电动轨道牵引系统需要专门的电源管理

在铁路架构中设计电源转换器既有其优点，也有困难。铁路电源设计的主要部分出现在移动的、不受控的环境中，即火车上。此外，电力机车的预期使用寿命为30年，这意味着数千小时的服务时间和数百万次的开关机次数。高速移动的列车周边也有很多地方需要供电，例如轨道旁边。在这两部分用电方面，设计人员都需要在恶劣和不受控环境下实现高于正常要求的可靠性。
电动轨道牵引系统最初部署于19世纪，在当今时代变得越来越重要。与内燃机车相比，这种交通运输模式在单位重量能耗方面是最佳的，而且具有更快的加速和更好的轨道梯度牵引性能（图1）。我还记得1955年当我6岁的时候，在纽约布鲁克林运行的架空电线牵引的有轨电车。

                               
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图1：电动轨道牵引系统需要特别的电源管理方案。
当我研究铁路供电电源设计架构时，我很惊讶地发现竟然有这么多电源供应商把这个领域作为一个主要目标市场，这还没有包括西门子（Siemens）等公司的IC供应商的产品，以及Mentor, a Siemens Business针对轨道牵引系统中电力电子的热可靠性仿真系统等产品。


铁路电力架构需要电源

对于电动铁路牵引电力系统，第三轨和架空电线是主要的电源解决方案（图2、图3、图4）。受电弓（pantograph）是安装在列车顶部，从架空张力线取电的系统。

                               
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图2：从器件级来看，自带气冷/液冷（转换器）、逆变器、整流器、电池和电机的IGBT功率模块是这种系统的有机组成部分。（图片由西门子提供）

                               
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图3：电动轨道牵引系统中需要电源的地方有很多。（图片由Powerbox提供）

                               
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图4：铁路车辆用电子设备的种类。（图片由富士电机提供）


挑战

在铁路架构中设计电源转换器既有其优点，也有困难。铁路电源设计的主要部分出现在移动的、不受控的环境中，即火车上。此外，电力机车的预期使用寿命为30年，这意味着数千小时的服务时间和数百万次的开关机次数（power cycle）。
高速移动的列车周边也有很多地方需要供电，例如轨道旁边。在这两部分用电方面，设计人员都需要在恶劣和不受控环境下实现高于正常要求的可靠性。
这种环境下的功率器件会遇到严酷的电热条件，比如短路、过压、过流，过热，以及老化效应等。在这种类型的应用中，可靠性是必需的，极端的工作温度对哪怕最可靠的器件都是严酷的考验。
电源通常采用对流冷却，整个电源系统的工作温度也必须低至-40℃。在这些电源系统中要使用振动补偿弹簧夹端子，以及保形涂层，还要以紧凑的外形提供非常轻巧的设计，所有这些都是设计架构的一部分，所有架构还都必须展现出最高的效率。
设计还必须满足大量国际标准的要求，例如《Railways Applications - Electronic Equipment Used on Rolling Stock（铁路应用——机车车辆上使用的电子设备）》（EN50155）标准就要求抵抗冲击和振动、浪涌、电压变化、电磁性能和ESD测试，以及用于LED显示、音频放大器、安全监视器、照明和通信系统的隔离电源DC/DC。此外还有《Electromagnetic Compatibility for Rolling Stock Apparatus（机车车辆设备电磁兼容性）》（EN50121-3-2）、《Rolling Stock Equipment Shock and Vibration Tests（机车车辆设备冲击和振动测试）》（EN61373）、《Fire Protection on Railway Vehicles（铁路车辆的防火）》（EN45545）等标准，以及更多的本地化标准。
其他一些铁路标准还包括：
* EN 55022 A类和B类；* EN 61000-4-2（ESD）；* EN 61000-4-3（抗RF性能）；* EN 61000-4-4（快速瞬变）；* EN 61000-4-6（抗传导性能）；* EN 50163；* RIA 12浪涌保护（3.5VN 20ms）；* RIA 13和RIA 20机械标准；* IEC 571和IEC61373冲击/振动。铁路应用会对这些电源解决方案强调高负载和长寿命的要求，尤其是对分立功率器件，比如MOSFET、二极管、晶体管和IGBT等。西门子为此采用的技术包括：改善传热系数的直接键合铜基板；用条带键合取代较厚的键合线，以便更好地处理大电流；以及具有非常低热阻的无焊上片（die-attach）技术。上述技术都是用于增强开关机次数和承受模块封装中的热效应。
想了解关于电力机车的工作原理，请观看此YouTube视频（由railsystem.net提供）。


