A készen kapható DC/DC átalakítók egyszerűsítik a strapabíró alkalmazások kihívásait

A vasúti, ipari és egyéb robusztus alkalmazásokban, környezeti szempontból kihívást jelentő körülmények között a DC/DC átalakítókat használó berendezéseknek különleges követelményeket kell teljesíteniük az egyenáramú bemeneti tartomány, az EMC-megfelelőség és az ütés/rezgés tekintetében. Széles hőmérsékleti ingadozások is előfordulnak, gyakran a kondenzáció kihívásával párosulva. A tűzvédelmi előírásoknak való megfelelésre szintén ügyelni kell. A nagy hatásfokot és kompakt méretet megkövetelő általános követelmények mellett a teljesítményátalakítóknak összetett specifikációknak kell megfelelniük. Ez a cikk ismertet néhány kihívást, és bemutat olyan kész megoldásokat, amelyek egyszerűsítik és kockázatmentesítik a rendszertervezést.

Az alkalmazás jellegéből adódóan a vonatok elektronikus rendszerei viszonylag zajos egyenáramú forrásból kapják a tápellátást. Gyakoriak a feszültségcsúcsok, túlfeszültségek és kiesések, valamint a nagy teljesítményű átviteli rendszerekből származó sugárzott és vezetett EMI. Az ütések és rezgések állandó stresszt jelentenek, a szélsőséges hőmérsékleti értékek és ingadozások pedig megszokottak. Az utasok és a személyzet biztonsága is kiemelten fontos, és a felhasznált anyagok gyúlékonyságát, valamint az ebből eredő füst- és gázkibocsátást alaposan figyelembe kell venni. Emellett vannak más piacok is, amelyek ugyanezen kihívások némelyikével vagy mindegyikével szembesülnek. Az ipari mobil rendszerek, például az építőipari és anyagmozgató gépek és targoncák szintén ki vannak téve a zord külső körülményeknek.
Hasonló követelmények vonatkoznak a védelmi és helyreállítási szolgálatok, például a rendőrség és a tűzoltóság által használt berendezésekre, a hókotrókra és az elektromos járművek töltőállomásaira is. Mivel nincsenek saját, egyértelmű szabványok, az ilyen piacokon az alkalmazások jellemzően a már meglévő, robusztus megoldásokhoz fordulnak, amelyeket már vasúti szabványok szerint terveztek és gyártottak.
Az ilyen rendszerekben uralkodó körülmények miatt a szabványos ipari elektronika viszonylag szolídnak tűnik. Az ilyen megoldások gyakran egyszerűen kereskedelmi minőségűek, kiterjesztett hőmérséklet-tartományt támogatnak, a tápsínek várhatóan „tiszták”, az ütés- és rezgésszintek pedig alacsonyak.

A vasúti teljesítményelektronika szabványait
kihasználó robusztus megoldások

A vasúti környezet, bár zord, jól meghatározott jellemzőkkel rendelkezik. Történelmileg, amikor a fedélzeti elektromos berendezések egyszerű jelző-, vezérlő-, fűtő- és világítóberendezések voltak, a teljesítménysíneket nem szűrték erősen, és a berendezésektől elvárták, hogy egyszerűen tűrjék a változásokat. A helyzet javult, de a vasúti elektronikai berendezésekre jelenleg vonatkozó előírás, az EN 50155 még mindig lehetővé teszi a szélsőséges feszültségingadozásokat. Ezenkívül az EN 61373 meghatározza a vonaton belüli különböző előírt területek esetenként durva ütés- és rezgéskeltő környezetét.
Gyakran hivatkoznak más általános szabványokra is, például az EN 61000-4 sorozatra az EMC tekintetében. Végül gyakran megkövetelik az RIA 12 brit vasúti iparági szövetség szabványának való megfelelést, beleértve a súlyos, nagy energiájú túlfeszültségeket is.

EN 50155

Az EN 50155 az alapszabvány a vasúti elektronikára, valamint a legtöbb más robusztus DC/DC átalakító alkalmazásra. Meghatározza a környezeti és üzemi feltételeket, a megbízhatósági elvárásokat, a biztonságot, a tervezési és kivitelezési módszereket. A dokumentáció és a tesztelés is szerepel benne. A tipikus ipari minőségű elektronika megfelelhet az általános követelményeknek, de a DC/DC tápátalakítóknak sokkal szélesebb bemeneti feszültségváltozást kell elviselniük, több lehetséges névleges értékkel (1. ábra).

