利用DC/DC變換器設(shè)計(jì)滿足歐洲鐵路標(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)國際標(biāo)準(zhǔn)來管理的。即在設(shè)計(jì)規(guī)格中,最常用的IEC571標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)也稱作歐洲EN50155標(biāo)準(zhǔn)和在英國使用的RIA12標(biāo)準(zhǔn),即用于拖動及運(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)會開發(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)備有專門對抗浪涌的能力。
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,來幫助設(shè)計(jì)可同時(shí)滿足以上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)稱輸入電壓為Vn。正常工作時(shí),設(shè)備由電池直接供電,在無其他穩(wěn)定器情形下,輸入電壓在0.7 Vn~1_25 Vn之間正常操作。啟動電源時(shí),設(shè)備還需承受瞬態(tài)壓降及過壓浪涌的沖擊。
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。通過選擇TVS的鉗制電壓,來保證模塊不會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)槟芰肯牡脑颍瑢⒉荒芴峁┮粋€(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)有源器件來限制浪涌。在正常動作期間,用變換器的輸出閘門信號驅(qū)動由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)過壓現(xiàn)象終止時(shí),系統(tǒng)仍然會正常工作。
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)來限制20ms的單脈沖。Rds(on)。 (場效應(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╇妷海谶@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,如表3所示。當(dāng)設(shè)計(jì)電源時(shí),必須考慮在啟動期間的過溫情況。
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.振動和沖擊:EN50155規(guī)定電子設(shè)備固定安裝在汽車框架的板及箱上,必須能承受3個(gè)方向的振動,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)氧樹脂之內(nèi),因此可以抵御這些機(jī)械壓力。當(dāng)然,對印制板的設(shè)計(jì)和布線必須加倍留意,避免任何移動而使模塊端子承受不必要的應(yīng)力。
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原文標(biāo)題:利用DC/DC變換器設(shè)計(jì)滿足歐洲鐵路標(biāo)準(zhǔn)的電源
文章出處:【微信號:Power-union,微信公眾號:電源聯(lián)盟】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
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