ממירי DC/DC‏ יעודיים עומדים באתגרים המיוחדים של אספקת-כוח‏ מסילת-ברזל‏

במערכות מסילת ברזל מודרניות יש כמות אלקטרוניקה הולכת וגדלה עבור פונקציות כגון גישה לאינטרנט של נוסעים, קישורי לוויין, אינטרקומים ומערכות כריזה (PA), תת-מערכות ניווט, מכשירי קשר חירום, שלטי כרוז, תאורת LED, מערכות מידע, שקעי טעינה ממוקמים במושבים ואביזרים אחרים. ישנן גם תת-מערכות טעינת-סוללה, כיוון שרבות‏ מפונקציות אלו חייבות להיות מוזנות במהלך נפילות מתח טרנזיינטיות או זמני אובדן אספקה ממושכים. לכל אחת מפונקציות אלו יש דרישות מתח ייחודיות, מה שמוביל לפריסת ממירי ‏DC/DC רבים‏ כדי להמיר מתח DC גבוה יותר למתחי DC מרובים נמוכים יותר.

עם זאת, מתכננים המגדירים ממירי DC/DC‏ עבור שימוש במסילות ברזל חייבים להבטיח שממירים אלו יכולים לבצע את תפקידם באמינות בחללים סגורים, בתנאי מאמץ חשמלי, מכני ותרמי קשים. הם גם חייבים לעמוד‏ ברשימה ארוכה של דרישות תעשיה ורגולטוריות קפדניות ולהיות ניתנים לפריסה בקלות כדי לחסוך זמן.

מאמר זה בוחן בקצרה את הדרישות מ‏ממירי מתח DC/DC‏ עבור יישומי מסילת ברזל. אחר כך הוא מציג ממירי DC/DC‏ מבית TRACO Power ומראה כיצד הם ניתנים ליישום כדי לעמוד בדרישות אלו.

חלוקת כוח עבור מסילות ברזל

מסלול‏ אופייני של חלוקת כוח עבור ‏קטר חשמלי או חשמלית הוא בעל מתחים רבים נמוכים יותר הנגזרים מהמקור הקטנרי העילי העיקרי של DC. כמו עם כל יישום קריטי, ישנם תקני תעשייה הכרחיים המגדירים דרישות ביצועים מהיבטים רבים.

המפרט הרגולטורי הדומיננטי עבור ציוד אלקטרוניקה מסילתי הוא EN 50155‏, Railway applications - Rolling stock - Electronic Equipment. המפרט מגדיר תנאים סביבתיים ושירות, ציפיות אמינות, בטיחות, תכנון ושיטות בנייה. הוא גם מכסה תעוד ובדיקות.

מפרטים קריטיים אחרים כוללים:

• EN 61373,‏ Railway applications - Rolling stock equipment - Shock and Vibration Tests
• EN 61000-4, עבור תאימות אלקטרומגנטית (EMC)
• EN 45545-2‏, תקן מסילת ברזל אירופי עבור בטיחות אש
• תקן RIA 12 של British Railway Industries Association‏, מפרט כללי עבור הגנה על ציוד אלקטרוני בכלי-רכב מסילתי ומושך מפני טרנזיינטים ונחשולים במערכות בקרה DC

עמידה בצווים רגולטוריים אלו היא אתגר תכנון חשוב, אפילו אם תכן ממיר הכוח עשה-זאת-בעצמך (DIY) עובד כמתוכנן במהלך סימולציה וכאב-טיפוס להוכחת היתכנות. למרבה המזל, אין צורך להשתמש בגישת העשה-זאת-בעצמך (DIY). ממירי DC/DC סטנדרטיים מן-המדף, ספציפיים ליישום, העומדים בדרישות מסילת ברזל כבר זמינים.

לדוגמה, משפחות ה-TEP 150UIR‏/TEP 200UIR‏ הן שתי סדרות דומות של ממירי חצי-לבנה, להרכבה על לוח, המדורגות 0‏15‏ ו-200‏ וואט‏, בהתאמה. הן בעלות בידוד כניסה/יציאה (I/O) מחוזק של 3,000 וולט AC‏ (V_AC) והגנות מובנות מפני קצר, מתח-יתר וטמפרטורת-יתר.

