철도 전력 공급의 고유한 과제를 해결하는 특수 DC DC 컨버터

현대 철도 시스템에는 승객 인터넷 접속, 위성 링크, 인터콤 및 전관 방송(PA) 시스템, 항법 하위 시스템, 비상 무선 통신, 신호 표시기 간판, LED 조명, 정보 시스템, 좌석에 위치한 충전용 아웃렛, 기타 부속품과 같은 기능을 위해 온보드형 전자 기기가 점점 많이 더 늘어나고 있습니다. 또한 이러한 기능 중 대부분은 일시적인 전력 간격이나 장시간 전력 손실이 발생할 때도 전력을 공급받아야 하므로 배터리 충전 하위 시스템도 있습니다. 이러한 각 기능에는 고유한 전압 요구 사항이 있으므로 많은 DC DC 컨버터를 배포하여 고전압 DC를 여러 개의 저전압으로 변환합니다.

그러나 철도에 사용하기 위해 DC DC 컨버터를 지정하는 설계자는 까다로운 전기, 기계 및 열응력 조건 하의 제한된 공간에서 컨버터를 안정적으로 작동할 수 있도록 해야 합니다. 또한 수많은 엄격한 산업 및 규정 요구 사항을 충족하고 시간을 절약하기 위해 쉽게 배포할 수 있어야 합니다.

이 기사에서는 철도 응용 분야에 대한 DC DC 전력 컨버터의 요구 사항을 간략하게 살펴봅니다. 그런 다음 TRACO Power의 DC DC 컨버터를 소개하고 그러한 요구 사항을 충족하도록 컨버터가 적용되는 방법을 보여줍니다.

철도용 전력 분배

전기 기관차 또는 운반대의 일반적인 전력 분배 경로에는 1차 DC 오버헤드 현수선 소스에서 파생되는 저전압이 많이 있습니다. 모든 주요 응용 분야에서처럼 여러 관점에서 성능 요구 사항을 정의하는 필수 산업 표준이 있습니다.

철도 전자 장비에 대한 지배적인 규정 사양은 EN 50155, 철도 응용 분야 - 철도 차량 - 전자 장비입니다. 이는 환경 및 서비스 조건, 신뢰성 기대, 안전성, 설계, 시공 방법을 정의하며 문서화 및 테스트에 대해서도 다룹니다.

기타 주요 사양은 다음과 같습니다.

• EN 61373, 철도 응용 제품 - 철도 차량 장비 - 충격 및 진동 테스트
• EN 61000-4, 전자파 적합성(EMC)
• EN 45545-2, 화재 안전에 대한 유럽 철도 표준
• 영국 철도 산업 협회 표준 RIA 12, DC 제어 시스템의 과도 및 서지로부터 제동 및 철도 차량 전자 장비 보호를 위한 일반 사양

DIY 전력 컨버터 설계가 시뮬레이션 동안 의도한 대로 벤치 프로토타입으로 작동한다고 하더라도 이러한 규제 요건을 충족하는 것은 주요 설계 과제입니다. 다행히 DIY 접근 방식을 취할 필요가 없습니다. 철도 요구 사항을 충족하는 기성 응용 분야별 표준 DC DC 컨버터는 이미 사용 가능합니다.

예를 들어 TEP 150UIR/TEP 200UIR 제품군은 각각 150W와 200W 정격의 2가지 유사한 계열인 하프브릭, 기판 실장 컨버터입니다. 이 제품군은 3,000V_AC 입/출력(I/O) 절연 및 내장된 단락, 과전압, 과열 보호 기능을 강화했습니다.

이 2가지 제품군 모두 동일한 연결 구성을 갖추고 있으며 패키지 크기는 60mm × 60mm × 13mm입니다(그림 1). 효율성은 대략 90%입니다.

그림 1: 모든 TEP 150UIR 및 TEP 200UIR 제품군은 인클로저 크기 및 폼 팩터가 동일합니다. (이미지 출처: TRACO Power)

TEP 150UIR 계열은 14V ~ 160V_DC의 매우 넓은 입력 전압 범위에서 작동하며 범위가 5V/30A ~ 48V/3.2A에 이르는 5개의 출력 쌍에서 사용할 수 있습니다.

그림 2: TEP 150UIR 계열은 5V/30A ~ 48V/3.2A에 이르는 정격 전압/전류로 제공됩니다(이미지 출처: TRACO Power).

이 제품군의 최저 전압/최고 전류 제품은 TEP 150-7211UIR이며 5V에서 최대 30A까지 공급할 수 있습니다.

