Сравнительный анализ преобразователей напряжения MORNSUN с ультрашироким входным диапазоном

15 ноября 2023

Новые решения преобразователей напряжения MORNSUN со сверхшироким входным диапазоном для железнодорожной отрасли базируются на схеме активного обеспечения времени удержания, что позволяет изготавливать универсальные модули питания со входным диапазоном 14-160 В и возможностью удержания напряжения в течение 10 мс.

Содержание

• Вступление
• Трудности при проектировании схем
• Традиционное решение: параллельное подключение электролитических конденсаторов на входе
• Основное решение 1: двухкаскадная топология
• Основное решение 2: однокаскадная топология + пассивный накопитель
• Новое технологическое усовершенствование: активная схема обеспечения времени удержания
• Выводы

Современные железнодорожные системы работают от разных напряжений, что не позволяет реализовать схему времени удержания силового модуля стандартным образом. Для решения проблемы компания MORNSUN разработала активную схему времени удержания, совместимую с различными входными напряжениями и с нормализацией емкости.

В данной статье анализируются и сравниваются достоинства и недостатки нескольких распространенных на рынке решений источников питания для железнодорожной отрасли со сверхшироким диапазоном входного напряжения. 

Трудности при проектировании схем

В основных мировых системах управления железнодорожным транспортом напряжения питания для внутренних систем управления различаются, составляя 24, 28, 36, 48, 72, 96 и 110 В. В результате один и тот же источник питания не может быть использован в нескольких системах, что увеличивает сложность и стоимость управления при проектировании систем заказчика.

Согласно стандарту EN50155, модуль питания постоянного тока должен стабильно питать внутреннее оборудование при колебаниях входного напряжения. Даже при максимальных колебаниях входного напряжения модуль питания должен нормально работать и обеспечивать стабильность работы внутреннего оборудования. Стандарт EN50155 требует, чтобы источник питания стабильно работал в диапазоне от 0,7 до 1,25 значения номинального напряжения, т. е. 16,8…137,5 В, а если диапазон составляет 0.6 и 1.4 значения номинального напряжения, то время работы должно составлять 100 мс и 1 с соответственно. Чтобы соответствовать требованиям к источникам питания и сертификационным требованиям глобальной железнодорожной системы (рисунок 1), диапазон входного напряжения модуля питания со сверхшироким диапазоном входного напряжения лучше всего выбрать равным 14…160 В.

Рис. 1. Требования по входному напряжению для источников питания железнодорожного транспорта

В то же время к железнодорожной системе предъявляются высокие требования по надежности, предусматривающие, что оборудование сохраняет данные о состоянии за время удержания и после отключения основного электропитания организованно переходит на резервное. Поэтому на входе силового модуля необходимо установить конденсатор для обеспечения времени удержания 10 мс.

На рисунке 2 кратко изложены трудности при проектировании ИП для железнодорожного транспорта.

Рис. 2. Трудности при проектировании ИП для ЖД транспорта

Традиционное решение: подключение электролитических конденсаторов на входе

В традиционном решении (рисунок 3) время удержания обычно реализуется подключением электролитического конденсатора на входе.

Рис. 3. Схема традиционного решения

По формуле накопления энергии в конденсаторе:

$$W=\frac{C\times U^2}{2}$$

и формуле времени разряда:

$$t=RC\times Ln\left(\frac{U}{U_{t}} \right)$$

видно, что чем выше значение входного напряжения (U), тем больше энергии (W) накапливается, и тем больше время удержания (t) при одинаковом значении емкости (C). И наоборот, чем меньше значение входного напряжения (U), тем меньше запасенная энергия (W) при тех же условиях и тем меньше время удержания. Это усугубляется квадратичной зависимостью от изменения напряжения.

Поскольку диапазон входного напряжения источника питания очень широк, то емкость внешнего конденсатора для накопления энергии, применяемого в низковольтной системе, будет огромной. На рисунке 4 показано, что в системе с максимальным входным напряжением до 160 В и мощностью 100 Вт емкость конденсатора для хранения энергии около 190 мкФ позволила бы реализовать время удержания 10 мс, однако в системе с напряжением 24 В емкость доходила бы до 8000 мкФ, а размер внешнего конденсатора для хранения энергии был бы примерно в 3,8 раза больше, чем у модуля питания размером 1/4 Brick.

