電氣化鐵路牽引系統(electric rail traction systems)最初部署於19世紀,之後在當今時代變得越來越重要。與內燃機車輛相比,這種交通運輸模式在單位重量耗能方面是最佳的,而且具有更快的加速和更好的軌道梯度牽引性能(圖1)。我還記得1955年我6歲的時候,在美國紐約布魯克林區(Brooklyn)看到以高架電線牽引的有軌電車。

20180606NT01P1 圖1 電氣化鐵路牽引系統需要特別的電源管理方案。

當我研究鐵路供電電源設計架構時,很驚訝地發現竟然有這麼多電源供應商把這個領域作為一個主要目標市場,這還沒有包括西門子(Siemens)等公司的IC供應商的產品,以及西門子旗下的Mentor針對軌道牽引系統中電力電子的熱可靠性模擬系統等產品。

鐵路電力架構需要電源

對於電氣化鐵路牽引電力系統,第三軌和架空電線是主要的電源解決方案(圖2、圖3、圖4)。受電弓(pantograph)是安裝在列車頂端,從架空張力線取電的系統。

20180606NT01P2 圖2 從元件級來看,自帶氣冷/液冷(轉換器)、逆變器、整流器、電池和馬達的IGBT功率模組是這種系統的組成部分。(圖片來源:西門子)

20180606NT01P3 圖3 電氣化軌道牽引系統中需要電源的地方有很多。(圖片來源:Powerbox)

20180606NT01P4 圖4 鐵路車輛用電子設備的種類。(圖片來源:富士電機)

挑戰

在鐵路架構中設計電源轉換器既有其優點,也有困難。鐵路電源設計的主要部分出現在移動的、不受控的環境中,即火車上。此外,電力機車(electric locomotives)的預期使用壽命為30年,這意味著數千小時的服務時間和數百萬次的開關機次數(power cycle)。

高速移動的列車周邊也有很多地方需要供電,例如軌道旁邊。在這兩部分用電方面,設計人員都需要在惡劣和不受控環境下實現高於正常要求的可靠性。

這種環境下的功率元件會遇到嚴酷的電熱條件,比如短路、過壓、過流、過熱,以及老化效應等。在這種類型的應用中,可靠性是必需的,極端的工作溫度對最可靠的元件而言都是嚴酷的考驗。

電源通常採用對流冷卻,整個電源系統的工作溫度也必須低至-40℃。在這些電源系統中要使用振動補償彈簧夾端子,以及保形塗層,還要以緊湊的外形提供非常輕巧的設計,所有這些都是設計架構的一部分,所有架構還都必須展現出最高的效率。

設計還必須滿足大量國際標準的要求,例如《Railways Applications - Electronic Equipment Used on Rolling Stock(鐵路應用—機車車輛上使用的電子設備)》(EN50155)標準就要求抵抗衝擊和振動、浪湧、電壓變化、電磁性能和ESD測試,以及用於LED顯示、音訊放大器、安全監視器、照明和通訊系統的隔離電源DC/DC。此外還有《Electromagnetic Compatibility for Rolling Stock Apparatus(機車車輛設備電磁相容性)》(EN50121-3-2)、《Rolling Stock Equipment Shock and Vibration Tests(機車車輛設備衝擊和振動測試)》(EN61373)、《Fire Protection on Railway Vehicles(鐵路車輛的防火)》(EN45545)等標準,以及更多的本地化標準。

其他一些鐵路標準還包括:

•EN 55022 A類和B類;

•EN 61000-4-2(ESD);

•EN 61000-4-3(抗RF性能);

•EN 61000-4-4(快速瞬態);

•EN 61000-4-6(抗傳導性能);

•EN 50163;

•RIA 12浪湧保護(3.5VN 20ms);

•RIA 13和RIA 20機械標準;

•IEC 571和IEC61373衝擊/振動。

鐵路應用會對這些電源解決方案強調高負載和長壽命的要求,尤其是對離散功率元件,比如MOSFET、二極體、電晶體和IGBT等。西門子為此採用的技術包括:改善傳熱係數的直接鍵合銅基板;用條帶鍵合取代較厚的鍵合線,以便更好地處理大電流,以及具有非常低熱阻的無焊上片(die-attach)技術,上述技術都是用於增強開關機次數和承受模組封裝中的熱效應。

