交流电进入轨道交通应用的原因

多年来，115/230 VAC 交流供电系统已被广泛应用于列车中，用于给空调设备、风扇、照明、电源插座，以及乘客座位区 USB-C 插座使用的小型 AC/DC 电源供电。然而，过去绝大多数关于轨道交通车辆（Rolling stock）应用的电源需求咨询，仍以符合 EN 50155 标准所规范之输入电压的 DC 直流输入电源模块为主（如下图）。

博大科技拥有丰富的产品线，不仅符合这些电压规范，更通过了轨道交通车辆所要求的环境条件与电磁兼容（EMI）标准。
此前，有客户向 P-DUKE 询问：现有的 AC/DC 电源产品是否能通过认证，以符合 EN 50155 轨道标准？
该应用的目标，是用语电动列车牵引推进系统中的液冷散热系统。究竟是什么原因，让交流（AC）系统在直流（DC）电网为主导数十年后，开始被考虑应用于这类核心系统中？

列车供电系统架构

首先，让我们来看看下图所示的现代电动列车供电系统简化架构。

Figure 2: Simplified block diagram of a traction transformer with propulsion and auxiliary converters and battery charger.

电能可通过接触网与受电弓（Pantographs），或通过滑动触头（“集电靴”）与沿轨道铺设的第三轨进行供应。
典型的供电电压为干线长途列车使用的 25 kVAC/50 Hz 与 15 kVAC/16.7 Hz，以及地铁使用的 600 – 3000 VDC。
列车上的牵引变压器会将高压电降压至列车牵引推进与辅助系统所需的电压。

辅助逆变器会产生交流母线（AC bus systems），用于给下游负载及变流器供电，其中包括蓄电池充电器。

交流电相比直流电的优势

博大科技从客户端得知，随着电气化程度提高带来的用电需求增长，可能会使列车上现有的 DC 供电网络超出负荷。
因此，制造商正在考虑利用现有的 230 VAC 供电网络，不仅用于给普通负载供电，还应用于更关键的核心系统中。

扩充 230 VAC 电网通常比在 DC 电网中额外增加线缆、连接器、熔断器和开关更加容易。
相比 110 VAC 系统，230 VAC 系统中的电流降低了 50% 以上，且在相同功率下可使用更细的线缆。
使用 AC 交流电时，处理短路等故障或切断负载会更加容易，因为交流电流具备周期性的“过零点”特性，有助于熄灭线缆与触头之间的电弧。

这也是 AC 熔断器比 DC 熔断器结构更简单、体积更小巧的原因。

此外，230 VAC 市电用零部件由于大规模量产，成本远比针对列车 DC 供电电压所设计的专用设备低廉许多。

客户案例：牵引电机冷却系统的冗余电源

然而，安装在列车上的所有设备都必须符合 EN 50155 等相关标准。
因此，客户向博大科技询问，采用全砖封装的 500W AC/DC 电源模块 TBF500，或是 500W 即插即用型 AC/DC 电源 XTBF500，是否能通过认证以应用于列车系统中。

该客户正在寻找一款冗余 24V/370W 电源解决方案，用于为牵引电机驱动器液冷系统中的水泵供电。

TBF500 与 XTBF500 属于 AC/DC 电源，其输入电压范围为 85 – 264 VAC，符合列车应用中所规定的辅助交流电压要求。
DC 直流电网不同，EN 50155 尚未对 AC 交流辅助电网的电压中断做出明确规定，但 TBF500 与 XTBF500 具备至少 16 ms 的掉电保持时间（Hold-up time），因此即使交流电网发生短暂中断，也能确保在满载状态下持续运行。

Figure 3: TBF500 & XTBF500 — 500 W Full Brick & Plug-and-Play AC/DC Power Solutions.

TBF500 与 XTBF500 解决方案

以下是 TBF500 与 XTBF500 电源模块的精简介绍：

TBF500：全砖 AC/DC 模块集成了 500W 输出功率、93% 转换效率与宽输入电压范围，并获得了 EN 50155 与 IEC/UL/EN 62368-1 权威认证。其坚固耐用的设计、基板散热方式（Baseplate cooling）以及完善的保护功能，使其成为轨道交通车辆和恶劣工业环境中值得信赖的电源解决方案。
XTBF500：XTBF500 可提供 500W 输出功率，并集成了完整的系统级功能——内置 EMC 滤波器、大容量支撑电容（Bulk capacitors）与浪涌抑制器（Inrush limiters）。产品通过 EN 50155 认证，具备 EN 55032 Class B 级 EMC 性能与 OVC III 过电压等级，专为轨道交通及关键任务环境中的可靠运行而设计。

Figure 4: DC supply interruption.

面向恶劣环境的机械结构设计

该产品专为恶劣环境而设计，采用灌封工艺，并通过了 MIL-STD-810F 环境条件认证。结合基板散热设计（Baseplate cooling），非常适合轨道交通车辆应用。

规格参数与 EN 50155 轨道交通标准符合性

TBF500 系列坚固耐用的设计使其顺利通过了 EN 50155 认证；仅需搭配少量外围零部件，客户即可设计出包含熔断器、EMI 滤波器以及过温保护在内的完整解决方案（如图 5）。

Figure 5: TBF500 with a few external components.

实际散热并没有采用上图所示的散热片，而是将模块直接安装在电机驱动器的液冷系统上。该模块的基板工作温度范围为 -40°C 至 +105°C，因此完全符合 OT4 等级（-40°C 至 +70°C）以及在扩展工作温度下运行 10 分钟的 ST1 规范要求。

带均流功能的冗余配置

如图2 所示，大多数列车牵引变压器配置均提供两路独立的 AC 线路。
如果其中一路线路发生故障，另一线路仍可正常使用。这使得采用如下图所示的两个电源模块并联的双路冗余配置成为可能

Figure 6: Redundant configuration with two TBF500 & XTBF500 modules, outputs are connected in parallel with O-Ring diodes.

如果其中一路 AC 线路或一个电源模块发生故障，剩余的一个 TBF500/XTBF500 模块仍可提供水泵所需的 370W 功率。
然而，这类配置唯有在实现适当的均流（Load Sharing）机制时，方能可靠运行。
TBF500 与 XTBF500 模块提供均流可选功能，以确保两个模块输出相同的功率。

随着输出电流的增加，下垂特性斜率（Droop slope）会使输出电压略微降低（ (Vset - ∆Vset) ）。
这种被动式均流方法不仅易于实现，且无需外接任何外围元器件。

更多详细信息，请参阅《TBF500 与 XTBF500 应用手册》。