철도 응용 분야에 견고한 광입력 범위 DC-DC 컨버터 사용

철도는 동력 전달 장치부터 기내 기능 및 승객 편의에 이르기까지 점점 더 전기화되고 있습니다. 여기에는 통신, 안전, 인터넷 액세스, 기내 표지판이 포함됩니다. 이 전력을 공급하려면 여러 개의 DC/DC 컨버터가 필요합니다. 그러나 설계 팀은 철도의 까다로운 전기적, 기계적, 열적 조건에서 작동하는 동시에 엄격한 산업, 규제, 폼 팩터 및 비용 요구 사항을 충족하는 전력 컨버터를 맞춤 설계할 수 있는 역량을 제대로 갖추지 못했습니다.

솔루션은 광범위한 전압 요구 사항과 작동 조건을 충족하는 다목적 기성품 DC/DC 컨버터에 있습니다.

이 기사에서는 철도 응용 분야에서 DC/DC 전력 컨버터 설계자가 마주하는 고유한 요구 사항을 간략하게 살펴봅니다. 그런 다음 TRACO Power의 DC/DC 컨버터를 소개하고 이러한 컨버터를 사용하여 해당 표준을 준수하는 방법을 소개합니다.

철도용 전력 분배

전기 기관차 또는 운반대의 일반적인 전력 분배 경로는 주요 DC 오버헤드 현수선에서 파생해야 하는 여러 저전압 소스를 제공합니다. 디젤 기관차의 경우 주요 DC 전력은 차내 디젤 기관차/정류기에서 공급됩니다.

중요한 모든 응용 분야에서처럼, 여러 관점에서의 성능 요구 사항을 정의하는 의무적인 산업 표준이 있습니다. 철도 전자 장비에 대한 핵심 제품 표준은 EN 50155, 철도 응용 분야 - 철도 차량 - 전자 장비입니다. 이는 환경 및 서비스 조건, 신뢰성 기대, 안전, 설계, 시공 방법을 정의하며 문서화 및 테스트에 대해서도 다룹니다.

기타 주요 표준에는 다음이 포함됩니다.

• EN 61373, 충격 및 진동 테스트
• EN 61000-4, 전자파 적합성(EMC) 테스트 및 측정
• EN 50121-3-2, 방출 및 내성 한계
• EN 45545-2, 화재 안전
• 영국 철도 산업 협회 표준 RIA 12, DC 제어 시스템의 과도 및 서지로부터 제동 및 철도 차량 전자 장비 보호를 위한 일반 사양

전력 컨버터가 시뮬레이션 동안 및 벤치 프로토타입으로서 정상적으로 작동하더라도, 이러한 표준을 충족하는 것은 여전히 큰 설계 과제입니다.

다행히도 철도 요구 사항을 충족하는 표준 DC/DC 컨버터를 사용할 수 있으므로 철도 차량 제조업체가 맞춤형 버전을 설계하고 제작할 필요가 없습니다.

예를 들어 TEP 150UIR 및 TEP 200UIR 제품군은 각각 150W 및 200W 정격의 2가지 유사한 하프브릭, 기판 실장 컨버터 계열입니다. 이 완전한 밀폐형 컨버터는 강화된 3,000V_AC 입/출력(I/O) 절연 및 내장된 단락, 과전압, 과열 보호 기능을 제공합니다.

이 2가지 제품군에 속한 모든 장치는 동일한 연결 구성과 60mm × 60mm × 13mm(그림 1)의 패키지 크기를 가지며 -40°C ~ +105°C에서 작동하고 인용된 표준을 충족합니다.

그림 1: TEP 150UIR 및 TEP 200UIR 제품군에 속한 모든 장치는 동일한 연결 구성과 패키지 크기(60mm × 60mm × 13mm)를 가집니다(이미지 출처: TRACO Power).

TEP 150UIR 계열은 14V_DC ~ 160V_DC의 매우 넓은 입력 전압 범위에서 작동하며 5V/30A ~ 48V/3.2A 범위의 5가지 출력 페어링으로 제공됩니다. 이 제품군의 최저 전압/최고 전류 정격 장치는 5V 및 최대 30A를 제공하는 TEP 150-7211UIR입니다.

TEP 200UIR 계열은 동일한 입력 및 출력 전압 범위를 갖지만, 5V/40A ~ 48V/4.2A의 더 높은 전류를 제공합니다. 이 제품군 중 최고 전압/최저 전류 정격을 갖는 장치는 TEP 200-7218UIR로, 48V에서 3.2A를 제공하는 150W 장치와 비교하여 동일 전압에서 4.2A를 제공합니다.