Рис. 4. Зависимость емкости накопительного конденсатора от входного напряжения системы

В железнодорожной отрасли для решения этой проблемы обычно рекомендуют внешние конденсаторы накопления энергии с различным рабочим напряжением для применения в различных системах заказчиков. Однако это приводит к невозможности нормализации системы заказчика, что лишает модуль питания со сверхшироким входным диапазоном первоначального замысла и увеличивает сложность проектирования системы заказчика, затраты на управление комплектацией и на сертификацию (рисунок 5).

Рис. 5. Преимущества и недостатки традиционного решения

Основное решение 1: двухкаскадная топология

Традиционные схемы постепенно уходят в прошлое, и в настоящее время основным решением на рынке является двухкаскадная топология. В качестве первого каскада используется повышающая схема (Boost), а второй представляет собой обычную топологию, такую как flyback, half-bridge или full-bridge (обратноходовая, полумостовая или мостовая). Внешний конденсатор накопления энергии находится между двумя каскадами, то есть на выходе повышающей схемы (рисунок 6).

Рис. 6. Принципиальная схема основного решения. Двухкаскадная топология

При низком входном напряжении оно будет повышено повышающим каскадом до заданного значения для зарядки внешнего энергонакопительного конденсатора.

При высоком входном напряжении оно будет проходить через этот каскад и непосредственно заряжать внешний накопительный конденсатор. Таким образом, в данном решении могут быть выбраны электролитические конденсаторы-накопители энергии, выдерживающие большое напряжение и обладающие малой емкостью, которые могут непрерывно подавать питание на последующий каскад для реализации требуемого времени удержания при отключении входного напряжения.

Из-за используемого в схеме двухкаскадного последовательного соединения КПД будет слишком низким для применения в изделиях с высокой плотностью мощности. Будучи емкостной нагрузкой повышающей схемы, внешний конденсатор накопления энергии не может быть добавлен непосредственно к ее выходу. Должна быть добавлена небольшая периферийная схема и большой конденсатор для предотвращения неудачного запуска (рисунок 7).

Рис. 7. Принципиальная схема двухкаскадной топологии с небольшой периферийной схемой

У этого решения есть два недостатка (рисунок 8):

Рис. 8. Преимущества и недостатки двухкаскадного решения

• По сравнению с однокаскадным, при двухкаскадном последовательном соединении значительно возрастает сложность схемы, что существенно увеличивает стоимость, при этом в определенной степени снижается надежность системы.
• По сравнению с однокаскадной схемой общий КПД двухкаскадного последовательного подключения будет снижен, что приведет к повышению температуры мощного источника питания и системы и, соответственно, к снижению их срока службы.

Основное решение 2: однокаскадная топология + пассивный накопитель

В последние годы используется решение , сочетающее однокаскадную топологию и пассивный накопитель, которое повышает КПД и надежность по сравнению с двухкаскадной топологией (рисунок 9).

Рис. 9. Принципиальная схема основного решения 2: однокаскадная топология + пассивный накопитель

Если взять в качестве примера распространенные на рынке устройства, выполненные по схеме с понижением напряжения, то при подаче входного напряжения（>24 В） и нормальном включении схема понизит входное напряжение до заданного более низкого значения 22 В, а зарядная схема будет одновременно заряжать внешний конденсатор. При снижении входного напряжения ниже 22 В этот внешний конденсатор будет включен через диод для подачи накопленной энергии на вход резервного питания, тем самым поддерживая время удержания 10 мс. Таким образом, когда входное напряжение превышает 22 В, время удержания остается в пределах нормы. В это время для системы достаточно электролитического конденсатора емкостью 8000 мкФ с напряжением 35 В.

