鐵道應用的電源需求

鐵道發展已經超過百年歷史，驅動能力與安全性都已經發展的相當成熟。而現代鐵道列車趨向於增添方便性與娛樂性，像是車廂照明、資訊顯示螢幕、充電插座以及販賣機等等。越來越多的外加設備，意味著電源功率須提高，並在列車有限的空間下，須維持相同體積甚至縮小，因此高功率密度的鐵道用電源，將是一發展趨勢。

歐洲是最早發展鐵道的地區，因此在鐵路相關的國際標準也已經非常完善。由於鐵道列車長期暴露在外，須面臨嚴苛的環境，像是溫度變化、粉塵與震動，還有內部電器設備的電壓波動與瞬變等。因此在歐洲最常使用的規範EN50155中，不只列出了電氣設備的工作環境條件以及電源的工作能力，還有可靠度的條件等。另外在英國使用的標準RIA12，更強調了瞬態和浪湧影響的規範。以下列出CTC鐵道產品的重要特色，同時也是EN50155規範的特殊要點。

 

• 設備操作溫度範圍

在溫度的要求方面，EN 50155有分為6種等級，如表1所示。如果是駕駛室或乘客艙的設備，則必須符合OT1與OT2的溫度規範。如果是應用在設備內的零件，則必須要符合OT3、OT4的規範。OT5與OT6則是規範應用在半導體驅動器，或內燃機的控制器的設備或零件，並不是用於一般車輛內部的溫度要求。CTC設計的鐵道類產品皆滿足OT4的溫度要求，低溫操作可達到-40°C，高溫也可超越標準達到100°C以上。

表1. 操作溫度範圍

Class	Equipment operating temperature range (°C)
OT1	-25 to +55
OT2	-40 to +55
OT3	-25 to +70
OT4	-40 to +70
OT5	-25 to +85
OT6	-40 to +85

 

• 電源波動

 

由於列車上電路系統的電源可能會受到影響，因此EN50155分別定義了兩種狀態，在穩態下，電壓波動會介於標準電壓的0.7倍到1.25倍之間。在暫態狀態下，電壓波動會介於標準電壓的0.6倍到1.4倍之間。在這些電壓變化期間，不能導致功能偏差以及損壞。

以鐵道常用輸入電壓24VDC以及110VDC為例，暫態狀態下電壓波動最大，為標準電壓的0.6倍到1.4倍。如下圖1所示，當輸入電壓為24VDC時，電源的電壓範圍須涵蓋14.4~33.6VDC。當輸入電壓為110VDC時，電源的電壓範圍須涵蓋66~154VDC。為了要符合EN50155的要求，電源須要有寬輸入電壓範圍的特色，如CTC的3:1輸入範圍可涵蓋110V所需的電壓變化，而12:1輸入範圍的產品，更可以符合從24V到110V全範圍的需求。

 

• 電壓中斷

 

電壓突降或是短暫無電源的現象也是不可避免的狀況，因此EN50155內有定義供電電壓中斷的等級，分為S1、S2與S3。其中最嚴苛的是S3，當輸入電壓降至0V長達20ms，輸出電壓維須持穩定，且不能引起設備故障。

另外在供電轉換時輸出電壓變異，當輸入電壓降至穩態輸入的0.6倍時，輸出電壓維持穩定，則符合C1。當輸入電壓降至0V，並在30mS後恢復正常，在這個過程中，輸出電壓維持穩定，則符合C2的規格。

此項規格通常需要藉由外接電容來達到。若是有Vbus腳位的產品，如下圖2-(a)，在Vbus與-Vin之間必需外接電容(Cbus)。並考慮到輸入電壓下降或短暫停電的情況，則需增加保護線路，使電壓更加穩定，如下圖2-(b)，將二極體(D1)與電阻(R1)並聯後，再與Chold串聯。Chold則根據規格書所標示的電容值，可使hold up time達到10~30ms。

 

另外，無Vbus腳位的產品，須將hold up 電路接至+Vin與-Vin之間，如下圖3。Chold則根據規格書所標示的電容值，可使hold up time達到10~30ms。

• 隔離耐壓

EN50155對於隔離耐壓的部分，將輸入電壓分為三個等級，並在規定的電壓下可耐受1分鐘，如表2所示。CTC的鐵道類產品，隔離耐壓均可達到3000VAC，也就是規範最高的耐壓等級。

表2. 隔離耐壓

Nominal input	Withstand Voltage
Vin<72VDC	500 VAC
72 VDC≦Vin<125 VDC	1000 VAC
125VDC≦Vin<315 VDC	1500 VAC

• EMC

 

針對EMC的部分，可以參考表3。測試要求皆是參考IEC 61000的規範。ESD是人體放電模式要求接觸放電±6KV、空氣放電8kV。Fast transient要求2kV。Surge要求線對線1kV，線對地是2kV。

 

表3. 鐵道EMC要求

Test Item	Criterion	Test Condition
ESD	IEC 61000-4-2	Contact discharge±6kV Air discharge±8kV
Fast Transient	IEC 61000-4-4	±2kV, 5/50nS, 5kHz
Surge	IEC 61000-4-5	1.2/50uS ±2kV Line to Ground ±1kV Line to Line

 

鐵道應用

如下圖4為將列車分為四大部分，駕駛艙、客艙、動力系統以及軌道側。首先為了確保列車牽引、制動等系統的正常運行，動力系統包括驅動電路、行車電腦以及冷卻風機等。並且為了提供舒適的乘坐環境，在客艙配有照明系統、進站提示系統以及空調等電子設備，這部分也是現代鐵道列車不可或缺的。而主控設備位在駕駛艙，由行車電腦做為主要控制端，並提供車門控制、廣播以及安全監控設備等。最後在軌道側有信號控制系統以及安全系統等等，用來提供正確的信號給駕駛以及指揮者，確保列車進站及行駛安全。

在列車上的直流系統中，電壓是以24VDC與110VDC為主，並透過隔離的電源轉換器將電壓提供給各系統使用。

 

下圖5是鐵道的車用電腦應用方塊圖，列車上的直流系統提供24VDC或110VDC給車用電腦，藉由隔離的直流電源轉換器將輸入電壓轉為MCU所需電壓，電腦內部結構包含MCU、DSP、通訊接口與記憶體等功能模塊。電腦系統是整台列車的控制核心，可控制各節車廂的煙霧偵測、網路攝影機、車門控制、空調以及廣播器等電器設備。

 

對於列車上的各種功能設備，都有不同的電力需求，功率分布大致如下圖6。驅動控制及電力控制需要很大的能量來推動，一般為200~300W。行車電腦與鐵路信號系統為列車行駛的主要核心，功率達150W甚至更高。輔助電動車門與照明設備由列車上的輔助電源供電，另外還有通信設備如緊急對講機、監視器以及廣播等等，由車輛供電並藉由直流轉換器轉成通訊設備所需電壓，一般是70~150W。娛樂設備及螢幕為附加設備，使用中低功率20~60W。

 

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