이 두 계열은 공통 크기와 실장 면적을 유지하므로, 설계자가 다양한 요구 사항을 처리하기 위해 회로를 업그레이드하거나 케이블 및 레이아웃 문제를 최소화하면서 다양한 기판을 사용할 수 있습니다. 또한 고유한 모델 수를 더 줄여 재고를 간소화할 수도 있습니다.

이 계열의 세 가지 주요 특징

TEP 150UIR 및 TEP 200UIR 장치는 광범위한 입력 전압 범위, 확장된 홀드업 시간, 능동 돌입 전류 제한이라는 3가지 뛰어난 특징을 제공합니다.

넓은 입력 전압 범위: 일반 산업 등급 전자 기기는 일반적인 전압/전류 요구 사항을 충족할 수 있지만 철도 응용 분야를 위한 DC/DC 전력 컨버터는 훨씬 더 넓은 입력 전압 변동과 다양한 공칭(V_Nom) 값을 견딜 수 있어야 합니다(그림 2).

그림 2: 다양한 철도 응용 분야를 위한 DC 입력 범위는, 분석 시 공칭 값에서의 허용 가능한 편차를 고려할 경우 특히 매우 넓은 범위에 걸쳐 있습니다(이미지 출처 TRACO Power).

이 허용 오차에는 각 공칭 값 주변에서 입력 전압에 허용되는 변동이 포함됩니다.

• 연속 전류 = 0.7 ~ 1.25, × V_Nom
• 브라운아웃 = 0.6 × V_Nom(100ms 동안)
• 서지 = 1.4 × V_Nom(1s 동안)

100ms 동안 브라운아웃을 견딜 수 있는 전력 컨버터를 설계하는 것은 어렵고, 1초 동안 지속되는 서지는 에너지가 너무 커서 클램핑하기가 힘듭니다. 따라서 컨버터는 일부 안전 마진을 가지면서 그림 2에 표시된 전체 범위에서 작동해야 합니다. 실제로 이는 입력 범위가 2.33:1 이상임을 의미합니다.

공칭 전압은 범위가 24V_DC ~ 110V_DC로 매우 넓어 상황은 더욱 복잡해집니다. 많은 DC/DC 컨버터 제조업체는 대부분의 응용 분야에 사용될 수 있도록 4:1의 더 넓은 입력 범위를 가진 컨버터를 제공하여 이러한 요구 사항을 충족합니다. 그러나 단일 컨버터로 이 모든 요구 사항을 충족하기는 일반적으로 불가능했습니다.

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

확장된 홀드업 시간: DC 라인에는 상승 시간 5ns, 하강 시간 50ns, 반복률 5kHz에서 ±2kV의 빠른 과도 상태가 발생합니다. 정의된 AC 결합형 소스 임피던스에서 상승 시간 1.2μs, 하강 시간 50μs인 ±2kV 라인 접지 간 서지와 ±1kV 라인 간 서지도 있습니다.

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

이러한 낮은 임피던스 소스에서 많은 양의 에너지가 제공되므로 과도 전압 억제기(TVS)만으로는 전압을 클램핑할 수 없습니다. 전력 레벨에 따라, 공급 입력에 대한 사전 조정기 또는 서지 지속 기간 동안 입력을 차단하는 회로가 필요합니다. 또한 이 기간 동안 출력을 유지하기 위해 DC/DC 컨버터에는 홀드업 기능이 필요합니다.

이 문제를 해결하기 위해 TRACO 장치에는 BUS 핀 출력이라는 중요한 기능이 제공됩니다. 이 출력은 커패시터를 충전하기 위한 고정 전압을 제공하므로(C_BUS) 커패시터가 더 오랜 홀드업 시간에 필요한 에너지를 공급할 수 있습니다(그림 5). 이러한 커패시터는 기존의 프런트 엔드 커패시터 홀드업 방식에 사용되는 커패시터보다 훨씬 작고 저렴합니다.

그림 3: 연장된 홀드업 시간 구현을 간소화하기 위해 C_BUS와 함께 사용할 수 있는 권장 입력 회로가 표시되어 있습니다(이미지 출처: TRACO Power).