Однако при входном напряжении менее 22 В напряжение на внешнем конденсаторе совпадает со входным, и накопленной им энергии будет недостаточно для времени удержания 10 мс. Если система нуждается в функции защиты от пониженного напряжения, например, в случае системы на 48 В, то такая защита устанавливается на 27 В, а напряжение зарядки конденсатора-накопителя энергии составляет 22 В. Когда вход отключается, напряжение на конденсаторе накопителя энергии должно быть ниже 22 В, но 22 В будет недостаточно для включения резервного входа источника питания, следовательно система отключится, что означает неработоспособность функции времени удержания (рисунок 10).

Рис. 10. Функционирование времени удержания при различных значениях входного напряжения

Преимущества и недостатки решения на основе однокаскадной топологии и пассивного накопителя показаны на рисунке 11.

Рис. 11. Преимущества и недостатки решения на базе однокаскадной топологии и пассивного накопителя

Новое технологическое усовершенствование: активная схема обеспечения времени удержания

Компания MORNSUN применяет активную схему времени удержания (рисунок 12), благодаря которой силовой модуль имеет сверхширокое входное напряжение, но также достигается и нормализация источников питания, что позволяет разработать небольшие, одинаково простые периферийные схемы для различных железнодорожных систем.

Данная схема состоит из модуля предварительного накопления энергии и модуля автоматического переключения на входе. Модуль предварительного накопления энергии за счет точного проектирования и расчетов позволяет минимизировать объем конденсатора и максимизировать накопление энергии. Модуль автоматического переключения может определять состояние входного напряжения в режиме реального времени. После отключения входного напряжения питать силовой модуль, чтобы устройство продолжало работать в течение 10 мс, и внутреннее оборудование сохранило данные о состоянии и переключилось на резервный источник, будет внешний конденсатор.

Рис. 12. Схема активного обеспечения времени удержания

В то же время активная схема обеспечения времени удержания имеет программируемую защиту от пониженного напряжения (рисунок 13). При настройке значения пониженного напряжения для различных систем электропитания данное решение может обеспечить защиту по времени удержания 10 мс во всем диапазоне входных напряжений.

Рис. 13. Схема настройки защиты от пониженного напряжения на входе

Эта технология была успешно применена в источнике питания для железнодорожной отрасли компании MORNSUN из серии UWTH1DxxQB-100WR3 (рисунок 14). Данная серия имеет сверхширокий диапазон входного напряжения 14…160 В постоянного тока, что соответствует требованиям ко входному напряжению основных мировых железнодорожных систем (рисунок 15). Реализована функция времени удержания 10 мс с помощью простой и единой периферийной схемы и единственного электролитического конденсатора емкостью 470 мкФ. Защита от пониженного напряжения на входе может быть настроена изменением внешнего сопротивления. Рабочая высота до 5000 м, высокое напряжение изоляции – до 4000 В переменного тока.

Рис. 14. Источники питания MORNSUN со сверхшироким входным напряжением

Рис. 15. Преимущества источников питания MORNSUN с активной схемой обеспечения времени удержания

Выводы

Данное решение для питания в железнодорожной отрасли не является единственно возможным, поэтому возникает вопрос: как выбрать и спроектировать подходящее решение для электропитания? Инженеры могут выбрать традиционное решение, если у них меньше требований к размерам и сертификации системы. Может быть сделан выбор в пользу решения с традиционной топологией, если у них меньше требований к КПД или функции времени удержания. Наконец, они могут выбрать более надежное решение с активной схемой обеспечения времени удержания, если им нужна высокая интеграция и пригодность к различным условиям работы.

С ростом спроса промышленности и технических требований темпы обновления продукции становятся все более высокими. Исходя из принципа удовлетворения функциональных потребностей, Mornsun стремится к высокой эффективности и надежности. Источники питания для железнодорожной отрасли со сверхшироким входным напряжением помогают системам клиентов уменьшить размеры, продлить срок службы, снизить сложность проектирования системы, ускорить получение сертификации и, наконец, сократить номенклатуру и снизить стоимость.

Оригинал статьи

Перевел Дмитрий Васильев по заказу АО Компэл