1. ábra DC bemeneti tartományok különböző tápsínes alkalmazásokhoz

Általában nem praktikus 100 ms-os áramkimaradásokat átvészelni, és az egy másodperces túlfeszültségek is túl sok energiát tartalmaznak a blokkoláshoz. A teljesítményátalakítóknak ezért az 1. ábrán látható teljes tartományban kell működniük, némi biztonsági tartalékkal. A gyakorlatban ez több mint 2,33:1 bemeneti tartományt jelent és 48 V és 96 V névleges feszültségek is lehetségesek (francia és amerikai tartományoknál eltérő minimális és maximális értékek). A DC/DC átalakítók gyártói úgy tesznek eleget ezeknek a követelményeknek, hogy szélesebb, 4:1 bemeneti tartományú átalakítókat kínálnak (jellemzően 43-160 V), hogy az alkalmazások többségét lefedjék. A magasabb feszültség, rövid ideig tartó túlfeszültségek és tranziensek az EN 61000-4 alapszabványból levezetett EN 50121-3-2 szabvány szerint is specifikálva vannak. A gyors tranziensek +/-2 kV-osak, 5/50 ns-os felfutási és lecsengési idővel és 5 kHz-es ismétlési frekvenciával. A túlfeszültségek +/-2 kV-os vezeték-föld és +/-1 kV-os vezeték-vezeték közötti feszültségűek 1,2/50 µs felfutási és lecsengési idővel, meghatározott forrásimpedanciából, váltakozó áramú csatolással.

Az extra rendszerkövetelmények közé tartozhat
az RIA 12 szabványnak való megfelelés

Szerződéses követelmények is lehetnek a kiterjesztett vagy eltérő előírások, például az RIA 12 (általános előírás a vontatási és gördülőállomány elektronikus berendezéseinek a tranziensek és túlfeszültségek elleni védelmére egyenáramú vezérlőrendszerekben) teljesítésére. Ez megköveteli az 1,5 × Vnom 1 másodpercig tartó és a 3,5 × Vnom 20 ms-ig terjedő, nagyon alacsony, 0,2 ohm-os forrásimpedanciájú túlfeszültségekkel szembeni immunitást. Egy 110 VDC névleges rendszer esetében ez 385 VDC csúcsértéket jelent. Ez kívül esik az átalakító normál tartományán, különösen, ha a 66 VDC-s áramkimaradásos minimumig kell dolgoznia. Az ilyen alacsony impedanciájú forrásból rendelkezésre álló energia azt jelenti, hogy a feszültséget nem lehet tranziens feszültségcsökkentővel (TVS) megfogni. A teljesítményszinttől függően szükség van egy előszabályozóra a tápegység bemenetén vagy egy olyan áramkörre, amely a túlfeszültség idejére kikapcsolja a bemenetet. A DC/DC átalakítóban a kimenet fenntartásához ez alatt az idő alatt szükség van a feszültség fenntartására. Egy másik, szintén az RIA 12-ből származó követelmény szerint 100 µm-es forrásimpedanciával 100 ns időtartamú trapéz hullámformájú, akár 8,4 kV-os gyors tranzienseknek is ellen kell állni. Ezek viszonylag kis energiájúak, és TVS diódával vagy a DC/DC átalakítók gyártóinak saját szűrőivel hatékonyan lefoghatók.

