超寬輸入范圍鐵路電源解決方案之分析與比較

作者：Mornsun

全球主流鐵路系統(tǒng)均采用多電壓設(shè)備供電，這使得電源模塊無(wú)法通過(guò)歸一化來(lái)實(shí)現(xiàn)保持時(shí)間保護(hù)，增加了客戶應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和管理成本。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，[MORNSUN] 發(fā)明了一種主動(dòng)保持時(shí)間保護(hù)電路，以兼容超寬電壓輸入范圍和電容歸一化。本文通過(guò)分析市場(chǎng)上幾種常見(jiàn)的鐵路電源解決方案的利與弊，對(duì)超寬輸入范圍的鐵路電源解決方案進(jìn)行了比較和總結(jié)。

電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

在全球主流的鐵路控制系統(tǒng)中，像德國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、印度等大多數(shù)國(guó)家的電源電壓都要求內(nèi)部控制系統(tǒng)，以容納 24V、28V、36V、48V、72V、96V、110V 電壓。因此，一個(gè)電源無(wú)法歸一化到多個(gè)系統(tǒng)，這增加了客戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度和管理成本。

根據(jù) EN50155 標(biāo)準(zhǔn)，直流電源模塊必須在輸入電壓的波動(dòng)范圍內(nèi)穩(wěn)定地給后端設(shè)備供電。即使出現(xiàn)最大電壓波動(dòng)，電源模塊也應(yīng)正常輸出，保護(hù)后端設(shè)備的穩(wěn)定。EN50155 標(biāo)準(zhǔn)要求電源設(shè)備在 0.7 倍到 1.25 倍的電壓波動(dòng)范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，即 16.8 V137.5 V，如果波動(dòng)范圍到 0.6 倍和 1.4 倍，那么工作時(shí)間分別只要求為 100 ms 和 1 s。為了滿足全球鐵路系統(tǒng)的供電要求和認(rèn)證要求，超寬輸入電壓范圍電源模塊的輸入范圍最好設(shè)計(jì)成 14 V160V。

圖 1：鐵路電源電壓范圍設(shè)計(jì)要求。（圖片來(lái)源：MORNSUN Power）

同時(shí)，鐵路系統(tǒng)有很高的可靠性要求，要求后端設(shè)備能夠存儲(chǔ)保持時(shí)間狀態(tài)數(shù)據(jù)，并在電源切斷后有序地切換到備用電源。因此，需要在電源模塊的前端設(shè)置一個(gè)儲(chǔ)能電容器，以維持 10ms 的保持時(shí)間保護(hù)時(shí)間。

圖 2：超寬電壓鐵路電源設(shè)計(jì)難點(diǎn)。（圖片來(lái)源：MORNSUN Power）

傳統(tǒng)解決方案：在輸入端并聯(lián)電解電容器

在傳統(tǒng)的解決方案中，保持時(shí)間保護(hù)一般是通過(guò)在輸入端并聯(lián)一個(gè)電解電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)的（圖 3）。

圖 3：在輸入端并聯(lián)電解電容器是保護(hù)保持時(shí)間的傳統(tǒng)解決方案。（圖片來(lái)源：MORNSUN Power）

按照電容器儲(chǔ)能公式：W=1/2CU2 和放電時(shí)間公式：t=RC*Ln*U/Ut，輸入電壓值 (U) 越高，儲(chǔ)存的能量 (W) 越多，當(dāng)電容值 (C) 相同時(shí)，保持時(shí)間保護(hù)時(shí)間 (t) 越長(zhǎng)。相反，輸入電壓值 (U) 越低，在相同條件下儲(chǔ)存的能量 (W) 就越小，保持時(shí)間保護(hù)時(shí)間則越短。這種現(xiàn)象會(huì)因電壓變化之間的平方差關(guān)系而加劇。

由于電源的輸入電壓范圍很寬，而外部?jī)?chǔ)能電容器是根據(jù)最大輸入電壓來(lái)選擇的，所以電容的電容值就必須很大，這樣才能與低壓系統(tǒng)的應(yīng)用相適應(yīng)。在圖 4 中，對(duì)于最大輸入電壓達(dá) 160 V、功率為 100 W 的情形，儲(chǔ)能電容器的電容值約為 190μF，可實(shí)現(xiàn) 10ms 的保持時(shí)間保護(hù)時(shí)間。然而，如果與 24 V 系統(tǒng)兼容，電容將達(dá)到 8000 μF，外部?jī)?chǔ)能電容器的物理尺寸將更大（約為四分之一磚電源模塊的 3.8 倍）。