TEP 200UIR 계열은 동일한 입력 및 출력 전압 범위를 갖추고 있지만 전류는 5V/40A ~ 48V/4.2A로 더 높습니다(그림 3).

그림 3: TEP 200UIR 제품군은 출력 전압 값이 동일하지만 더 높은 출력 전류로 33% 더 많은 전력을 공급합니다. (이미지 출처: TRACO Power)

이 제품군의 최고 전압/최저 전류 제품은 TEP 200-7218UIR이며, 해당 전압에서 150W 제품이 3.2A인데 비해 이 제품은 48V에서 최대 4.2A까지 공급할 수 있습니다.

공통 크기와 실장 면적을 유지함으로써 사용자는 회로를 쉽게 업그레이드하여 다양한 요구 사항을 처리하거나 케이블 및 레이아웃 문제를 최소화하면서 다양한 기판을 사용할 수 있습니다. 또한 고유한 모델 수를 더 줄여 재고를 간소화할 수도 있습니다.

3가지 주요 특징

TEP 150UIR 및 TEP 200UIR 장치는 광범위한 입력 전압 범위, 확장된 홀드 시간, 유효 유입 전류 제한이라는 3가지 뛰어난 특징을 제공합니다.

1) 광범위한 입력 전압 범위: 일반 산업 등급 전자 기기는 일반적인 전압/전류 요구 사항을 충족할 수 있지만 이 응용 분야를 위한 DC DC 전력 컨버터는 훨씬 더 넓은 입력 전압 변화와 가능성이 있는 다양한 공칭 값을 견뎌야 합니다(그림 4).

그림 4: 다양한 철도 응용 분야를 위한 DC 입력 범위는 매우 넓으며 특히 공칭 값에서 허용되는 편차를 분석에 고려합니다. (이미지 출처: TRACO Power)

여기에는 각 공칭 값 주위의 입력 전압에 허용된 변화가 포함됩니다.

• 지속파 = 0.7 ~ 1.25, × V_NOM
• 전압 저하 = 100ms 동안 0.6 × V_NOM
• 서지 = 1초 동안 1.4 × V_NOM

100ms 동안 전압 저하를 견딜 수 있는 전력 컨버터를 설계하는 것은 어렵지만 1초 동안 지속되는 서지는 클램핑하기에 너무 많은 에너지를 소비합니다. 따라서 컨버터는 일부 안전 여유치를 포함하면서 그림 4에 표시된 전체 범위에서 작동해야 합니다. 실제로 이는 입력 범위가 2.33:1 이상임을 의미합니다.

상황이 복잡해지면 공칭 전압은 24V_DC ~ 110V_DC 사이일 수 있습니다. 많은 DC DC 컨버터 제조업체에서는 대부분의 응용 분야에 사용될 수 있는 입력 범위가 4:1로 더 넓은 컨버터를 제공하여 이러한 요구 사항을 충족하지만 일반적으로 단일 컨버터가 일반적으로 모든 요구 사항을 충족할 수는 없었습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 TRACO 장치는 14V ~ 160V_DC의 매우 넓은 12:1 입력을 지원합니다. 이 범위를 통해 시스템 응용 분야 엔지니어는 단일 전원 공급 장치를 사용하여 다양한 공칭 시스템 전압을 대상으로 할 수 있습니다.

2) 확장된 홀드 시간: DC 라인은 상승 시간 5ns, 하강 시간 50ns, 반복 속도 5kHz로 ±2kV의 빠른 과도 상태가 됩니다. 정의된 AC 결합형 소스 임피던스로부터 상승 시간 1.2μs, 하강 시간 50μs인 ±2kV 상전압 및 ±1kV 라인 간 서지도 있습니다.

일부 요구 사항은 EN 50155를 초과하며 0.2Ω의 극도로 낮은 소스 임피던스에서 1초 동안 최대 1.5 x V_NOM 및 20ms 동안 3.5 × V_NOM의 서지에 대한 내성을 요구합니다. 이는 시스템이 110V_DC(공칭)인 경우, 특히 최소 66V_DC 전압 저하까지 작동해야 할 때 컨버터의 정상 범위를 벗어나는 385V_DC의 피크 값에 해당합니다.

이러한 낮은 임피던스 소스에서 사용할 수 있는 에너지는 전압이 과도 전압 억제기(TVS)에 의해 클램핑될 수 없음을 의미합니다. 전력 레벨에 따라 공급 입력에 대한 사전 조정기 또는 서지 지속 기간 동안 입력을 끄는 회로가 필요합니다. 이 시간 동안 출력을 유지하기 위해 DC DC 컨버터에 홀드 기능이 필요합니다.