铁路应用

信令和轨道旁边的应用
平交路口控制和信令控制系统不需要满足EN50155。大多数车外或轨道旁的铁路应用都需要AC-DC电源，而不是DC-DC转换器。
以下是ADM公司最近帮助客户实现的一个轨道旁应用示例。客户需要更换地铁车站信息屏幕内的电源，这是由于布线法规发生变化，要求显示屏采用直流电压供电，而不是240V[sub]AC[/sub]。必须克服的一个问题是允许电压下降超过100V。
在远离地下平台的控制柜里采用了一台Mean Well电源RSP-2400-48，将输入的240V[sub]AC[/sub]转换为48V[sub]DC[/sub]/50A输出。每个显示屏都更新了一个Mean Well SD-25C-5 DC-DC转换器，用来将输入的48V[sub]DC[/sub]转换为显示屏供电所需的5V[sub]DC[/sub]。
机车车辆
•    推进系统（IGBT控制、制动控制、电脑）；•    驾驶舱（电力显示屏、通信系统等）；•    旅客舱（交流电源充电、信息显示屏、娱乐系统）；•    餐车（微波炉、咖啡机、收银机、电脑）→电池充电和系统用电产生；•    电动机起动的充电设备；•    牵引应用中的制动器磁化；•    零伏启动应用。以下是ADM最近帮助客户安装配置精密时钟电源的机车车辆应用示例。该公司挑选了一个Mean Well PLN-60-12电源为高精度网络控制时钟供电——这类时钟在澳大利亚的铁路网上广泛使用。事实证明，PLN-60-12非常可靠。这一点很重要，因为一旦安装后再打开此设备的风险级别很高。
牵引变流器
当将电力用于铁路系统中的牵引系统时，我们通常称之为电力牵引。轨道电气化是指在为电力机车系统供电时使用的电源系统类型。其可以是AC或DC，或复合电源（图5）。

                               
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图5：英飞凌为牵引系统设计提供的IC解决方案。（图片由英飞凌提供）
电气化的类型选择取决于许多因素，例如电源的可用性、应用领域类型，或是城区、郊区还是干线服务等。
电力牵引系统主要有三种：
•    直流（DC）电气化系统（300、500、600、750、1200、1500和3000V<sub>DC</sub>）；•    交流（AC）电气化系统（15kV<sub>AC</sub>@16.7Hz和25kV<sub>AC</sub>@50/60Hz，见图6）；•    复合系统（1.5kV<sub>DC</sub>、3kV<sub>DC</sub>、15kV<sub>AC</sub>@16.7Hz、25kV<sub>AC</sub>@50Hz）。

                               
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图6：此处显示了具有三级脉宽调制（PWM）转换器和变压变频（VVVF）控制系统逆变器架构的交流设计。该设计采用单个3级VVVF逆变器，共同驱动并联的四台牵引电机。（图片由富士电机提供）
辅助电源
馈给直流电动轨道列车系统的主要直流电压为1,500V[sub]DC[/sub]、750V[sub]DC[/sub]或600V[sub]DC[/sub]。这些设计中所用IGBT采用两级转换器设计架构（图7）。

                               
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图7：直流电动轨道车辆的辅助电源电路设计。（图片由富士电机提供）
交流电电动轨道车上辅助电源的负载通常是指示灯、内部照明和控制电源，并且容量相对较小，然而，可靠性至关重要（图8）。

                               
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图8：交流电电动轨道车辆的辅助电源电路设计。（图片由富士电机提供）
有时辅助电源是安装在电动轨道车顶部的（图9）。

