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干貨分享 | 超寬壓鐵路電源方案的分析與比較

（2024年11月23日更新）

一、前言

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全球主流鐵路系統(tǒng)采用多電壓供電，導致電源模塊無法集成，實現(xiàn)電源故障維護功能，增加了客戶應用系統(tǒng)的設(shè)計難度和管理成本。為了兼容超寬全電壓輸入范圍和電容集成，金盛陽采用獨立的方式IC其優(yōu)點發(fā)明了一種主動斷電保持電路。通過分析市場上幾種常見鐵路電源方案的優(yōu)缺點，對超寬壓鐵路電源方案進行了比較和總結(jié)。

關(guān)鍵詞:超寬壓；鐵路電源；主動斷電保持電路；外圍簡單固定

二、設(shè)計難點

在全球主流鐵路系統(tǒng)控制中，大多數(shù)國家內(nèi)部控制所需的電源電壓為24V、28V、36V、48V、72V、96V和110V。這將導致電源模塊無法集成應用，增加客戶系統(tǒng)設(shè)計的難度和管理成本。

根據(jù)ENGeneSiC代理根據(jù)50155年鐵路電源標準，DC電源模塊需要在電源電壓波動范圍內(nèi)穩(wěn)定地為后端設(shè)備提供能量。即使電壓變化最大，電源模塊也應正常輸出，以保護后端設(shè)備的穩(wěn)定性。從下圖可以看出，EN50155標準要求電源設(shè)備穩(wěn)定工作的電壓波動范圍為0.7倍至1.25倍，即16倍.8V~137.5V，超出波動范圍的0.6倍和1.4倍只需要100的工作時間ms和1s。超寬壓電源模塊的輸入范圍設(shè)計為14，以滿足全球鐵路系統(tǒng)的供電需求和認證要求V~160V。

圖1 鐵路電源電壓設(shè)計標準要求

同時，鑒于鐵路系統(tǒng)的高可靠性要求，切斷電源后，需要滿足后端設(shè)備可以存儲斷電狀態(tài)數(shù)據(jù)并有序切換到備用電源，因此電源模塊前端需要儲能電容來滿足斷電10ms的功能。

三、傳統(tǒng)方案:輸入并聯(lián)電解電容器

在傳統(tǒng)方案中，輸入端并聯(lián)電解電容通常實現(xiàn)掉電延遲功能。

圖2 傳統(tǒng)方案示意圖

根據(jù)電容能量存儲公式W=1/2*C*U2和放電時間t=RC*Ln*U/Ut可以看出，輸入電壓U越高，儲存的能量W越多，相同電容值C的電源維護時間T越長，相反，輸入電壓越低，儲存在相同條件下的能量越小，電源維護時間越短，電壓變化為平方差加劇了這種現(xiàn)象。

由于電源輸入電壓非常寬，如果根據(jù)最高輸入電壓選擇外部能量存儲電容，電容值將非常大，如24V系統(tǒng)，100W功率保持10ms，電容容值需8000uF，按160V外部儲能電容的最大輸入電壓將非常大(約為磚電源模塊四分之一的3.8倍)。

圖3 不同輸入電壓下所需的電容值

為了解決上述問題，行業(yè)中常用的解決方案是根據(jù)客戶的不同應用系統(tǒng)推薦不同的耐壓外圍電容器，但這將導致客戶系統(tǒng)無法集成，失去超寬壓電源模塊設(shè)計的初衷，增加客戶系統(tǒng)設(shè)計的難度、材料管理成本和認證成本。

四、主流方案①：兩級拓撲

拋棄傳統(tǒng)方案，市場主流方案采用兩級拓撲。前拓撲采用Boost升壓電路，后部為反激、半橋或全橋電路等正常拓撲，外部儲能電容置于兩級拓撲之間，即升壓電路的輸出端。

圖4 主流方案1示意圖-兩級拓撲方案

當?shù)蛪狠斎霑r，升壓電路將低輸入電壓升至設(shè)定的高壓值，給外部儲能電容器充電；當高壓輸入時，升壓電路直接通過，高輸入電壓直接給外部儲能電容器充電，使電解電容器具有較大的耐壓性和較小的容量值，以滿足斷電延遲功能。當輸入電壓切斷時，外部儲能電容器可以繼續(xù)為后代提供能量，以實現(xiàn)斷電。

圖5 兩級拓撲電路圖-外加小電路

由于是兩級串聯(lián)，整機效率低，不適合高功率密度產(chǎn)品；外部儲能電容作為Boost電路的容性負載不能直接添加到輸出端，需要在模塊外增加小電路和大電容，以防止啟動不良。

該方案有兩個缺陷：

①與單級充電方案相比，兩級串聯(lián)電路拓撲的復雜性大大提高，系統(tǒng)的可靠性和成本大大降低，這些最終的不利因素也將轉(zhuǎn)移到終端客戶；

②與單級充電方案相比，兩級串聯(lián)方案的整機效率將降低，從而提高大功率電源和系統(tǒng)的溫度，降低電源和系統(tǒng)的使用壽命。

五、主流方案②：單級拓撲加被動降壓

與兩級拓撲相比，近年來出現(xiàn)了單級拓撲加被動降壓方案，以提高效率和可靠性。

圖6 主流方案2示意圖-單級被動降壓方案

以某個品牌的某個型號為例，當輸入電壓正常建立時，降壓電路將輸入電壓鉗低壓值22V，此時24V給外部電容充電電路；當輸入電壓降至22時V下面，外部電容器將通過二極管切入，為后端提供存儲能量10ms停電時間。輸入電壓高于22V掉電延遲功能正常執(zhí)行，只需一個35V耐壓8000uF電解電容。

但輸入電壓不足22V當外部電容電壓跟隨輸入電壓時，無法儲存能量，電源故障；不僅如此，當更換到需要提高的欠壓點超過22時V在系統(tǒng)中，由于儲能電容電壓跟隨輸入電壓，直到產(chǎn)品關(guān)閉才能觸發(fā)24V充電閾值導致功能故障。

圖7 不同輸入電壓下的斷電保持功能

六、技術(shù)新升級:主動掉電保持電路

金升陽利用自主權(quán)IC優(yōu)點是發(fā)明了主動斷電保持電路，使電源模塊能夠滿足超寬壓，實現(xiàn)統(tǒng)一的電源，體積小，外圍簡單固定。

該電路包括能量預存儲模塊和輸入電源自動切換模塊。能量預存儲模塊通過精確的設(shè)計和計算實現(xiàn)電容體積最小化和能量存儲最大化；電源自動切換模塊可以隨時檢測輸入電壓狀態(tài)。一旦輸入電壓被切斷，外部電容器將為主功率輸入端提供存儲能量，使產(chǎn)品繼續(xù)工作10ms，自動平穩(wěn)切換后端設(shè)備。

圖8 主動斷電保持電路

同時，主動斷電保持電路方案具有可編程欠壓保護。當客戶在不同的供電系統(tǒng)中提高欠壓點時，該方案可以保證輸入電壓的全范圍，并保持10ms。

圖9 輸入欠壓保護設(shè)置圖

該技術(shù)已成功應用于金升陽鐵路電源產(chǎn)品，UWTH1DxxQB-100WR3系列。超寬壓輸入14-16系列VDC，適用于全球主流輸入電壓的鐵路系統(tǒng)；可實現(xiàn)10次斷電ms，外圍簡單固定，只需470顆uF電解電容器；輸入欠壓保護只需調(diào)整外部電阻；并滿足5萬m海拔應用，隔離耐壓3萬VAC。