圖 4：顯示輸出電壓所需外部?jī)?chǔ)能電容的圖形和圖表。（圖片來(lái)源：MORNSUN Power）

鐵路行業(yè)常見(jiàn)的解決方案是根據(jù)客戶不同的應(yīng)用系統(tǒng)推薦不同耐壓的外部?jī)?chǔ)能電容器，以解決上述問(wèn)題。但這將導(dǎo)致客戶的系統(tǒng)無(wú)法歸一化，從而違背超寬輸入范圍電源模塊的設(shè)計(jì)初衷，增加了客戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度、材料管理成本和認(rèn)證成本。

圖 5：傳統(tǒng)系統(tǒng)利弊。（圖片來(lái)源：MORNSUN Power）

主流解決方案①：兩段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的解決方案正逐漸被放棄?，F(xiàn)在，市場(chǎng)上的主流解決方案是兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。前級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用升壓電路，后級(jí)是常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如反激、半橋或全橋電路。外部?jī)?chǔ)能電容器放置在兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（即升壓電路的輸出端）之間（圖 6）。

圖 7：帶有小型外圍電路的兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路圖。（圖片來(lái)源：MORNSUN Power）

由于電路中使用了兩級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此效率太低，無(wú)法適用于高功率密度的產(chǎn)品。作為升壓電路的容性負(fù)載，外部?jī)?chǔ)能電容器不能直接加到輸出端。它必須增加一個(gè)小的外圍電路和一個(gè)大的電容器，以防止啟動(dòng)不良（圖 7）。

這個(gè)解決方案有兩個(gè)缺陷：

• 與單級(jí)充電方案相比，采用兩級(jí)串聯(lián)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性大為增加，大大提高了成本，同時(shí)在一定程度上還降低了用戶系統(tǒng)的可靠性。
• 與單級(jí)充電方案相比，采用兩級(jí)串聯(lián)的充電方案的整體效率會(huì)降低，會(huì)帶來(lái)大功率電源和系統(tǒng)的溫度升高，從而降低了電源和系統(tǒng)的壽命。

圖 8：兩級(jí)拓?fù)浞桨傅睦c弊。（圖片來(lái)源：MORNSUN Power）

主流解決方案②：?jiǎn)渭?jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) + 無(wú)源降壓

近年來(lái)，出現(xiàn)了單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) + 無(wú)源降壓的解決方案。與兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，這提高了效率和可靠性。

圖 9：?jiǎn)渭?jí) + 無(wú)源降壓主流方案。（圖片來(lái)源：MORNSUN Power）

以市場(chǎng)上主流的降壓充電方案為例，當(dāng)提供輸入電壓 (>24 V) 且電路正常開啟時(shí)，降壓電壓會(huì)將輸入電壓鉗制在 22 V 的設(shè)定低電壓值，同時(shí)充電電路會(huì)同步給外部電容充電。當(dāng)輸入電壓降低到 22V 以下時(shí)，外部電容器將通過(guò)二極管切換進(jìn)來(lái)，向后端提供儲(chǔ)存的電力，從而保持 10ms 的保持時(shí)間保護(hù)時(shí)間。所以當(dāng)輸入電壓高于 22V 時(shí)，通常會(huì)執(zhí)行保持時(shí)間保護(hù)功能。此時(shí)，系統(tǒng)只需要一個(gè)耐壓為 35 V 的 8000 μF 電解電容器。

然而，當(dāng)輸入電壓低于 22 V 時(shí)，外部電容器的電壓與輸入電壓相同，其儲(chǔ)能將不足以維持10ms 的保持時(shí)間保護(hù)功能。當(dāng)客戶系統(tǒng)需要欠壓保護(hù)功能時(shí)，如 48 V 的系統(tǒng)，欠壓保護(hù)設(shè)定為 27 V，儲(chǔ)能電容器的充電電壓為 22 V，當(dāng)輸入端斷電時(shí)，儲(chǔ)能電容器需要低于 22 V 才開始放電，但 22 V 不足以開啟電源的欠壓點(diǎn)，那時(shí)系統(tǒng)就會(huì)關(guān)閉，這意味著保持時(shí)間保護(hù)功能失效。