לכל בני שתי ‏המשפחות הללו יש אותה תצורת חיבור וגודל מארז של‏ 60 מ"מ ×‏ 60 מ"מ ×‏ 13‏ מ"מ (איור 1‏). הנצילות שלהם ‏היא בערך %‏90‏.

איור 1‏: לכל בני המשפחות‏ TEP 150UIR ו-TEP 200UIR יש אותו גודל מארז וגורם צורה. (מקור התמונה: TRACO Power)

סדרת ה-TEP 150UIR‏ עובדת‏ מתחום מתחי כניסה רחב ביותר של‏ 14‏ עד 160‏ וולט DC‏ (V_DC), וזמינה עם חמישה זוגות יציאה בתחום מ-5‏ וולט/30‏ אמפר (A‏) עד 48 וולט/‎3.2 A‏ (איור 2‏).

איור 2‏: סדרת ה-TEP 150UIR‏ זמינה עם דרוגי מתח/זרם בתחום מ-5‏ וולט/A‏ 30‏ עד 48 וולט/3.2‎ A. (מקור תמונה: TRACO Power)

בן המשפחה עם המתח הנמוך ביותר/הזרם הגבוה ביותר הוא ה-TEP 150-7211UIR, שיכול לספק עד 30‎ A ב-5 וולט.

לסדרת ה-TEP 200UIR‏ יש את אותם תחומי כניסה ויציאה, אך זרמים גבוהים יותר, בתחום מ-5‏ וולט/A‏ 40‏ עד 48 וולט/‎4.2 A‏ (איור 3‏).

איור 3‏: משפחת ה-TEP 200UIR‏ מציעה הספק גדול יותר ב-33%, עם אותם ערכי מתח יציאה אך זרמי יציאה גבוהים יותר. (מקור תמונה: TRACO Power)

בן המשפחה עם המתח הגבוה ביותר/הזרם הנמוך ביותר הוא ה-TEP 200-7218UIR, שיכול לספק עד 4.2‎ A ב-48 וולט, בהשוואה ל-‎3.2 A של בן-זוגו בן ה-150 וואט באותו המתח.

על ידי שמירה על גודל וחתימת-שטח אחידים,‏ משתמשים יכולים לשדרג בקלות מעגל שיטפל בצרכים שונים או שישתמש בלוחות שונים עם בעיות חיווט ופריסה מינימליות. הם יכולים גם לפשט מלאי על ידי החזקה במלאי פחות דגמים ייחודיים.

שלושה מאפייני מפתח

יחידות ה-TEP 150UIR‏ ו-TEP 200UIR‏ מציעות שלושה מאפיינים בולטים: תחום מתחי כניסה רחב, זמן עיכוב (holdup time) ארוך והגבלה אקטיבית של זרם התנעה (inrush current).

1) תחום מתחי כניסה רחב: אלקטרוניקה אופיינית בדרוג תעשייתי עשויה לעמוד בדרישות מתח/זרם הכלליות, אך ממירי כוח DC/DC‏ עבור יישום זה חייבים לעמוד בשינויי מתח כניסה רחבים הרבה יותר ובטווח של ערכים נומינליים אפשריים‏ (איור 4‏).

איור 4‏: טווחי כניסות ה-DC עבור יישומי מסילה שונים משתרעים בתחום רחב ביותר, במיוחד כשסטיות מותרות מערכים נומינליים נלקחות בחשבון בניתוח. (מקור תמונה: TRACO Power)

זה כולל את השינויים המותרים במתח כניסה סביב כל ערך נומינלי:

• תחום רציף = 0.7 עד 1.25, ×‏ V_NOM
• מתח נפילה (Brownout) ‏= 0.6 ×‏ V_NOM למשך 100 מילי-שניות (ms)
• נחשול = 1.4 × V_NOM למשך שנייה

תכנון ממיר מתח היכול לעבור דרך מתחי נפילה ‏(Brownouts) למשך ms‏ 100‏ הוא קשה, בעוד לנחשולי מתח הנמשכים שנייה אחת יש יותר מדי אנרגיה להדק. לפיכך, הממיר חייב לעבוד בכל התחום המוצג באיור 4 תוך הכללת מרווח בטיחות מסוים. באופן מעשי, זה אומר‏ תחום כניסה של‏ יותר מ-2.33:1.

