利用DC/DC变换器实现铁路应用电源

利用DC／DC变换器设计满足欧洲铁路标准的电源

摘要

在欧洲铁路应用的电器和电子设备，其性能是由2个国际标准来管理的。即在设计规格中，最常用的IEC571标准，同时也称作欧洲EN50155标准和在英国使用的RIA12标准，即用于拖动及运载设备的直流控制系统中，瞬态浪涌保护的常驻机构通用规范。此规范是由铁路工业联会开发制定的。这2个标准有很多相似之处，但RIA12标准更要求电子设备有专门对抗浪涌的能力。

下面讨论如何使用深圳中电华星提供的Vicor Dc／Dc变换器模块，来帮助设计可同时满足以上2个标准的完整电源。

1 EN50155(IEC571)的电器需求

铁路应用电源的标称输入电压为Vn。正常工作时，设备由电池直接供电，在无其他稳定器情形下，输入电压在0．7 Vn～1_25 Vn之间正常操作。启动电源时，设备还需承受瞬态压降及过压浪涌的冲击。

表1展示出这一规范与标准的Vicor DC／DC变换器输入电压范围和瞬态条件时的电压比较。

2 快速瞬态规范

由于电子设备还必须能承受1个持续50μs的1．8kV直接瞬态电压，因此为防止损坏DC／DC变换器，模块必须接上1个抑制器件。例如瞬态电压抑制器(TVS)，可直接跨接在输入端上。通过选择TVS的钳制电压，来保证模块不会超出最高电压或瞬态限制。

3 RIAI2浪涌保护

RIA12标准规定：变换器必须能承受大于正常输入电压3．5倍的过压浪涌达20ms的时间。为此，DC／DC变换器必须使用1个抑制电路。由于这个过压脉冲的源阻抗是0．2Ω，1个共模钳制器件(诸如TVS)因为能量消耗的原因，将不能提供一个合适的解决方案，因此设计1个如图1所示的有源电路是必要的。

在此电路中，D1 用于钳制快速高压尖峰，D2、D3和Q1 、Q2组成1个有源器件来限制浪涌。在正常动作期间，用变换器的输出闸门信号驱动由1N4148二极管和470pF电容组成的充电泵，使Q1保持全导通。当过压出现时，二极管D2导通，由R2限制电流，然后使Q2导通。随着Q2。的导通，Q1 的栅压被规限为D3 的齐纳电压。输出电压等于D3 的齐纳电压减去Q1 的栅源电压。当过压现象终止时，系统仍然会正常工作。

图1电路中所用的元件在任何输入电压范围的情况下是完全相同的，主要场效应管Q1 和钳制二极管D1 、D2 及D3。则需根据正常工作电压和功率来选择。

选择Q1 必须考虑3．5 (Vn)值和工作电流(In)，以提供足够的安全工作区来限制20ms的单脉冲。Rds（on）。 (场效应管在导通状态下，漏极至源极之间的电阻，此电阻造成场效应管导通时的功耗)也必须计算在内，因为在正常工作条件下，功耗计算为P=RDS(on)*IN2，二极管D2 和D3。可以有相同的击穿电压，在这种情况下，输出(钳制)电压将等于D3。减去栅源电压。

RIA12标准规定输入电压可变化至1．5 (Vn)维持1s。要使变换器的输入电压范围可承受这一条件，D2和D3。的击穿电压必须大于1．5(Vn)，以免保护电路在低于此条件下工作。但击穿电压也必须小于模块的最高输入。

D1主要钳制高压尖峰，该尖峰能量低，但幅度可能超过IkV。因此D 必须是一个高于3．5(Vn)的钳制电压的TVS，以防止被此瞬态电压损坏。

4 测试结果

此电路已分别以48V和IIOV输入(两种铁路应用中最常用的电压)，连接150W 的DC-DC变换器在实验室中进行了测试。表2列出所用电路元件的规格。

5 工作指标

1.工作温度：根据环境的严峻性分为4级，如表3所示。当设计电源时，必须考虑在启动期间的过温情况。

在某些铁路应用中，电子设备是悬挂在运载车的墙壁上，这种装置能利用中电华星提供的Vicor变换器基板的平面直接安装在机壳上，这样机壳就可作为一个大散热器使用。

2．振动和冲击：EN50155规定电子设备固定安装在汽车框架的板及箱上，必须能承受3个方向的振动，标准：① 频率范围5～ 150Hz；② 跨越频率8．2Hz交叉；③位移幅度(跨越频率以下)7．5mm 交叉；④加速幅度(跨越频率以上)20m／s2。交叉

电子设备还必须能承受1个50m／s2。振幅的半正弦冲击达50ms。由于中电华星提供的Vicor电源模块是整体包藏在环氧树脂之内，因此可以抵御这些机械压力。当然，对印制板的设计和布线必须加倍留意，避免任何移动而使模块端子承受不必要的应力。