ตัวแปลง DC/DC แบบพิเศษเผชิญกับความท้าทายเฉพาะตัวในการจ่ายไฟฟ้าในรถไฟ

ระบบรถไฟสมัยใหม่มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนรถไฟเพิ่มมากขึ้นสำหรับการทำงานต่างๆ เช่น การเข้าถึงอินเทอร์เน็ตสำหรับผู้โดยสาร, การเชื่อมต่อผ่านดาวเทียม, ระบบอินเตอร์คอมและระบบกระจายเสียงสาธารณะ (PA), ระบบการนำทาง, วิทยุฉุกเฉิน, ป้ายประกาศ, ไฟ LED, ระบบข้อมูล, ปลั๊กชาร์จตรงที่นั่งโดยสาร และอุปกรณ์อื่นๆ นอกจากนี้ยังมีระบบย่อยสำหรับการชาร์จแบตเตอรี่ เนื่องจากฟังก์ชันต่างๆ เหล่านี้จะต้องมีกระแสไฟฟ้าไฟในระหว่างที่ไฟฟ้าดับชั่วคราวหรือไฟดับเป็นระยะเวลานาน แต่ละฟังก์ชันเหล่านี้มีข้อกำหนดด้านแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน ซึ่งนำไปสู่การใช้คอนเวอร์เตอร์ DC/DC จำนวนมากเพื่อแปลง DC แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าให้เป็นแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าหลายตัว

อย่างไรก็ตามนักออกแบบผู้กำหนดตัวแปลง DC/DC สำหรับใช้ในทางรถไฟจำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าตัวแปลงเหล่านั้นสามารถทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือในพื้นที่จำกัดภายใต้สภาวะที่มีความเครียดทางไฟฟ้า เครื่องกล และความร้อน นอกจากนี้ ยังต้องเป็นไปตามข้อกำหนดทางอุตสาหกรรมและกฎระเบียบที่เข้มงวดจำนวนมาก และนำมาใช้งานได้อย่างง่ายดายเพื่อประหยัดเวลา

บทความนี้จะศึกษาข้อกำหนดของตัวแปลงไฟ DC/DC โดยย่อสำหรับการใช้งานในรถไฟ จากนั้นจะแนะนำตัวแปลง DC/DC จาก TRACO Power และแสดงให้เห็นว่าสามารถนำไปใช้ให้ตรงตามข้อกำหนดเหล่านั้นได้อย่างไร

การจ่ายไฟฟ้าในรถไฟ

เส้นทางการจ่ายไฟโดยทั่วไปสำหรับหัวรถไฟฟ้ามีแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่ามากที่ได้มาจากแหล่งจ่ายไฟหลักกระแสตรงเหนือศีรษะ เช่นเดียวกับการใช้งานที่สำคัญใด ๆ มีมาตรฐานอุตสาหกรรมที่บังคับใช้ซึ่งกำหนดข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพในหลายมุมมอง

ข้อกำหนดด้านกฎระเบียบที่โดดเด่นสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบรางคือ EN 50155 - การใช้งานทางรถไฟ - อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับล้อเลื่อน ซึ่งจะกำหนดสภาพแวดล้อมและการบริการ ความคาดหวังด้านความน่าเชื่อถือ ความปลอดภัย ตลอดจนวิธีการออกแบบและการก่อสร้าง นอกจากนี้ยังครอบคลุมถึงเอกสารประกอบและการทดสอบด้วย

ข้อกำหนดสำคัญอื่นๆ ได้แก่:

• EN 61373 การใช้งานทางรถไฟ - อุปกรณ์สำหรับล้อเลื่อน - การทดสอบแรงกระแทกและการสั่นสะเทือน
• EN 61000-4 สำหรับความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC)
• EN 45545-2 มาตรฐานรถไฟยุโรปเพื่อความปลอดภัยจากอัคคีภัย
• มาตรฐาน British Railway Industries Association RIA 12, ข้อกำหนดทั่วไปสำหรับการป้องกันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับรถลากและล้อเลื่อนจากภาวะไฟฟ้าขัดข้องชั่วคราวและไฟกระชากในระบบควบคุมกระแสตรง