                               
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图9：顶部安装的辅助电源。（图片由富士电机提供）
电动门系统
在较老的设计中，日本和其他地方经常使用气动门系统。然而，最近电动门系统成为设计师的首选，因为其不需要太多维护，并且在乘客或行李有被门夹住危险的情况中，通过采用自诊断功能并使用高速控制响应系统，还可提高乘客安全性（图10）。

                               
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图10：电动门系统。（图片由富士电机提供）


IC方案

西门子
西门子称，如果没有电源转换器，电动轨道牵引链（ERTC）是不可能实现的。这些电源器件将电流转移并切换到电源转换器的不同分支，并具有大电流高电压能力。
西门子为德国最新的列车——ICE 4（BR 412）高速列车提供电源解决方案。他们的元器件和系统解决方案涵盖机械和电气需求，以及推进系统、转向架（一种铁路驱动和导引系统，见图11）和车载电源的系统解决方案。

                               
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图11：转向架是一种四轮或六轮转向车，为车身提供支撑并用于提供牵引力和制动力。（图片由Railway Technical网站提供）
欲了解更多有关信息，请参阅西门子的《Components and systems for advanced rail vehicles（高级轨道车辆元器件和系统）》手册。


电源模块方案

Vicor
我与Vicor公司的ChiP DCM IC高级产品市场经理Kai Johnstad进行过交谈。这些模块可以在未稳压的宽范围输入下工作，产生隔离的直流输出。铁路有一些独特的要求，Vicor二十年来一直在为满足这些需求而定制自己的铁路解决方案（图12）。

                               
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图12：Vicor针对铁路应用的DCM IC。（图片由Vicor提供）
DCM IC具有高频零电压开关（ZVS）拓扑结构，而且转换器可在其整个输入电压范围内提供高效率。这些DC-DC转换器模块（DCM）可满足轨道应用的需求，特别是具有43-154V宽输入电压范围的100V[sub]IN[/sub]3623 ChiP，可适用于72或110V额定电压的轨道应用。这些电源解决方案可为各种系统提供电源转换，从嵌入式计算机系统到信息显示屏等。这一新系列的产品效率接近93%，功率密度高达653W/in[sup]3[/sup]，可让工程师使用小体积稳压DC-DC转换器来实现轨道电源设计人员所采用的多种标称输入电压。
Vicor向设计师展示了如何使用模块化DC-DC转换器能满足欧洲铁路应用标准。
Schaefer
Schaefer的铁路级功率转换产品包括AC-DC电源、DC-DC电源转换器、整流器和电池充电器，以及DC-AC正弦波逆变器。他们专门为车载和轨道旁重轨电源应用提供定制的铁路电源解决方案，并且符合EN 50155标准要求。
对于铁路行业，确保提供稳定的电源系统存在相当大的挑战，因为不仅有严格的技术和性能要求，而且需要符合若干国际标准。
以下是这个行业的一些需求：
•    超宽输入范围以处理极端情况，例如74V<sub>DC</sub>总线；•    即使在启动条件下也能保持稳定的输出功率；•    降压、升压或隔离拓扑；•    DC/DC、DC/AC、AC/DC或AC/AC；•    定制解决方案，通常没有一次性工程费用（NRE）；•    高效率以降低总拥有成本；•    密封的解决方案；•    自然对流或水冷解决方案；•    特别坚固的结构可用于要求最严格且苛刻的轨道和车载环境；•    冗余配置可在关键应用中延长使用寿命；•    超宽温度范围；•    轻巧、高功率密度以适应较小的封装设计。Schaeffer为列车用电池充电器提供的铁路电源包括4.5kW车载电池充电器系统和40kW AC/DC车载电池充电系统。
Absopulse
Absopulse铁路转换器的典型应用包括：
•    信令和通信系统；•    无线连接解决方案；•    GPS跟踪系统；•    视频监控和安全系统；•    乘客信息显示系统；•    客户娱乐系统；•    列车控制和监测系统；•    牵引控制系统；•    门控系统；•    前大灯和尾灯系统。Absopulse提供的一些典型产品包括适用于公共交通的750V[sub]DC[/sub]铁路DC/DC转换器，以及具有宽输入范围的IP66等级的铁路DC/AC纯正弦波逆变器。
XP Power
XP Power面向铁路应用用高效率50W至600W DC/DC转换器系列推出了一种新型铁路电源——RDF50/RDL100/RDH300/RDH600系列。
XP Power指出，选择电源供应商时需要考虑如下一些要求：
•    符合EN50121、EN50124、EN50125、EN50155和EN50163等统一标准，以及RIA、NF-F-01-510、VDE、ST等国家标准；•    保守元器件降额后的可靠性；•    全面设计验证测试（DVT）；•    长产品生命周期和停产（EOL）管理；•    专门的项目管理；•    宽输入电压，适用于全球常用的直流电池输入电压；•    EMC/EMI控制及抗峰值和浪涌性能；•    坚固的构造标准；•    宽工作温度范围（典型值-40℃至70℃）；•    对流或传导冷却；•    并行和冗余操作；•    过热、过压、过流保护；•    符合RoHS；•    ISO9001质量管理体系。电源控制系统
Railway Technology是他们一系列新的电源控制系统产品的代表，其中包括用于铁路信令电源设备（PSU）的多输出DC-DC转换器MD146-IRX-2-N1，以及用于地铁信令设备的DC-DC转换器RACK-4XSD206-I-RX-96-1。
一个挑战是许多偏远地区没有电力供应。
其他铁路电源模块转换器供应商还有Synqor、PULS、东芝和Bel Power等公司。
定制和标准铁路设计
Powerbox公司完成了许多优秀的标准铁路电源设计，但也为铁路应用提供定制设计（图13）。

