1 ingangsspanningsbereik van 14 tot 160 V_DC, een holdup-pen om condensatoren op te laden om energie te leveren tijdens spanningsdalingen, het vermogen om schommelingen te weerstaan en talloze uitgangsspannings-/stroomcombinaties, allemaal in één enkele vormfactor.