鐵路應用

鐵路應用包括以下幾個部分:

訊令和軌道旁邊的應用

平交道路口控制和訊令控制系統不需要滿足EN50155。大多數車外或軌道旁的鐵路應用都需要AC-DC電源,而不是DC-DC轉換器。

以下是ADM最近協助客戶實現的一個軌道旁應用範例。客戶需要更換地鐵車站資訊螢幕內的電源,這是由於佈線法規發生變化,要求顯示器採用直流電壓供電,而不是240VAC。必須克服的一個問題是允許電壓下降超過100V。

在遠離地下平台的控制櫃裡採用了一台Mean Well電源RSP-2400-48,將輸入的240VAC轉換為48VDC/50A輸出。每個顯示器都更新了一個Mean Well SD-25C-5 DC-DC轉換器,用來將輸入的48VDC轉換為顯示器供電所需的5VDC。

機車車輛

•推進系統(IGBT控制、制動控制、電腦);

•駕駛艙(包括電力顯示器、通訊系統等);

•旅客艙(交流電源充電、資訊顯示器、娛樂系統);

•餐車(微波爐、咖啡機、收銀機、電腦)→電池充電和系統用電產生;

•馬達起動的充電設備;

•牽引應用中的制動器磁化;

•零伏啟動應用。

接下來是ADM最近為客戶安裝配置精密時脈電源的機車車輛應用示例。該公司挑選了一個Mean Well PLN-60-12電源為高精準度網路控制時脈供電—這類時脈在澳洲的鐵路網上廣泛使用。事實證明,PLN-60-12非常可靠,這一點很重要,因為一旦安裝後再打開此設備的風險很高。

牽引變流器

當將電力用於鐵路系統中的牽引系統時,通常稱之為電力牽引。軌道電氣化是指在為電力機車系統供電時使用的電源系統類型,其可以是AC或DC,或複合電源(圖5)。

20180606NT01P5 圖5 英飛凌為牽引系統設計提供的IC解決方案。(圖片來源:英飛凌)

電氣化的類型選擇取決於許多因素,例如電源的可用性、應用領域類別,或是市區、郊區還是幹線服務等。

電力牽引系統主要有三種:

•直流(DC)電氣化系統(300、500、600、750、1,200、1,500和3,000VDC);

•交流(AC)電氣化系統(15kVAC@16.7Hz和25kVAC@50/60Hz,參見圖6);

20180606NT01P6 圖6 此處顯示了具有三級脈衝寬度調變(PWM)轉換器和變壓變頻(VVVF)控制系統逆變器架構的交流設計。該設計採用單個3級VVVF逆變器,共同驅動並聯的四台牽引電機。(圖片來源:富士電機)

•複合系統(1.5kVDC、3kVDC、15kVAC@16.7Hz、25kVAC@50Hz)。

輔助電源

供給直流電氣化軌道列車系統的主要直流電壓為1,500VDC、750VDC或600VDC,這些設計中所用IGBT採用兩級轉換器設計架構(圖7)。

20180606NT01P7 圖7 直流電氣化軌道車輛的輔助電源電路設計。(圖片來源:富士電機)

交流電電氣化軌道車上輔助電源的負載通常是指示燈、內部照明和控制電源,並且容量相對較小,然而,可靠性至關重要(圖8)。

20180606NT01P8 圖8 交流電電氣化軌道車輛的輔助電源電路設計。(圖片來源:富士電機)

有時輔助電源是安裝在電氣化軌道車頂部(圖9)。

20180606NT01P9 圖9 頂部安裝的輔助電源。(圖片來源:富士電機)

電動門系統

在較老的設計中,日本和其他地方經常使用氣動門系統。然而,最近電動門系統成為設計師的首選,因為其不需要太多維護,並且在乘客或行李被門夾住的危險情況中,透過採用自診斷功能並使用高速控制回應系統,還可提高乘客安全性(圖10)。

20180606NT01P10 圖10 電動門系統。(圖片來源:富士電機)

