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超寬壓鐵路電源方案的分析與對比

發(fā)布時間:2022-07-13 來源:金升陽 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】全球主流鐵路系統(tǒng)呈現(xiàn)多電壓供電,導(dǎo)致電源模塊無法歸一化實現(xiàn)掉電保持功能,增加了客戶應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計難度和管理成本。為兼容超寬全電壓輸入范圍和電容歸一化,金升陽利用自主IC的優(yōu)勢發(fā)明了一種主動式掉電保持電路。本文通過分析市面上幾種常見鐵路電源方案的優(yōu)缺點,對超寬壓鐵路電源方案進行對比與總結(jié)。


一、前言


全球主流鐵路系統(tǒng)呈現(xiàn)多電壓供電,導(dǎo)致電源模塊無法歸一化實現(xiàn)掉電保持功能,增加了客戶應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計難度和管理成本。為兼容超寬全電壓輸入范圍和電容歸一化,金升陽利用自主IC的優(yōu)勢發(fā)明了一種主動式掉電保持電路。本文通過分析市面上幾種常見鐵路電源方案的優(yōu)缺點,對超寬壓鐵路電源方案進行對比與總結(jié)。

 

二、設(shè)計難點


在全球主流的鐵路系統(tǒng)控制中,多數(shù)國家的內(nèi)部控制所需供電電壓含24V、28V、36V、48V、72V、96V和110V。這將導(dǎo)致電源模塊無法歸一化應(yīng)用,增加了客戶系統(tǒng)設(shè)計的難度和管理成本。


根據(jù)EN50155鐵路電源標(biāo)準(zhǔn)要求,直流電源模塊在供電電壓波動范圍內(nèi)需穩(wěn)定為后端設(shè)備提供能量,即使出現(xiàn)電壓最大變化量的波動,電源模塊應(yīng)正常輸出并保護后端設(shè)備的穩(wěn)定進行。從下圖可看出,EN50155標(biāo)準(zhǔn)要求電源設(shè)備穩(wěn)定工作的電壓波動范圍在0.7倍至1.25倍,即16.8V~137.5V,而超出波動范圍至0.6倍和1.4倍只要求工作時間為100ms和1s。為了滿足全球鐵路系統(tǒng)供電需求和認證要求,超寬壓電源模塊的輸入范圍設(shè)計為14V~160V。


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圖1 鐵路電源電壓設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求


同時,鑒于鐵路系統(tǒng)具備高可靠性要求,在供電被切斷后,需滿足后端設(shè)備可進行掉電狀態(tài)數(shù)據(jù)的存儲且有序切換到備用電源,因此要求電源模塊前端有儲能電容來滿足掉電保持10ms的功能。


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三、傳統(tǒng)方案:輸入端并聯(lián)電解電容


傳統(tǒng)方案上,掉電延時功能通常采用輸入端并聯(lián)電解電容來實現(xiàn)。


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圖2 傳統(tǒng)方案示意圖


根據(jù)電容能量存儲公式W=1/2*C*U2和放電時間t=RC*Ln*U/Ut可知,輸入電壓U越高,存儲的能量W就越多,那么相同電容值C的情況下掉電保持時間t就越長,反之,輸入電壓越低,則相同條件下存儲的能量就會越小,掉電保持時間就越短,而電壓變化量呈平方差值關(guān)系更是加劇了這一現(xiàn)象。


由于電源輸入電壓非常寬,如果按最高輸入電壓選擇外部能量存儲電容,為兼顧低壓系統(tǒng)應(yīng)用,電容的容值將非常大,如24V系統(tǒng),100W功率,實現(xiàn)掉電保持10ms,電容容值需8000uF,按160V最高輸入電壓,外置儲能電容的體積將非常巨大(約為四分之一磚電源模塊的3.8倍)。


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圖3 不同輸入電壓下所需的電容值


為解決以上的問題,行業(yè)內(nèi)常用的方案是根據(jù)客戶不同的應(yīng)用系統(tǒng),推薦不同耐壓的外圍電容,但這將導(dǎo)致客戶系統(tǒng)無法歸一化,失去了超寬壓電源模塊設(shè)計的初衷,增加客戶系統(tǒng)設(shè)計的難度、物料管理成本和認證費用。


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四、主流方案①:兩級拓撲


摒棄傳統(tǒng)方案,現(xiàn)市面上主流方案使用兩級拓撲。前級拓撲采用Boost升壓電路,后級為反激、半橋或全橋電路等正常拓撲,外置儲能電容置于兩級拓撲之間,即升壓電路的輸出端。


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圖4 主流方案1示意圖-兩級拓撲方案


當(dāng)?shù)蛪狠斎霑r,升壓電路把低輸入電壓升至設(shè)定高壓值給外置儲能電容充電;當(dāng)高壓輸入時,升壓電路直通,高輸入電壓直接給外置儲能電容充電,這樣可以使用大耐壓,小容值的電解電容滿足掉電延時功能。出現(xiàn)輸入電壓被切斷的情況時,外置儲能電容可以繼續(xù)給后級提供能量實現(xiàn)掉電保持時間。