이러한 컨버터에는 단락을 방지하고 커패시터의 에너지가 전원 공급 장치로 흐르지 않도록 차단하는 다이오드가 통합되어 있으므로 입력 회로에 직렬 다이오드(D4)가 필요하지 않습니다.

공급 전압 차단이 발생하면 전력 모듈에 에너지를 공급하기 위해 커패시터 방전이 시작되기 전에 입력 전압이 BUS 전압까지 떨어집니다. 상대적으로 높은 전력 밀도로 인해 TEP 150UIR 계열 및 TEP 200UIR 계열은 최대 80V 입력에 대해 고정된 BUS 전압을 공급할 수 있습니다. 더 높은 입력 전압에서는 BUS 전압이 입력 전압에 비례하여 증가합니다(그림 4).

그림 4: 이 컨버터는 최대 80V의 입력 전압에 대해 고정된 BUS 전압을 제공합니다. 그 이상의 높은 입력 전압에서는 BUS 전압이 입력 전압에 따라 선형적으로 증가합니다(이미지 출처: TRACO Power).

능동 돌입 전류 제한: 이는 입력 전압이 상승하기 시작할 때 입력 단자의 홀드업 커패시터가 큰 돌입 전류를 일으키는 등, 전력 컨버터에서 흔히 발생하는 문제를 해결합니다. 이러한 전류로 인해 퓨즈가 끊어지거나 회로 차단기가 트립되고 연결된 장치에서 오류 및 고장이 발생할 수 있습니다.

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

그림 5: TEP 150UIR 및 TEP 200UIR 계열은 방형파 신호를 보내는 Pulse 핀을 사용하여 시동 시 돌입 전류를 제한하는 간단한 방법을 제공합니다(이미지 출처: TRACO Power).

능동 돌입 전류 제한 회로망을 Pulse 핀에 연결하여 돌입 전류를 효과적으로 제한할 수 있습니다. 제한 기능이 없을 경우 돌입 전류는 대략 120A(왼쪽)이며 제한 기능이 적용되면 약 24.5A(오른쪽)로 감소합니다.

전기적 성능을 지원하는 기계적 고려 사항

기계적 무결성은 전기적 견고성에 매우 중요하기 때문에 이러한 TRACO 컨버터의 성능은 전기적 설계뿐만 아니라 기계적 설계에도 기인합니다.

철도 차량의 위치에 따라 충격, 진동 및 극한 온도의 영향이 다르다는 점을 고려하세요. 표준 EN 61373은 단일 또는 이중 서스펜션을 갖춘 철도 차량에 대한 고유한 위치 및 해당 허용 오차 범주를 규정합니다(이중 레벨 서스펜션 방식이 가장 일반적임)(그림 6).

그림 6: EN 61373 표준은 철도 차량 내부와 외부의 다양한 위치에 대한 충격 및 진동 표준을 정의합니다. 여기에는 이중 서스펜션을 갖춘 차량에 대해 표시되어 있으며, 언더캐리지 위치가 가장 까다롭습니다(이미지 출처: TRACO Power, 작성자 수정).

모든 TRACO 컨버터는 두 가지 서스펜션 레벨이 있는 차량의 차축, 보기(bogie)(트럭) 및 언더프레임 위의 모든 구역에 대해 카테고리 1, 클래스 A 및 카테고리 1, 클래스 B 표준을 충족합니다. 이는 본체 캡슐화, 회로 기판 전기 연결을 위한 견고한 핀, 고정 나사를 사용한 실장 방식, 단순한 고온 및 저온 '담그기' 이상의 열 충격 테스트, 냉각 모드에 대한 주의 등을 통해 달성됩니다.

결론

철도 전력 시스템 설계자는 신뢰할 수 있는 다목적 DC/DC 컨버터가 필요합니다. 이러한 컨버터는 길고 까다로운 전기, 열, 기계 규제 표준 및 의무 사항에도 불구하고 콤팩트하고 관리 및 배포가 용이하며 열악한 환경에서도 작동할 수 있어야 합니다. 위에서 살펴본 바와 같이, TRACO Power의 TEP 150UIR 및 TEP 200UIR 제품군은 14V_DC ~ 160V_DC의 넓은 12:1 입력 전압 범위, 전압 드롭아웃 동안 에너지를 공급하기 위해 커패시터를 충전하는 홀드업 핀, 서지를 견딜 수 있는 능력, 여러 출력 전압/전류 페어링 등을 단일 폼 팩터로 제공함으로써 이러한 과제를 충족합니다.