                               
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图13：用于铁路系统的Powerbox电源产品的一些示例。（图片由Powerbox提供）
客户电源需求实例
1. 重新设计推进系统
挑战：问题始于一位客户的紧急电话。在一辆完整新车的首次测试中，推进系统会随机停止，最初怀疑是Powerbox DC/DC转换器的原因。
解决方案：Powerbox调查小组第二天在现场进行了实际测试和测量，以及理论分析。最终发现问题在于由转换器供电的一个子系统。在某些运行模式下，该子系统会造成转换器严重过载，远远超出设计参数。该团队提出了一个解决方案，就是重新设计子系统。方案已经实施，而且项目按原定计划进行。
2. 解决噪声和瞬变超出EN50155/EN50121-3-2要求问题的系统方案
挑战：Powerbox的一个老客户在机车改造期间遇到了问题。电池充电器输入电路反复失败。经过鉴定，原因来自并联设备引起的噪声和受电弓（从架空电线传送电流到列车的接合框架）弹跳引起的瞬变两方面的复合作用。噪声和瞬态电平远远超出了EN50155和EN50121-3-2标准所要求的限值，并且超过了电池充电器可以应付的范围。客户知道Powerbox是铁路电源专家，因此求助于他们来为此问题提供可能的解决方案。
解决方案：客户与Powerbox共同决定，滤波是最便捷的处理方式。在三周内，Powerbox工程师设计制造了一个外置低通滤波器，将噪声和瞬态降至推荐水平，从而保护了充电器。
3. 从转换器要求到系统优化
挑战：客户提出的任务是在大量远程轨道旁设施上为信令设备供电。所提供的输入电压是交流干线电源，而所需的输出取决于每个现场的设备要求，是各种直流电压。此外还需要有备用电池。由于大多数设备安装在热管理能力有限的机柜中，所以最小化散热至关重要。大量的远程站点意味着可靠性是必不可少的先决条件，这需要有较短的平均恢复时间（MTTR）。
解决方案：Powerbox最初被邀请为此应用提供DC/DC转换器。但当他们分析应用场景时，发现通过精益设计和模块化概念的应用，可以在其他几个方面节省大量成本。客户同意他们的建议，最初的DC/DC转换器邀请就变成了定制的系统订单。Powerbox设计了模块化的电源系统，其上集成了电源转换、电池充电、配电盘和计算机通信接口。高效率转换器和智能系统架构也大大减少了散热。

太多英文了！！