การปฏิบัติตามข้อบังคับด้านกฎระเบียบเหล่านี้เป็นความท้าทายในการออกแบบที่สำคัญ แม้ว่าการออกแบบตัวแปลงไฟแบบทำเอง (DIY) จะทำงานตามที่ตั้งใจไว้ระหว่างการจำลองและเป็นต้นแบบจากห้องปฏิบัติการก็ตาม โชคดีที่ไม่จำเป็นต้องใช้วิธี DIY สามารถตัวแปลง DC/DC มาตรฐานที่มีจำหน่ายตามท้องตลาดสำหรับการใช้งานเฉพาะ ซึ่งตรงตามข้อกำหนดของระบบราง

ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์กลุ่ม TEP 150UIR/TEP 200UIR เป็นตัวแปลงแบบฮาร์ฟบริค สองรุ่นที่คล้ายกันซึ่งมีกำลังไฟ 150 และ 200 วัตต์ตามลำดับ ซึ่งเสริมกำลังไฟฟ้ากระแสสลับ 3,000 โวลต์ (V_AC) การแยกอินพุต/เอาต์พุต (I/O) และการป้องกันไฟฟ้าลัดวงจร แรงดันไฟฟ้าเกิน และการป้องกันอุณหภูมิเกินในตัว

อุปกรณ์ทั้งหมดอุปกรณ์สองกลุ่มนี้มีรูปแบบการเชื่อมต่อเหมือนกันและมีขนาดแพ็คเกจที่ 60 มม. × 60 มม. × 13 มม. (รูปที่ 1) โดยมีประสิทธิภาพอยู่ที่ประมาณ 90%

รูปที่ 1: อุปกรณ์ทั้งหมดของตระกูล TEP 150UIR และ TEP 200UIR มีขนาดแพ็คเกจและฟอร์มแฟคเตอร์เท่ากัน (แหล่งที่มาภาพ: TRACO Power)

ซีรีส์ TEP 150UIR ทำงานจากช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่กว้างมากที่ 14 ถึง 160 โวลต์ DC (V_DC) และมีให้เลือกจากการจับคู่เอาต์พุต 5 แบบตั้งแต่ 5 โวลต์/30 แอมแปร์ (A) ถึง 48 โวลต์/3.2 A (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: อุปกรณ์ซีรีส์ TEP 150UIR มีพิกัดแรงดัน/กระแสตั้งแต่ 5 V/30 A ถึง 48 V/3.2 A (แหล่งรูปภาพ: TRACO Power)

อุปกรณ์ในตระกูลนี้ที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำสุด/กระแสสูงสุดคือ TEP 150-7211UIR ซึ่งสามารถส่งกระแสไฟได้สูงสุด 30 A ที่ 5 V

อุปกรณ์ซีรีส์ TEP 200UIR มีช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตและเอาต์พุตเท่ากัน แต่มีกระแสสูงกว่า ตั้งแต่ 5 V/40 A ถึง 48 V/4.2 A (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: อุปกรณ์ตระกูล TEP 200UIR ให้กำลังมากกว่า 33% โดยมีค่าแรงดันเอาต์พุตเท่ากันแต่กระแสเอาต์พุตสูงกว่า (แหล่งที่มาภาพ: TRACO Power)

อุปกรณ์ในกลุ่มนี้ที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงสุด/กระแสต่ำสุดคือ TEP 200-7218UIR ซึ่งสามารถส่งกระแสไฟได้สูงสุด 4.2 A ที่ 48 V เทียบกับ 3.2 A สำหรับแรงดันไฟฟ้าขนาด 150 วัตต์ที่เหมือนกัน

ด้วยขนาดและขนาดพื้นที่ใช้งานทั่วไป ผู้ใช้สามารถอัพเกรดวงจรได้อย่างง่ายดายเพื่อรองรับความต้องการที่แตกต่างกัน หรือใช้บอร์ดที่แตกต่างกันโดยมีปัญหาด้านสายเคเบิลและเลย์เอาต์น้อยที่สุด นอกจากนั้นยังสามารถลดความซับซ้อนของสินค้าคงคลังด้วยการเก็บรักษาโมเดลที่ไม่ซ้ำใครให้น้อยลง