이 문제를 해결하기 위해 TRACO 장치에는 BUS 핀 출력 형태로 중요한 기능이 있습니다. 이 출력은 커패시터를 충전하는 정전압을 제공하므로 커패시터가 더 오랜 홀드 시간에 필요한 에너지를 공급할 수 있습니다(그림 5). 이러한 커패시터는 기존의 프런트 엔드 커패시터 홀드 체계에 사용되는 커패시터보다 훨씬 작고 저렴합니다.

그림 5: 이는 확장된 홀드 시간 구현을 간소화하기 위해 버스 커패시터 C_BUS와 함께 사용되는 권장 입력 회로입니다. (이미지 출처: TRACO Power)

이러한 컨버터에는 단락을 방지하고 커패시터의 에너지가 전원 공급 장치로 계속 흐르게 하는 통합 다이오드가 있으므로 직렬 다이오드를 입력 회로에 추가할 필요는 없습니다.

공급 전압 차단이 발생하면 커패시터 방전이 시작되기 전에 입력 전압이 BUS 전압으로 강하하여 전력 모듈에 에너지를 공급합니다. 상대적으로 높은 출력 밀도로 인해 TEP 150UIR 계열 및 TEP 200UIR 계열은 최대 80V 입력 전압에서 고정 BUS 전압을 공급할 수 있습니다. 더 높은 입력 전압에서는 BUS 전압이 실제 입력 전압에 선형적으로 증가합니다(그림 6).

그림 6: 컨버터는 최대 80V의 입력 전압에서 고정 BUS 전압을 제공하며 더 높은 입력 전압에서는 BUS 전압이 실제 입력 전압에 선형적으로 증가합니다. (이미지 출처: TRACO Power)

3) 유효 유입 전류 제한: 이는 입력 전압이 상승하기 시작할 때 입력 단자에서 홀드 커패시터가 고 유입 전류를 일으키는 것과 같은 전력 컨버터의 일반적인 문제를 해결합니다. 이로 인해 퓨즈가 끊어지거나 회로가 트립되고 연결된 장치에서 오류 및 고장이 발생할 수 있습니다.

이를 방지하기 위해 TEP 150UIR 및 TEP 200UIR 계열 모두의 펄스 핀은 유입 전류 제한 회로에 사용할 수 있는 12V, 1kHz 방형파 신호를 보냅니다(그림 7).

그림 7: TEP 150UIR 및 TEP 200UIR 계열은 방형파 신호를 보내는 펄스 핀을 사용하여 시작 시 유입 전류를 제한하는 간단한 방법을 제공합니다. (이미지 출처: TRACO Power)

유효 유입 전류 제한 회로망을 펄스 핀에 연결하여 유입 전류를 효과적으로 제한합니다(그림 8). 제한이 없으면 유입 전류는 대략 120A(왼쪽)이며 제한하는 경우 약 24.5A(오른쪽)로 내려갑니다.

그림 8: 펄스 핀을 사용하여 컨버터의 유효 유입 전류 제한 회로망을 구동하면 유입 전류를 5배로 줄입니다. 72V의 V_in에 대한 예시를 보여줍니다. 왼쪽의 가로 눈금은 50V/DIV이고 오른쪽은 10V/DIV이며 트랜스듀서 척도 인자는 1V = 1A입니다(이미지 출처: TRACO Power)

결론

저전압 철도 응용 분야를 위한 DC DC 컨버터는 안정적이고 일관된 전력 성능을 제공하는 것 이상을 해야 합니다. 콤팩트하고 관리 및 배포가 용이해야 하며 다양한 응용 분야에 반영할 수 있고 열악한 환경에서도 작동 가능하며 까다로운 전기, 열 및 기계에 관한 여러 규제 표준 및 규정을 준수할 수 있어야 합니다. 위에서 살펴본 바와 같이 TRACO Power의 TEP 150UIR 및 TEP 200UIR 제품군은 14V ~ 160V_DC의 넓은 12:1 입력 전압 범위, 전압 드롭아웃 동안 에너지를 공급하는 커패시터를 충전하기 위한 홀드 핀, 서지를 견딜 수 있는 기능, 여러 출력 전압/전류 페어링 등의 기능을 사용하여 작업을 처리하며 이 모든 기능은 단일 폼 팩터로 제공됩니다.