לסבך את המצב, המתח הנומינלי יכול להיות בכל ערך בין ‎24 V_DC ל-‎110 V_DC. יצרנים רבים של ממירי DC/DC‏ עומדים בדרישות אלו על ידי היצע של ממירים עם תחום כניסה רחב יותר של 4:1 (בדרך כלל 43 עד 160‏ וולט) כדי לכסות את מרבית היישומים, אך ממיר‏ יחיד בדרך כלל לא היה מסוגל לעמוד בכולן.

כדי לענות על כך, יחידות ה-TRACO תומכות בכניסה‏ 12:1 אולטרה-רחבה של 14‏ עד ‎160 V_DC. תחום זה מאפשר למהנדס היישום של המערכת לכוון למערך של מתחי מערכת נומינליים עם ספק כוח יחיד.

2) זמן עיכוב ארוך: קו ה-DC‏ חשוף לטרנזיינטים מהירים של‏ 2‏± קילו-וולט (kV‏‏) עם זמני עלייה של‏ ‏5‏ ננו-שניות (ns‏), זמני ירידה של ‎50 ns‏, וקצב‏ הישנות של‏ ‏5‏ קילו-הרץ (kHz‏‏). ישנם גם נחשולים של‏ ‎2 kV±‏ ‏קו-לארקה ו-‎±1 kV‏ קו-לקו עם זמני עלייה של‏ 1.2 מיקרו-שניות (μs‏) וזמני ירידה של‏ ‎50 μs‏ מעכבת מקור‏ מצומדת-AC מוגדרת.

דרישות מסוימות הולכות מעבר ל-EN 50155‏ ומצריכות חסינות לנחשולים של עד ‎1.5 x V_NOM למשך שנייה אחת ו-‎3.5 × V_NOM‏ למשך ms‏ 20‏ מעכבת מקור נמוכה ביותר‏ של ‏0.2‏ אוהם (Ω‏). עבור מערכת ב-110‎ V_DC (נומינלי), זה מתאים לערך שיא של‏ 385‎ V_DC, שהוא מחוץ לתחום הנורמלי של ממיר, במיוחד אם הוא צריך לעבוד עד למתח הנפילה (Brownout) המינימלי של 66‎ V_DC.

משמעות האנרגיה הזמינה ממקור בעל עכבה נמוכה כל כך היא שהמתח אינו ניתן להידוק על ידי מדכא מתח טרזיינטי (TVS). בהתאם לרמת ההספק, דרוש קדם-מייצב על כניסת האספקה או‏ מעגל המכבה את הכניסה במהלך הנחשול. פונקציית עיכוב‏ נדרשת בממיר ה-DC/DC‏ כדי לשמור על היציאה במשך זמן זה.

כדי לפתור בעיה זו, יחידות ה-TRACO באות עם‏ מאפיין חשוב בצורת פין יציאה ‏BUS. יציאה זו מספקת‏ מתח קבוע לטעינת‏ קבל, שמאפשרת לקבל לספק את האנרגיה הדרושה עבור זמן עיכוב‏ ארוך יותר (איור 5‏). קבלים אלה הם קטנים יותר משמעותית ופחות יקרים מאלה המשמשים במעגל העיכוב של קבל קצה-קדמי קונבנציונלי.

איור 5: זהו מעגל הכניסה המומלץ לשימוש עם קבל ה-C_BUS כדי לפשט את המימוש של זמן עיכוב ארוך. (מקור תמונה: TRACO Power)

שים לב שאין צורך להוסיף דיודה טורית למעגל הכניסה, כיוון שממירים אלה הם בעלי דיודה משולבת כדי למנוע קצר וזרימת אנרגיית הקבל אל תוך ספק הכוח.

