作者：Mornsun

全球主流鐵路系統(tǒng)均采用多電壓設(shè)備供電，這使得電源模塊無法通過歸一化來實現(xiàn)保持時間保護(hù)，增加了客戶應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計難度和管理成本。針對這個問題，[MORNSUN] 發(fā)明了一種主動保持時間保護(hù)電路，以兼容超寬電壓輸入范圍和電容歸一化。本文通過分析市場上幾種常見的鐵路電源解決方案的利與弊，對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)計的難點

在全球主流的鐵路控制系統(tǒng)中，像德國、美國、法國、印度等大多數(shù)國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，一個電源無法歸一化到多個系統(tǒng)，這增加了客戶系統(tǒng)設(shè)計的難度和管理成本。

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，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 倍的電壓波動范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，即 16.8 V137.5 V，如果波動范圍到 0.6 倍和 1.4 倍，那么工作時間分別只要求為 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)計成 14 V160V。

圖 1：鐵路電源電壓范圍設(shè)計要求。（圖片來源：MORNSUN Power）

同時，鐵路系統(tǒng)有很高的可靠性要求，要求后端設(shè)備能夠存儲保持時間狀態(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)置一個儲能電容器，以維持 10ms 的保持時間保護(hù)時間。

圖 2：超寬電壓鐵路電源設(shè)計難點。（圖片來源：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，保持時間保護(hù)一般是通過在輸入端并聯(lián)一個電解電容器來實現(xiàn)的（圖 3）。

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

按照電容器儲能公式：W=1/2CU2 和放電時間公式：t=RC*Ln*U/Ut，輸入電壓值 (U) 越高，儲存的能量 (W) 越多，當(dāng)電容值 (C) 相同時，保持時間保護(hù)時間 (t) 越長。相反，輸入電壓值 (U) 越低，在相同條件下儲存的能量 (W) 就越小，保持時間保護(hù)時間則越短。這種現(xiàn)象會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，而外部儲能電容器是根據(jù)最大輸入電壓來選擇的，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，對于最大輸入電壓達(dá) 160 V、功率為 100 W 的情形，儲能電容器的電容值約為 190μF，可實現(xiàn) 10ms 的保持時間保護(hù)時間。然而，如果與 24 V 系統(tǒng)兼容，電容將達(dá)到 8000 μF，外部儲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儲能電容的圖形和圖表。（圖片來源：MORNSUN Power）

鐵路行業(yè)常見的解決方案是根據(jù)客戶不同的應(yīng)用系統(tǒng)推薦不同耐壓的外部儲能電容器，以解決上述問題。但這將導(dǎo)致客戶的系統(tǒng)無法歸一化，從而違背超寬輸入范圍電源模塊的設(shè)計初衷，增加了客戶系統(tǒng)設(shè)計難度、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。現(xiàn)在，市場上的主流解決方案是兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。前級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用升壓電路，后級是常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如反激、半橋或全橋電路。外部儲能電容器放置在兩級拓?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拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路圖。（圖片來源：MORNSUN Power）

由于電路中使用了兩級串聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此效率太低，無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，外部儲能電容器不能直接加到輸出端。它必須增加一個小的外圍電路和一個大的電容器，以防止啟動不良（圖 7）。

這個解決方案有兩個缺陷：

• 與單級充電方案相比，采用兩級串聯(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，同時在一定程度上還降低了用戶系統(tǒng)的可靠性。
• 與單級充電方案相比，采用兩級串聯(lián)的充電方案的整體效率會降低，會帶來大功率電源和系統(tǒng)的溫度升高，從而降低了電源和系統(tǒng)的壽命。

圖 8：兩級拓?fù)浞桨傅睦c弊。（圖片來源：MORNSUN Power）

主流解決方案②：單級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) + 無源降壓

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

圖 9：單級 + 無源降壓主流方案。（圖片來源：MORNSUN Power）

以市場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，降壓電壓會將輸入電壓鉗制在 22 V 的設(shè)定低電壓值，同時充電電路會同步給外部電容充電。當(dāng)輸入電壓降低到 22V 以下時，外部電容器將通過二極管切換進(jìn)來，向后端提供儲存的電力，從而保持 10ms 的保持時間保護(hù)時間。所以當(dāng)輸入電壓高于 22V 時，通常會執(zhí)行保持時間保護(hù)功能。此時，系統(tǒng)只需要一個耐壓為 35 V 的 8000 μF 電解電容器。

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

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

圖 11：單級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) + 無源降壓解決方案的利與弊。（圖片來源：MORNSUN Power）

新技術(shù)升級：主動保持時間保護(hù)電路

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

該電路內(nèi)置了一個能量預(yù)存模塊和一個輸入保持時間自動切換模塊。通過精確的設(shè)計和計算，能量預(yù)存模塊可以最大限度地減少電容器的體積，并使能量存儲最大化。保持時間自動切換模塊可以實時檢測輸入電壓的狀態(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)備存儲保持時間狀態(tài)數(shù)據(jù)并切換到備用電源，從而實現(xiàn)自動平穩(wěn)的切換。

圖 12：主動保持時間保護(hù)電路。（圖片來源：MORNSUN Power）

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

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

這項技術(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；通過一個簡單、固定的外圍電路和一個 470 μF 的電解電容器，實現(xiàn)了 10 ms 的保持時間保護(hù)功能。輸入欠壓保護(hù)可以通過改變外部電阻來調(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。（圖片來源：MORNSUN Power）

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

結(jié)語

鐵路電源解決方案并非只針對一種電壓，那么設(shè)計者該如何選擇和設(shè)計一個合適的解決方案呢？如果工程師們對系統(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，如果他們對能效指標(biāo)或保持時間保護(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。另一個選擇是，如果他們想要一個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保持時間保護(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，延長使用壽命，降低系統(tǒng)設(shè)計難度，減少認(rèn)證時間，最終實現(xiàn)物料的歸一化和管理成本的降低。