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圖5 兩級拓撲電路圖-外加小電路


由于是兩級串聯(lián),導(dǎo)致整機效率低,不適合做高功率密度產(chǎn)品;外置儲能電容作為Boost電路的容性負載,不可直接加在輸出端,需要額外在模塊外增加小電路和大電容以防止啟機不良。


這種方案存在兩種缺陷:


①對比單級充電方案來說,兩級串聯(lián)的電路拓撲復(fù)雜度大大增加,一定程度上降低了系統(tǒng)的可靠性,同時成本大幅度增加,而這些最終的不利因素也將轉(zhuǎn)移到終端客戶;

②兩級串聯(lián)方案較于單級充電方案的整機效率將降低,從而帶來大功率電源和系統(tǒng)的溫升升高,降低了電源和系統(tǒng)的壽命。


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五、主流方案②:單級拓撲加被動式降壓


相較于兩級拓撲,為了提升效率和可靠性,近年來出現(xiàn)了單級拓撲加被動式降壓方案。


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圖6 主流方案2示意圖-單級被動式降壓方案


以某品牌某型號為例,當(dāng)輸入電壓正常建立,降壓電路會把輸入電壓鉗位在設(shè)定低壓值22V,此時24V充電電路給外置電容充電;當(dāng)輸入電壓掉電至22V以下時,外置電容會通過二極管切入,提供存儲的能量給后端維持10ms的掉電保持時間。在輸入電壓高于22V時,掉電延時功能是正常執(zhí)行的,只需要一顆35V耐壓8000uF的電解電容。


但當(dāng)輸入電壓不足22V時,外置電容電壓就會跟隨輸入電壓,無法儲能,掉電保持功能失效;不僅如此,當(dāng)更換至需上調(diào)欠壓點超過22V的系統(tǒng)時,由于儲能電容電壓跟隨輸入電壓,就會出現(xiàn)直至產(chǎn)品關(guān)斷都無法觸發(fā)24V充電閾值,導(dǎo)致掉電保持功能失效。


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圖7 不同輸入電壓下的掉電保持功能


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六、技術(shù)新升級:主動式掉電保持電路


金升陽利用自主IC的優(yōu)勢,發(fā)明了一種主動式掉電保持電路,讓一個電源模塊滿足超寬壓,同時實現(xiàn)電源統(tǒng)一且體積小型、外圍簡單且固定。

該電路包含能量預(yù)存儲模塊和輸入掉電自動切換模塊。能量預(yù)存儲模塊通過精準(zhǔn)的設(shè)計和計算,實現(xiàn)電容體積最小化,能量存儲最大化;掉電自動切換模塊,能夠時時檢測輸入電壓的狀態(tài),一旦輸入電壓被切斷,外置電容就會向主功率輸入端提供存儲的能量使產(chǎn)品繼續(xù)工作10ms,后端設(shè)備實現(xiàn)自動平穩(wěn)切換。


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圖8 主動式掉電保持電路


同時,主動式掉電保持電路方案具有可編程欠壓保護,當(dāng)客戶上調(diào)欠壓點以應(yīng)用于不同供電系統(tǒng)時,此方案可保障輸入電壓全范圍實現(xiàn)掉電保持10ms。


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圖9 輸入欠壓保護的設(shè)置圖


這個技術(shù)成功應(yīng)用到金升陽的鐵路電源產(chǎn)品上,UWTH1DxxQB-100WR3系列。該系列具備超寬壓輸入14-160VDC,適用全球主流輸入電壓的鐵路系統(tǒng);可實現(xiàn)掉電保持10ms,外圍簡單固定,僅需一顆470uF的電解電容;輸入欠壓保護只需調(diào)節(jié)外置電阻;并且滿足5000m海拔應(yīng)用,隔離耐壓3000VAC。


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圖10 金升陽超寬壓鐵路電源


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七、總結(jié)


鐵路電源方案并不唯一,那如何選擇、設(shè)計合適的電源方案呢?設(shè)計能力較弱的,可以選擇傳統(tǒng)方案;對效率或掉電保持指標(biāo)不太關(guān)注的,可以選擇常規(guī)拓撲;需要適應(yīng)各種工況,喜歡集成度更高的,可以選擇更省心的主動式掉電保持電路方案。


隨著行業(yè)需求量的增大和技術(shù)要求的增高,產(chǎn)品更新迭代的速度也愈發(fā)直上。在滿足功能的前提下,金升陽竭力追求高效率、高可靠性,其超寬壓鐵路電源方案幫助客戶實現(xiàn)降低成本與體積,提升系統(tǒng)壽命,同時降低系統(tǒng)設(shè)計難度,加速認證時間,最終物料歸一,有效降低管理成本。



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