利用DC／DC變換器設(shè)計(jì)滿(mǎn)足歐洲鐵路標(biāo)準(zhǔn)的電源

摘要

在歐洲鐵路應(yīng)用的電器和電子設(shè)備，其性能是由2個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)來(lái)管理的。即在設(shè)計(jì)規(guī)格中，最常用的IEC571標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也稱(chēng)作歐洲EN50155標(biāo)準(zhǔn)和在英國(guó)使用的RIA12標(biāo)準(zhǔn)，即用于拖動(dòng)及運(yùn)載設(shè)備的直流控制系統(tǒng)中，瞬態(tài)浪涌保護(hù)的常駐機(jī)構(gòu)通用規(guī)范。此規(guī)范是由鐵路工業(yè)聯(lián)會(huì)開(kāi)發(fā)制定的。這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有很多相似之處，但RIA12標(biāo)準(zhǔn)更要求電子設(shè)備有專(zhuān)門(mén)對(duì)抗浪涌的能力。

下面討論如何使用深圳中電華星提供的Vicor Dc／Dc變換器模塊，來(lái)幫助設(shè)計(jì)可同時(shí)滿(mǎn)足以上2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的完整電源。

1 EN50155(IEC571)的電器需求

鐵路應(yīng)用電源的標(biāo)稱(chēng)輸入電壓為Vn。正常工作時(shí)，設(shè)備由電池直接供電，在無(wú)其他穩(wěn)定器情形下，輸入電壓在0．7 Vn～1_25 Vn之間正常操作。啟動(dòng)電源時(shí)，設(shè)備還需承受瞬態(tài)壓降及過(guò)壓浪涌的沖擊。

表1展示出這一規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的Vicor DC／DC變換器輸入電壓范圍和瞬態(tài)條件時(shí)的電壓比較。

2 快速瞬態(tài)規(guī)范

由于電子設(shè)備還必須能承受1個(gè)持續(xù)50μs的1．8kV直接瞬態(tài)電壓，因此為防止損壞DC／DC變換器，模塊必須接上1個(gè)抑制器件。例如瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)，可直接跨接在輸入端上。通過(guò)選擇TVS的鉗制電壓，來(lái)保證模塊不會(huì)超出最高電壓或瞬態(tài)限制。

3 RIAI2浪涌保護(hù)

RIA12標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：變換器必須能承受大于正常輸入電壓3．5倍的過(guò)壓浪涌達(dá)20ms的時(shí)間。為此，DC／DC變換器必須使用1個(gè)抑制電路。由于這個(gè)過(guò)壓脈沖的源阻抗是0．2Ω，1個(gè)共模鉗制器件(諸如TVS)因?yàn)槟芰肯牡脑?，將不能提供一個(gè)合適的解決方案，因此設(shè)計(jì)1個(gè)如圖1所示的有源電路是必要的。

在此電路中，D1 用于鉗制快速高壓尖峰，D2、D3和Q1 、Q2組成1個(gè)有源器件來(lái)限制浪涌。在正常動(dòng)作期間，用變換器的輸出閘門(mén)信號(hào)驅(qū)動(dòng)由1N4148二極管和470pF電容組成的充電泵，使Q1保持全導(dǎo)通。當(dāng)過(guò)壓出現(xiàn)時(shí)，二極管D2導(dǎo)通，由R2限制電流，然后使Q2導(dǎo)通。隨著Q2。的導(dǎo)通，Q1 的柵壓被規(guī)限為D3 的齊納電壓。輸出電壓等于D3 的齊納電壓減去Q1 的柵源電壓。當(dāng)過(guò)壓現(xiàn)象終止時(shí)，系統(tǒng)仍然會(huì)正常工作。

圖1電路中所用的元件在任何輸入電壓范圍的情況下是完全相同的，主要場(chǎng)效應(yīng)管Q1 和鉗制二極管D1 、D2 及D3。則需根據(jù)正常工作電壓和功率來(lái)選擇。

選擇Q1 必須考慮3．5 (Vn)值和工作電流(In)，以提供足夠的安全工作區(qū)來(lái)限制20ms的單脈沖。Rds（on）。 (場(chǎng)效應(yīng)管在導(dǎo)通狀態(tài)下，漏極至源極之間的電阻，此電阻造成場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)的功耗)也必須計(jì)算在內(nèi)，因?yàn)樵谡９ぷ鳁l件下，功耗計(jì)算為P=RDS(on)*IN2，二極管D2 和D3?？梢杂邢嗤膿舸╇妷?，在這種情況下，輸出(鉗制)電壓將等于D3。減去柵源電壓。

RIA12標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定輸入電壓可變化至1．5 (Vn)維持1s。要使變換器的輸入電壓范圍可承受這一條件，D2和D3。的擊穿電壓必須大于1．5(Vn)，以免保護(hù)電路在低于此條件下工作。但擊穿電壓也必須小于模塊的最高輸入。

D1主要鉗制高壓尖峰，該尖峰能量低，但幅度可能超過(guò)IkV。因此D 必須是一個(gè)高于3．5(Vn)的鉗制電壓的TVS，以防止被此瞬態(tài)電壓損壞。

4 測(cè)試結(jié)果

此電路已分別以48V和IIOV輸入(兩種鐵路應(yīng)用中最常用的電壓)，連接150W 的DC-DC變換器在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了測(cè)試。表2列出所用電路元件的規(guī)格。

5 工作指標(biāo)

1.工作溫度：根據(jù)環(huán)境的嚴(yán)峻性分為4級(jí)，如表3所示。當(dāng)設(shè)計(jì)電源時(shí)，必須考慮在啟動(dòng)期間的過(guò)溫情況。

在某些鐵路應(yīng)用中，電子設(shè)備是懸掛在運(yùn)載車(chē)的墻壁上，這種裝置能利用中電華星提供的Vicor變換器基板的平面直接安裝在機(jī)殼上，這樣機(jī)殼就可作為一個(gè)大散熱器使用。

2．振動(dòng)和沖擊：EN50155規(guī)定電子設(shè)備固定安裝在汽車(chē)框架的板及箱上，必須能承受3個(gè)方向的振動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)：① 頻率范圍5～ 150Hz；② 跨越頻率8．2Hz交叉；③位移幅度(跨越頻率以下)7．5mm 交叉；④加速幅度(跨越頻率以上)20m／s2。交叉

電子設(shè)備還必須能承受1個(gè)50m／s2。振幅的半正弦沖擊達(dá)50ms。由于中電華星提供的Vicor電源模塊是整體包藏在環(huán)氧樹(shù)脂之內(nèi)，因此可以抵御這些機(jī)械壓力。當(dāng)然，對(duì)印制板的設(shè)計(jì)和布線(xiàn)必須加倍留意，避免任何移動(dòng)而使模塊端子承受不必要的應(yīng)力。