คุณสมบัติที่สำคัญสามประการ

TEP 150UIR และ TEP 200UIR นำเสนอคุณสมบัติที่โดดเด่นสามประการ ได้แก่ ช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่กว้าง ระยะเวลาคงที่ที่ขยายออกไป และข้อจำกัดกระแสไฟกระชาก

1)ช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตกว้าง: อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เกรดอุตสาหกรรมทั่วไปอาจตรงตามข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้า/กระแสไฟฟ้าทั่วไป แต่ตัวแปลงไฟ DC/DC สำหรับการใช้งานนี้จะต้องทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่กว้างขึ้นและช่วงของค่าที่ระบุที่เป็นไปได้ (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: ช่วงอินพุต DC สำหรับการใช้งานรางที่แตกต่างกันจะครอบคลุมช่วงที่กว้างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีการนำค่าเบี่ยงเบนที่อนุญาตจากค่าที่ระบุมารวมอยู่ในการวิเคราะห์ (แหล่งที่มาภาพ: TRACO Power)

โดยรวมถึงความแปรผันที่อนุญาตของแรงดันไฟฟ้าขาเข้ารอบๆ ค่าที่ระบุแต่ละค่า:

• ช่วงต่อเนื่อง = 0.7 ถึง 1.25, × V_NOM
• ไฟตก = 0.6 × V_NOM เป็นเวลา 100 มิลลิวินาที (ms)
• ไฟกระชาก = 1.4 × V_NOM เป็นเวลาหนึ่งวินาที

การออกแบบตัวแปลงพลังงานที่สามารถใช้งานขณะไฟดับเป็นเวลา 100 มิลลิวินาทีนั้นเป็นเรื่องยาก ในขณะที่ไฟกระชากที่ยาวนานหนึ่งวินาทีนั้นมีพลังงานมากเกินไปที่จะยึดจับ ดังนั้นคอนเวอร์เตอร์จะต้องทำงานในช่วงที่สมบูรณ์ดังแสดงในรูปที่ 4 ในขณะที่รวมค่าเผื่อด้านความปลอดภัยไว้ด้วย ในทางปฏิบัติ หมายถึงช่วงอินพุตมากกว่า 2.33:1

แรงดันไฟฟ้าทั่วไปสามารถมาค่าได้ตั้งแต่ 24 V_DC ถึง 110 V_DC ซึ่งทำให้สถานการณ์ซับซ้อนขึ้น โดยผู้ผลิตคอนเวอร์เตอร์ DC/DC หลายรายปฏิบัติตามข้อกำหนดเหล่านี้โดยนำเสนอคอนเวอร์เตอร์ที่มีช่วงอินพุต 4:1 กว้างขึ้น (โดยทั่วไปคือ 43 ถึง 160 โวลต์) เพื่อให้ครอบคลุมการใช้งานส่วนใหญ่ แต่โดยทั่วไปแล้วคอนเวอร์เตอร์ตัวเดียวไม่สามารถตอบสนองทุกการใช้งานได้

เพื่อแก้ไขปัญหานี้ หน่วย TRACO รองรับอินพุต 12:1 กว้างพิเศษที่ 14 ถึง 160 V_DC ช่วงนี้ช่วยให้วิศวกรที่เกี่ยวข้องกับระบบสามารถกำหนดเป้าหมายอาเรย์ของแรงดันไฟฟ้าของระบบที่ระบุด้วยแหล่งจ่ายไฟเพียงตัวเดียว

2)ขยายเวลาค้างค่า: ไฟฟ้า DC อยู่ภายใต้ภาวะชั่วคราวที่รวดเร็ว ±2 กิโลโวลต์ (kV) โดยมีเวลาเพิ่มขึ้น 5 นาโนวินาที (ns) เวลาตก 50 ns และอัตราการเกิดซ้ำ 5 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) นอกจากนี้ ยังมีไฟกระชากที่ ±2 kV จากไลน์ลงกราวด์ และ ±1 kV จากไลน์ต่อไลน์ด้วยเวลาที่เพิ่มขึ้น 1.2 ไมโครวินาที (μs) และเวลาลดกระแสที่ 50 μs จากอิมพีแดนซ์ของแหล่งจ่ายแบบควบคู่กับ AC ที่กำหนดไว้