相關IC方案

提供電氣化鐵路牽引系統的IC業者中,本文主要介紹西門子的方案。

西門子稱,如果沒有電源轉換器,電氣化軌道牽引鏈(ERTC)不可能實現。這些電源元件將電流轉移並切換到電源轉換器的不同分支,並具有大電流高電壓能力。

西門子為德國最新的列車——ICE 4(BR 412)高速列車提供電源解決方案。他們的元件和系統解決方案涵蓋機械和電氣需求,以及推進系統、轉向架(一種鐵路驅動和導引系統,參見圖11)和車載電源的系統解決方案。

20180606NT01P11 圖11 轉向架是一種四輪或六輪轉向車,為車身提供支撐並用於提供牽引力和制動力。(圖片來源:Railway Technical網站)

欲瞭解更多有關資訊,請參閱西門子的《Components and systems for advanced rail vehicles(高階軌道車輛元件和系統)》手冊。

電源模組方案

電源模組方案介紹如下:

Vicor

我與Vicor ChiP DCM IC產品市場經理Kai Johnstad進行過交談,這些模組可以在未穩壓的寬範圍輸入下工作,產生隔離的直流輸出。鐵路有一些獨特的要求,20年來,Vicor一直在為滿足這些需求而定制自己的鐵路解決方案(圖12)。

20180606NT01P12 圖12 Vicor針對鐵路應用的DCM IC。(圖片來源:Vicor)

DCM IC具有高頻零電壓開關(ZVS)拓撲結構,而且轉換器可在其整個輸入電壓範圍內提供高效率。這些DC-DC轉換器模組(DCM)可滿足軌道應用的需求,特別是具有43~154V寬輸入電壓範圍的100VIN 3623 ChiP,可適用於72或110V額定電壓的軌道應用。這些電源解決方案可為各種系統提供電源轉換,從嵌入式電腦系統到資訊顯示器等。這一新系列的產品效率接近93%,功率密度高達653W/in3,可讓工程師使用小體積穩壓DC-DC轉換器來實現軌道電源設計人員所採用的多種標稱輸入電壓。

Vicor向設計師展示了如何使用模組化DC-DC轉換器能滿足歐洲鐵路應用標準。

Schaefer

Schaefer的鐵路級功率轉換產品包括AC-DC電源、DC-DC電源轉換器、整流器和電池充電器,以及DC-AC正弦波逆變器。他們專門為車載和軌道旁重軌電源應用提供定制的鐵路電源解決方案,並且符合EN 50155標準要求。

對於鐵路產業,確保提供穩定的電源系統存在相當大的挑戰,因為不僅有嚴格的技術和性能要求,而且需要符合若干國際標準。

以下是這個產業的一些需求:

•超寬輸入範圍以處理極端情況,例如74VDC匯流排;

•即使在啟動條件下也能保持穩定的輸出功率;

•降壓、升壓或隔離拓撲;

•DC/DC、DC/AC、AC/DC或AC/AC;

•定制解決方案,通常沒有一次性工程費用(NRE);

•高效率以降低擁有權總成本;

•密封的解決方案;

•自然對流或水冷解決方案;

•特別堅固的結構可用於要求最嚴格且苛刻的軌道和車載環境;

•冗餘配置可在關鍵應用中延長使用壽命;

•超寬溫度範圍;

•輕巧、高功率密度以適應較小的封裝設計。

Schaeffer為列車用電池充電器提供的鐵路電源包括4.5kW車載電池充電器系統和40kW AC/DC車載電池充電系統。

Absopulse

Absopulse鐵路轉換器的典型應用包括:

•訊令和通訊系統;

•無線連接解決方案;

•GPS追蹤系統;

•視訊監控和安全系統;

•乘客資訊顯示系統;

•客戶娛樂系統;

•列車控制和監測系統;

•牽引控制系統;

•門控系統;

•前大燈和尾燈系統。

Absopulse提供的一些典型產品包括適用於公共交通的750VDC鐵路DC/DC轉換器,以及具有寬輸入範圍的IP66等級的鐵路DC/AC純正弦波逆變器。

XP Power

XP Power針對鐵路應用用高效率50~600W DC/DC轉換器系列推出了一種新型鐵路電源——RDF50/RDL100/RDH300/RDH600系列。

XP Power指出,選擇電源供應商時需要考慮如下一些要求:

•符合EN50121、EN50124、EN50125、EN50155和EN50163等統一標準,以及RIA、NF-F-01-510、VDE、ST等國家標準;

•保守元件降額後的可靠性;

•全面設計驗證測試(DVT);

•長產品生命週期和停產(EOL)管理;

•專門的專案管理;

•寬輸入電壓,適用於全球常用的直流電池輸入電壓;

•EMC/EMI控制及抗峰值和浪湧性能;

•堅固的構造標準;

•寬廣的工作溫度範圍(典型值-40~70℃);

•對流或傳導冷卻;

•平行和冗餘操作;

•過熱、過壓、過流保護;

•符合RoHS;

•ISO 9001品質管制體系。

電源控制系統

Railway Technology是他們一系列新的電源控制系統產品的代表,其中包括用於鐵路訊令電源設備(PSU)的多輸出DC-DC轉換器MD146-IRX-2-N1,以及用於地鐵訊令設備的DC-DC轉換器RACK-4XSD206-I-RX-96-1。

一個挑戰是許多偏遠地區沒有電力供應。其他鐵路電源模組轉換器供應商還有Synqor、PULS、東芝(Toshiba)和Bel Power等。

定制和標準鐵路設計

Powerbox完成了許多優秀的標準鐵路電源設計,但也為鐵路應用提供客製化設計(圖13)。

20180606NT01P13 圖13 用於鐵路系統的Powerbox電源產品的一些示例。(圖片來源:Powerbox)

客戶電源需求實例

以下介紹一些鐵路應用需求的案例:

1.重新設計推進系統

挑戰:問題始於一位客戶的緊急電話。在一輛完整新車的首次測試中,推進系統會隨機停止,最初懷疑是Powerbox DC/DC轉換器的原因。

解決方案:Powerbox調查小組第二天在現場進行了實際測試和測量,以及理論分析,最終發現問題在於由轉換器供電的一個子系統。在某些運作模式下,該子系統會造成轉換器嚴重超載,遠遠超出設計參數。該團隊提出了一個解決方案,就是重新設計子系統,方案已經實施,而且專案按原定計劃進行。

2.解決雜訊和瞬變超出標準要求問題的系統方案

挑戰:Powerbox的一個老客戶在機車改造期間遇到了問題。電池充電器輸入電路反覆失敗。經過鑒定,原因來自並聯設備引起的雜訊和受電弓(從高架電線傳送電流到列車的接合框架)彈跳引起的瞬變兩方面的複合作用。雜訊和瞬態電平遠遠超出了EN50155和EN50121-3-2標準所要求的限值,並且超過了電池充電器可以應付的範圍。客戶知道Powerbox是鐵路電源專家,因此求助於他們來為此問題提供可能的解決方案。

解決方案:客戶與Powerbox共同決定,濾波是最便捷的處理方式。在三周內,Powerbox工程師設計製造了一個外掛低通濾波器,將雜訊和瞬態降至推薦水準,從而保護了充電器。

3.從轉換器要求到系統最佳化

挑戰:客戶提出的任務是在大量遠端軌道旁設施上為訊令設備供電。所提供的輸入電壓是交流幹線電源,而所需的輸出取決於每個現場的設備要求,是各種直流電壓,此外,還需要有備用電池。由於大多數設備安裝在熱管理能力有限的機櫃中,所以最小化散熱至關重要。大量的遠端網站意味著可靠性是必不可少的先決條件,這需要有較短的平均恢復時間(MTTR)。

解決方案:Powerbox最初被邀請為此應用提供DC/DC轉換器,但當他們分析應用狀況時,發現透過精益設計和模組化概念的應用,可以在其他幾個方面節省大量成本,客戶同意他們的建議,最初的DC/DC轉換器邀請就變成了定制的系統訂單。Powerbox設計了模組化的電源系統,整合了電源轉換、電池充電、配電盤和電腦通訊介面,且高效率轉換器和智慧系統架構也大大減少了散熱。

(參考原文:Electric rail traction systems need specialized power management,by Steve Taranovich)