铁路应用对电源的要求

铁路的发展已有百余年历史，其行驶能力和安全性已得到充分发展。现代列车往往会增加信息显示屏、充电插座、自动售货机等便民、娱乐功能。越来越多的新增设备意味着电源转换器的功率必须增大，而在列车空间有限的情况下，电源转换器的体积必须保持不变甚至缩小。因此，高功率密度的铁路电源将成为一种趋势。

欧洲是最早发展铁路的地区，因此与铁路相关的国际标准也日臻完善。由于列车长期暴露在外，必须面对恶劣的环境，如温度变化、灰尘和振动，以及电气设备的电压波动和瞬变。因此，欧洲最常用的规范 EN50155 不仅列出了电气设备的工作条件和电源的电压范围，还列出了可靠性的条件。此外，英国使用的 RIA12 标准也强调了瞬态效应和浪涌效应的规范。以下列出的是 CTC 铁路产品的重要特性，也是 EN50155 规范的特别之处。

• 工作温度范围

在温度要求方面，分为 6 个等级，如表 1 所示。如果是驾驶室或乘客舱内的设备，则必须满足 OT1 或 OT2 的温度规格。如果是设备中使用的部件，则必须满足 OT3 或 OT4 规格。OT5 或 OT6 可用于半导体驱动单元或内燃机控制单元。它不能作为车辆要求的一般规格。CTC 设计的铁路产品均符合 OT4 的温度要求。低温工作温度可达 -40°C，高温工作温度可超出标准 100°C 以上。

表 1. 工作温度范围

• 电压供应的变化

   由于列车上电路系统的供电可能会受到影响，EN50155 分别定义了两种状态。在稳定状态下，电压波动在 0.7*Vin 和 1.25*Vin 之间。在瞬态时，电压波动在标准电压的 0.6*Vin 和 1.4*Vin 之间。在这些电压变化期间，不会造成功能偏差和损坏。

以常用的 24 VDC 和 110 VDC 输入电压为例，瞬态时的电压波动最大，从 0.6*Vin 到 1.4*Vin。如图 1 所示，当输入电压为 24VDC 时，电压范围必须包括 14.4 ~ 33.6VDC 。当输入电压为 110VDC 时，电压范围必须包括 66 ~ 154VDC。为了满足 EN50155 的要求，电源转换器需要有较宽的输入电压范围。例如，CTC 的 3:1 输入范围产品可覆盖 110V 所需的电压变化，而 12:1 输入范围产品也可满足从 24V 到 110V 的全方位需求。

• 电压供应中断

电压下降或短期断电也是不可避免的。因此，EN50155 规定了电源电压中断等级，分为 S1、S2 和 S3。严格的是 S3。当输入电压下降到 0V 持续 20ms 时，输出电压必须保持稳定，不能导致设备故障。

此外，电源转换时输出电压也会发生变化。当输入电压降至 0.6*Vin 时，输出电压保持稳定，符合 C1 级。当输入电压降至 0V 并在 30mS 后恢复正常时，输出电压在此过程中保持稳定，符合 C2 级。

通常需要通过外接电容器来实现这一规格。如果是带 Vbus 引脚的产品，则需要在 Vbus 和 -Vin 之间加一个电容（Cbus），如图 2- (a) 所示。在不同电源的转换过程中，列车上的电力会在短时间内变得不稳定，如电压骤降或短期断电。保护电路适用于这种情况，如图 2- (b)所示。并联二极管 (D1) 和电阻 (R1)，然后串联 Chold。根据数据手册，选择不同电容的 Chold 可维持 10~30ms 的保持时间。

此外，对于没有 Vbus 引脚的产品，必须在 +Vin 和 -Vin 之间连接保持电路，如图 3 所示。根据数据手册，选择不同的 Chold 电容可以保持 10~30ms 的保持时间。

• 隔离电压

EN50155 将输入电压分为三个隔离耐压等级，并在规定的等级下保持 1 分钟，如表 2 所示。CTC 的铁路产品具有高达 3000VAC 的隔离电压，这是规范中最高的隔离电压等级。

表 2. 隔离电压

• 电磁兼容性

EMC 要求参照表 3，并以 IEC 61000 规范为基础。ESD 是一种人体放电模式，要求接触放电 ±6kV 和空气放电 ±8kV。快速瞬态要求 ±2kV。浪涌要求线对线 ±1kV 和线对地 ±2kV。

表 3. 铁路电磁兼容性要求

应用

如图 4 所示，列车分为驾驶舱、乘客舱、推进系统和轨道侧四个部分。首先，为了保证列车牵引、制动等系统的正常运行，推进系统包括驱动电路、计算机和冷却风扇。而为了营造舒适的乘车环境，车厢内还配备了照明系统、来车提示显示系统、空调等电子设备，这也是现代铁路列车所不可或缺的。主要控制设备位于驾驶舱内，ECU 是主要控制终端，提供车门控制、广播和安全监控设备。最后，轨道一侧还有信号控制系统和安全系统，用于向司机和车长提供正确的信号，确保行车安全。

列车上的直流电源系统主要有 24VDC 和 110VDC 两种，通过隔离式电源转换器向各系统提供电压。

下图 5 是铁路计算机应用框图。列车上的直流系统向铁路计算机提供 24VDC 或 110VDC 直流电，并通过隔离式 DC/DC 转换器转换成单片机所需的电压。内部包括 MCU、DSP、通信接口、存储器和其他功能模块。计算机系统是整个列车的控制核心，可控制每个车厢内的烟雾探测器、IP 摄像机、门控、空调和广播等电气设备。

列车上的各种设备对功率的要求不同，设备的功率分布大致如图 6 所示。驱动控制和动力控制需要大量的能量来驱动，一般为 200 ~ 300W。计算机和铁路信号系统是列车的主要核心，功率在 150W 以上。辅助电门和照明设备由列车上的辅助电源供电，还有应急对讲、监视器、广播等通信设备，由车辆供电，利用 DC/DC 转换器转换成需要的电压。功率一般为 70~150W。娱乐设备和屏幕是附加设备，使用 20~60W 的中低功率。