Az EMI és az elektrosztatikus kisülés
követelményeinek teljesítése

Az EN 61000-4 sorozat általában az EMC-irányelvnek való megfelelés vizsgálatára szolgáló szabványként fordul elő a váltakozó áramú bemeneti tápegységek esetében, amelyek mindegyikének megfelelő szűréssel kell rendelkeznie. Az ipari DC/DC átalakítókat azonban általában elektronikába ágyazzák, és védik a tápfeszültségből származó vezetési EMI-től. Mivel ezek általában nem tartalmaznak a sínes egyenáramú tápegységekhez való közvetlen csatlakoztatásra alkalmas szűrést, ezért további külső szűrőhálózatot igényelnek. Az EN 50121-3-2 tartalmazza a vezetéses közös módusú rádiófrekvenciás zavarmentességre vonatkozó követelményeket 80 MHz-ig, valamint az elektrosztatikus kisüléssel és az elektromágneses mezőkkel szembeni zavarmentességre vonatkozó követelményeket a burkolati portok szintjén. A vezetéses sugárzás az EN 55016-2-1 alapszabvány követelményeit követi. Az EN 50155 példát ad az A, B és C fizikai EMC területekre a vasúti alkalmazásokban (2. ábra), amely a rendszer tervezőjét a megfelelő szintű EMI-szűrés kiválasztásában segíti.

2. ábra Egy DC/DC átalakító tipikus elhelyezése az EMC területek között egy vasúti alkalmazásban

A vasúti ütési és rezgési követelmények szigorúak

A vasúti alkalmazásokra vonatkozó ütés- és rezgésvizsgálatokat az EN 61373 szabvány határozza meg. Ez különböző kategóriákba sorolja a helyszíneket, növekvő vizsgálati súlyossági szintekkel:

• 1. kategória, A osztály, karosszériára szerelve
• 1. kategória, B osztály, karosszériára szerelve
• 2. kategória, forgóvázra szerelt
• 3. kategória, tengelyre szerelt

Például a B osztályú karosszériaelemek kis tömegű darabjainak 5,72 m/s²-os függőleges irányú rezgésgyorsulást kell elviselniük 5 és 150 Hz közötti vizsgálati frekvencián, a hosszirányú lökések csúcsértéke pedig 50 m/s² (közel 5 g). A legszigorúbb tengelyre szerelt környezetben a berendezéseknek 144 m/s² (közel 15 g) rezgést és 100 g-nál nagyobb lökéseket kell elviselniük bármely irányban. Egy vibrációs gerjesztő (más néven rázó) és egy stroboszkóp segítségével ki lehet értékelni az egyes alkatrészek mozgását (3. ábra). Ez lehetővé teszi az esetleges mechanikai gyengeségek felderítését a fejlesztési folyamat során.

3. ábra Rezgésvizsgálati berendezés a Traco Power Solutions laboratóriumában, Wexfordban, Írországban

A különböző szerelési orientációkhoz funkcionális feltételeket és nagyobb súlyosságú, hosszú élettartamú igénybevételi szinteket határoznak meg, és ismételten: a nem robusztusan megépített teljesítménymodulok valószínűleg nem lesznek megfelelőek. Kis teljesítménynél a DC/DC átalakítók SIP stílusú rögzítése nem nyújt megfelelő mechanikai alátámasztást. Emiatt a TMR 3WIR és más hasonló termékek eltolt rögzítőcsapokkal rendelkeznek, amelyek további mechanikai stabilitást biztosítanak csakúgy, mint az alkalmazott tokozás (4. ábra). A nagyobb készülékek, mint például a TEQ 300WIR sorozat, a kábelcsatlakozókhoz alkalmazott rugós bilincsek segítségével küzdenek a rezgések hatása ellen, így biztosítva a stabil és tartós csatlakozást (5. ábra).

4. ábra A TMR 3WIR további eltolt rögzítőcsapjai
mechanikai stabilitást biztosítanak

5. ábra A TEQ 300WIR a rugós bilincsekkel
további biztonságot nyújt a rezgéshatások ellen

Hőmérsékleti sokk, működési környezet és tűzbiztonság

A vasúti alkalmazásokban a folyamatos üzemi hőmérséklet általában nem túl magas, az utas- és vezetőfülke területén 25 °C névleges hőmérséklet várható, amely akár 55 °C-ig is emelkedhet. A berendezés fülkéiben 70 °C is lehet, de a berendezéseknek minden esetben 10 percig 15 °C-kal magasabb hőmérsékletet kell kibírniuk. A beépített hűtőbordák optimális kialakításának köszönhetően az olyan megoldások, mint a TEP 150WI és a TEQ 300WIR megfelelnek ezeknek a hűtési követelményeknek (6. ábra).