圖 10：不同電壓下的保持時(shí)間保護(hù)。（圖片來(lái)源：MORNSUN Power）

圖 11：?jiǎn)渭?jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) + 無(wú)源降壓解決方案的利與弊。（圖片來(lái)源：MORNSUN Power）

新技術(shù)升級(jí)：主動(dòng)保持時(shí)間保護(hù)電路

MORNSUN 發(fā)明了一種主動(dòng)保持時(shí)間保護(hù)電路，使得電源模塊不僅具有超寬電壓范圍，而且實(shí)現(xiàn)了歸一化的電源，其特點(diǎn)是體積小，固定外圍電路簡(jiǎn)單，適用于各種鐵路系統(tǒng)。

該電路內(nèi)置了一個(gè)能量預(yù)存模塊和一個(gè)輸入保持時(shí)間自動(dòng)切換模塊。通過(guò)精確的設(shè)計(jì)和計(jì)算，能量預(yù)存模塊可以最大限度地減少電容器的體積，并使能量存儲(chǔ)最大化。保持時(shí)間自動(dòng)切換模塊可以實(shí)時(shí)檢測(cè)輸入電壓的狀態(tài)。一旦輸入電壓被切斷，外部電容器將主動(dòng)給輸入端主電源供電，使產(chǎn)品繼續(xù)工作 10 ms，以便后端設(shè)備存儲(chǔ)保持時(shí)間狀態(tài)數(shù)據(jù)并切換到備用電源，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平穩(wěn)的切換。

圖 12：主動(dòng)保持時(shí)間保護(hù)電路。（圖片來(lái)源：MORNSUN Power）

同時(shí)，主動(dòng)保持時(shí)間保護(hù)電路具有可編程的欠壓保護(hù)功能。當(dāng)客戶調(diào)整欠壓點(diǎn)以適用于不同的電源系統(tǒng)時(shí)，該解決方案可以確保在全輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) 10ms 的保持時(shí)間保護(hù)。

圖 13：輸入欠壓保護(hù)示意圖。（圖片來(lái)源：MORNSUN Power）

這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于 Mornsun 的鐵路電源，即 [UWTH1DxxQB-100WR3] 系列。該系列具有 14 - 160 V直流的超寬輸入電壓范圍，滿足全球主流鐵路系統(tǒng)的輸入電壓要求；通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單、固定的外圍電路和一個(gè) 470 μF 的電解電容器，實(shí)現(xiàn)了 10 ms 的保持時(shí)間保護(hù)功能。輸入欠壓保護(hù)可以通過(guò)改變外部電阻來(lái)調(diào)節(jié)，具有高達(dá) 5000 米的工作海拔，以及高達(dá) 4000 V交流電的隔離電壓。

圖 14：UWTH1DxxQB-100WR3 系列具有 14 至 160 V直流的超寬輸入電壓范圍。（圖片來(lái)源：MORNSUN Power）

圖 15：MORNSUN 超寬輸入電壓鐵路電源的優(yōu)點(diǎn)。（圖片來(lái)源：MORNSUN Power）

結(jié)語(yǔ)

鐵路電源解決方案并非只針對(duì)一種電壓，那么設(shè)計(jì)者該如何選擇和設(shè)計(jì)一個(gè)合適的解決方案呢？如果工程師們對(duì)系統(tǒng)規(guī)格和認(rèn)證的要求較低，那么就可以選擇傳統(tǒng)的解決方案。此外，如果他們對(duì)能效指標(biāo)或保持時(shí)間保護(hù)功能的要求較低，也可以選擇傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)解決方案。另一個(gè)選擇是，如果他們想要一個(gè)適合各種工作條件的高集成度解決方案，那么就應(yīng)選擇更令人放心的主動(dòng)保持時(shí)間保護(hù)電路解決方案。

隨著行業(yè)需求和技術(shù)要求的增加，產(chǎn)品更新的速度越來(lái)越快。在滿足功能的前提下，MORNSUN 不斷努力，追求高效率和高可靠性。其超寬輸入電壓范圍鐵路電源可以幫助客戶降低系統(tǒng)成本和規(guī)格要求，延長(zhǎng)使用壽命，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，減少認(rèn)證時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)物料的歸一化和管理成本的降低。