ข้อกำหนดบางประการนั้นเหนือกว่า EN 50155 และต้องการภูมิคุ้มกันต่อไฟกระชากสูงถึง 1.5 x V_NOM เป็นเวลาหนึ่งวินาทีและ 3.5 × V_NOM เป็นเวลา 20 มิลลิวินาทีจากความต้านทานของแหล่งจ่ายต่ำมากที่ 0.2 โอห์ม (Ω) สำหรับระบบที่ 110 V_DC (ค่าปกติ) ซึ่งสอดคล้องกับค่าสูงสุดที่ 385 V_DC ซึ่งอยู่นอกช่วงปกติของคอนเวอร์เตอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากจำเป็นต้องทำงานจนถึง 66 V_DC ขั้นต่ำจนกระทั้งไฟดับ

พลังงานที่มีอยู่จากแหล่งที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำดังกล่าวหมายความว่าไม่สามารถจับแรงดันไฟฟ้าโดยตัวป้องกันแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะ (TVS) โดยจำเป็นต้องมีตัวควบคุมล่วงหน้าบนอินพุตแหล่งจ่ายหรือวงจรที่จะปิดอินพุตในช่วงเวลาที่เกิดไฟกระชาก ซึ่งขึ้นอยู่กับระดับพลังงาน นอกจากนั้นยังจำเป็นต้องมีฟังก์ชันระงับในตัวแปลง DC/DC เพื่อรักษาเอาต์พุตในช่วงเวลานี้

เพื่อแก้ไขปัญหาดังกล่าว TRACO มาพร้อมกับคุณสมบัติที่สำคัญในรูปแบบของเอาต์พุตพิน BUS โดยเอาต์พุตนี้ให้แรงดันไฟฟ้าคงที่เพื่อชาร์จตัวเก็บประจุ ซึ่งช่วยให้ตัวเก็บประจุสามารถจ่ายพลังงานที่จำเป็นสำหรับระยะเวลากักเก็บนานขึ้น (รูปที่ 5) ตัวเก็บประจุเหล่านี้มีขนาดเล็กกว่ามากและมีราคาถูกกว่าตัวเก็บประจุที่ใช้ในระบบกักเก็บตัวเก็บประจุแบบฟรอนต์เอนด์ทั่วไป

รูปที่ 5: นี่เป็นวงจรอินพุตที่แนะนำสำหรับใช้กับตัวเก็บประจุแบบบัส C_BUS เพื่อลดความซับซ้อนในการดำเนินการตามระยะเวลาการถือครองที่ขยายออกไป (แหล่งที่มาภาพ: TRACO Power)

โปรดทราบว่าไม่จำเป็นต้องเพิ่มไดโอดลงในวงจรอินพุต เนื่องจากตัวแปลงเหล่านี้มีไดโอดในตัวเพื่อหลีกเลี่ยงการลัดวงจรและรักษาพลังงานจากตัวเก็บประจุให้ไหลเข้าสู่แหล่งจ่ายไฟ

เมื่อแรงดันไฟฟ้าอินเตอร์รัพเกิดขึ้น แรงดันไฟฟ้าอินพุตจะลดลงจนถึงแรงดันไฟฟ้า BUS ก่อนที่ตัวเก็บประจุจะเริ่มคายประจุเพื่อจ่ายพลังงานให้กับโมดูลพลังงาน เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานที่ค่อนข้างสูง ซีรีส์ TEP 150UIR และซีรีส์ TEP 200UIR จึงสามารถจ่ายแรงดันไฟฟ้า BUS คงที่ที่แรงดันไฟฟ้าอินพุตสูงถึง 80 โวลต์ สำหรับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่สูงกว่า แรงดันไฟฟ้า BUS จะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงกับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าจริง (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: ตัวแปลงมีแรงดันไฟฟ้า BUS คงที่ที่แรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูงสุด 80 โวลต์ สำหรับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่สูงกว่า แรงดันไฟฟ้า BUS จะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงกับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าจริง (แหล่งที่มาภาพ: TRACO Power)