6. ábra A TEP 150WI a TEQ 300WIR-hez hasonlóan
passzív hűtőbordával rendelkezik, és nem igényel
további hűtést

Első pillantásra a -40 és +85 °C közötti hőmérsékletre méretezett tápátalakítók megfelelőnek tűnnek a legtöbb termikus környezeti kihíváshoz. A termikus sokkot azonban szintén figyelembe kell venni. Ez egy alagútba vagy épületbe behaladó és onnan kilépő vonatot vagy más járművet utánoz, ahol 40 °C-os hőmérséklet-különbségekkel találkozhatunk, másodpercenként 3 °C-os változási sebességgel. Ez a hirtelen hőmérséklet-változás hirtelen kondenzációt okozhat. Az ilyen környezetbe szánt áramátalakítók esetében tokozásra vagy megfelelő bevonatra van szükség, különleges óvintézkedésekkel a különböző tágulási sebességek és a hőhatás okozta károsodások ellen. Az arany helyett a nikkelezés választása a TEN 40WIR sorozatú DC/DC átalakítók esetében védelmet nyújt a korrózió ellen, amely a kondenzációnak való ismételt kitettségből adódhat. Az utasok biztonsága érdekében tűz esetén a DC/DC átalakítókban használt anyagoknak meg kell felelniük az EN 45545-2 szabványnak. A vasúti közlekedés esetében ezt a jármű konstrukciójának és használati kategóriájának kombinációjával határozzák meg, amely meghatározza a veszélyességi szintet (HL). Ez a követelményrendszerrel párosulva meghatározza, hogy milyen termékkövetelmények vonatkoznak rá, mint például az R26 a kis elektronikai termékek esetében. Ennek a folyamatnak az eredménye a vizsgálati megközelítés és az oxigénindex, a füstgáz sűrűsége és a füstmérgező hatás maximálisan megengedett értékei. A végső cél az, hogy minimalizáljuk a tűz kialakulásának valószínűségét, de ha mégis bekövetkezik, akkor korlátozzuk annak hatását az utasokra és a személyzetre, akiknek segítség nélkül kell biztonságba jutniuk.

Raktárkészleten kívüli megoldások

Szerencsére a tervezőknek nem kell aggódniuk a DC/DC átalakítókra vonatkozó ilyen szigorú előírások miatt, mivel a Traco Power cég a sínre vonatkozó követelményeket a késztermékek széles választékával oldotta meg (7. ábra).

7. ábra A Traco Power tipikus termékei vasúti és hasonló alkalmazásokhoz
3 és 300 W között

A teljesítményértékek 3 W-tól 300 W-ig terjednek, a NyÁK-ra szerelt megoldások 11 teljesítménytartományt támogatnak, amíg az alvázra szerelt megoldások 9 teljesítménytartományt biztosítanak. Mindegyik 4:1 bemeneti tartományt kínál, olyan változatokkal, amelyek között szerepelnek a 43-160 VDC a 110 VDC névleges, valamint a 9-36 VDC és 18-75 VDC a 24 és 48 VDC névleges értékek. A tokozások között szerepel a fémdobozos SIP8 3 és 6 W-os változatban, a rezgésvédelem érdekében kiegészítő rögzítőfülekkel; 8 W-os DIP24-es tokozásban; valamint az iparági szabványos 1" × 1" és 2" × 1" típusok 10 W-tól 40 W-ig terjedő teljesítményben. Vázra szerelt változatok is kaphatók 20 W-tól 300 W-ig. A változattól függően az átalakítók az EN 55032 B osztályú szintig tartalmaznak bemeneti szűrést, és rendelkeznek a vasúti és hasonló alkalmazásokhoz szükséges környezeti tömítéssel és strapabíró tulajdonságokkal.
A svájci Traco Power cég jól ismert az általános alkalmazásokhoz szánt minőségi AC/DC tápegységek és DC/DC átalakítók széles választékáról. A DC/DC konverterek robusztus választékának alkalmazásával a vasúti és hasonló iparágakban, például az építőipari gépek és az anyagmozgatásban használt kritikus rendszerek tervezői a végrendszerük fejlesztésére koncentrálhatnak, abban a tudatban, hogy a tápellátással kapcsolatos kihívásokat már megoldották.

Traco Electronic AG
Sihlbruggstrasse 111,
6340 Baar, Switzerland
Tel.: +41 43 311 45 11
www.tracopower.com