כשקורה פסק (Interrupt) של מתח אספקה,‏ מתח הכניסה ייפול למתח ה-BUS לפני שהקבלים מתחילים להתפרק ולספק אנרגיה למודול אספקת-הכוח. הודות לצפיפות ההספק הגבוהה יחסית שלהן, סדרת ה-TEP 150UIR‏ וסדרת ה-TEP 200UIR‏ יכולות לספק‏ מתח BUS קבוע במתח כניסה של עד 80‏ וולט. במתחי כניסה גבוהים יותר, מתח ה-BUS גדל ליניארית עם מתח הכניסה בפועל (איור 6‏).

איור 6: הממירים מספקים מתח BUS קבוע במתח כניסה של עד 80‏ וולט; במתחי כניסה גבוהים יותר, מתח ה-BUS גדל ליניארית עם מתח הכניסה בפועל. (מקור תמונה: TRACO Power)

3) הגבלת זרם התנעה אקטיבית: נותנת מענה לבעיה‏ נפוצה עם ממירי כוח: כשמתח הכניסה מתחיל לגדול, קבלי העיכוב בהדק הכניסה יגרמו לזרם התנעה (inrush current) גבוה. זה יכול ‏לשרוף נתיך או להפיל מפסק‏ מעגל ולגרום לשגיאות ותקלות בהתקנים מחוברים.

כדי למנוע את זה, פין‏ Pulse בשתי הסדרות TEP 150UIR‏ ו-TEP 200UIR‏ מספק אות גל ריבועי של 12‏ וולט, kHz‏ 1‏, הניתן לשימוש במעגל מגבל זרם התנעה (inrush current) (איור 7‏).

איור 7‏: סדרות TEP 150UIR ו-TEP 200UIR מציעות דרך‏ פשוטה להגביל זרם התנעה בזמן התנעה תוך שימוש בפין Pulse עם אות‏ גל ריבועי. (מקור תמונה: TRACO Power)

על ידי חיבור מעגל הגבלת זרם התנעה אקטיבי (Active Inrush Current Limitation) לפין ה-Pulse, זרם ההתנעה למעשה מוגבל‏ (איור 8‏). ללא הגבלה, זרם ההתנעה הוא‏ בערך A‏ 120‏ (שמאל), בעוד עם הגבלה הוא נופל ל-‎24.5 A בערך‏ (ימין).

איור 8: דחיפת מעגל הגבלת זרם ההתנעה האקטיבי של הממירים עם פין ה-Pulse מקטינה את זרם ההתנעה פי חמישה‏. מוצגת דוגמה עם V_in של 72 וולט. קנה-המידה האופקי בצד שמאל הוא 50 וולט/חלוקה ובצד ימין הוא 10 וולט/חלוקה, עם גורם קנה-מידה‏ מתמר (Transducer) של‏ 1 וולט = A‏ 1‏. (מקור תמונה: TRACO Power)

סיכום

ממירי DC/DC‏ עבור יישומי מסילת ברזל מתח-נמוך-יותר חייבים לעשות יותר מלספק ביצועי אספקת-כוח אמינים ועקביים. הם חייבים להיות קומפקטיים, קלים לניהול ופריסה, מתאימים למגוון רחב של‏ יישומים, מסוגלים‏ לפעול בסביבות קשות, ומסוגלים לעמוד ברשימה ארוכה של תקנים וצווים רגולטוריים ‏חשמליים, תרמיים ומכניים מאתגרים. כפי שמוצג, משפחות ה-TRACO Power TEP 150UIR ו-TEP 200UIR עומדות במשימה עם מאפיינים הכוללים תחום מתחי כניסה רחב 12:1 של 14 עד ‎160 V_DC, פין עיכוב לטעינת קבלים עבור אספקת אנרגיה במהלך נפילות מתח, היכולת לעמוד בנחשולי זרם, ומספר רב של זוגות מתח/זרם יציאה, הכל בגורם צורה יחיד.