3)ข้อจำกัดกระแสพุ่งเข้าแบบแอคทีฟ: หัวข้อนี้เน้นปัญหาทั่วไปเกี่ยวกับตัวแปลงกำลัง: เมื่อแรงดันไฟฟ้าอินพุตเริ่มเพิ่มขึ้น ตัวเก็บประจุค้างที่ขั้วต่ออินพุตจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าพุ่งเข้าสูง ซึ่งอาจทำให้ฟิวส์ขาดหรือตัดวงจร และทำให้เกิดข้อผิดพลาดและข้อบกพร่องในอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ

เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ พินพัลส์จากทั้งซีรีส์ TEP 150UIR และ TEP 200UIR จะให้สัญญาณคลื่นสี่เหลี่ยม 12 โวลต์ 1 kHz ที่สามารถใช้กับวงจรจำกัดกระแสกระชาก (รูปที่ 7)

รูปที่ 7: อุปกรณ์ซีรีส์ TEP 150UIR และ TEP 200UIR นำเสนอวิธีง่ายๆ ในการจำกัดกระแสไฟพุ่งเข้าเมื่อสตาร์ทเครื่องโดยใช้พัลส์พินที่มีสัญญาณคลื่นสี่เหลี่ยม (แหล่งที่มาภาพ: TRACO Power)

โดยการเชื่อมต่อวงจรจำกัดกระแสกระชากแบบแอ็คทีฟเข้ากับพินพัลส์ กระแสพุ่งเข้าจะถูกจำกัดอย่างมีประสิทธิภาพ (รูปที่ 8) กระแสพุ่งเข้าจะอยู่ที่ประมาณ 120 A (ซ้าย) โดยไม่มีการจำกัดกระแสกระแสพุ่งเข้าจะอยู่ที่ประมาณ 24.5 A (ขวา)

รูปที่ 8: การขับเคลื่อนวงจรจำกัดกระแสไฟพุ่งเข้าที่ใช้งานอยู่ของคอนเวอร์เตอร์ด้วยพัลส์พินจะตัดกระแสไฟพุ่งเข้าเป็น 5 เท่า แสดงเป็นตัวอย่างที่มี V_in 72 V สเกลแนวนอนด้านซ้ายคือ 50 โวลต์/ดิวิชัน และด้านขวาคือ 10 โวลต์/ดิวิชั่น โดยมีสเกลแฟกเตอร์ของทรานสดิวเซอร์ที่ 1 V = 1 A (แหล่งรูปภาพ: TRACO Power)

สรุป

ตัวแปลง DC/DC สำหรับการใช้งานทางรถไฟที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำต้องทำมากกว่าการให้ประสิทธิภาพด้านพลังงานที่เชื่อถือได้และสม่ำเสมอ โดยจะต้องมีขนาดกะทัดรัด จัดการและปรับใช้ได้ง่าย รองรับการใช้งานที่หลากหลาย สามารถทำงานได้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง และสามารถตอบสนองมาตรฐานและข้อบังคับทางไฟฟ้า ความร้อน และเครื่องกลที่ท้าทายมากมาย ดังที่แสดงไว้ กลุ่มผลิตภัณฑ์ TRACO Power TEP 150UIR และ TEP 200UIR สามารถรองรับงานได้ด้วยคุณลักษณะที่ประกอบด้วยช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุต 12:1 ที่กว้างตั้งแต่ 14 ถึง 160 V_DC และมีพินสำหรับชาร์จตัวเก็บประจุเพื่อจ่ายพลังงานในระหว่างที่แรงดันไฟฟ้าตก ความสามารถทนไฟกระชาก และการจับคู่แรงดันไฟฟ้า/กระแสเอาต์พุตจำนวนมาก โดยทั้งหมดนี้อยู่ในฟอร์มแฟคเตอร์เดียว