交流電進入軌道應用之原因

多年來，115/230 VAC 交流電力系統已廣泛應用於列車中，用來供電給空調設備、風扇、照明、電源插座，或是乘客座位區 USB-C 插座所使用的小型 AC/DC 電源供應器。然而，過去絕大多數關於軌道車輛（Rolling stock）應用的電源需求諮詢，仍以符合 EN 50155 標準所規範之輸入電壓的 DC 直流輸入電源模組為主（如下圖）。

Figure 1: Worldwide train DC supply voltages.

博大科技擁有豐富的產品線，不僅符合這些電壓規範，更通過軌道車輛所要求的環境條件與電磁相容（EMI）標準。
日前，有客戶向 P-DUKE 詢問：現有的 AC/DC 電源產品是否能進行認證，以符合 EN 50155 鐵規標準？該項應用的目標，是用於電動列車動力推進系統中的液冷散熱系統。
究竟是什麼原因，讓交流系統在直流電網主導數十年後，開始被考慮應用於這類核心系統中？

列車電力系統架構

首先，讓我們來看看下圖所示的現代電動列車電力系統簡化架構。

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

能源可透過懸掛式電線與集電弓，或透過滑動觸點 (「集電靴」) 與沿軌道鋪設的第三軌供應。典型供電電壓為長途列車使用的 25 kVAC/50 Hz 與 15 kVAC/16.7 Hz，或地鐵使用的 600 – 3000 VDC。列車上的牽引變壓器會將高電壓降至列車推進與輔助系統所需的電壓。

輔助逆變器會產生 AC 匯流排，用於為下游負載與轉換器供電，包括電池充電器。

交流電相較於直流電之優勢

博大科技從客戶端得知，隨著電氣化程度提高而帶來的能源需求成長，可能使列車上現有的 DC 供電網路過載。
因此，製造商考慮使用現有 230 VAC 供電網路，不僅用於為一般負載供電，也用於更關鍵的應用。

擴充 230 VAC 電網通常比在 DC 電網增加電線、連接器、保險絲和開關更容易。

相較於 110 VAC 系統，230 VAC 系統中的電流低逾 50%，且在相同功率下可使用更細的電線。
使用 AC 時，處理短路等故障或切斷負載會更容易，因為 AC 電流的週期性零交越有助於熄滅電線與觸點之間的電弧。
這也是 AC 保險絲比 DC 保險絲更簡單且更小的原因。

此外，230 VAC 市電元件大量製造，成本遠比針對列車 DC 供電電壓所設計的專用設備低廉許多。

客戶案例：牽引馬達冷卻系統之備用電源

然而，安裝在列車上的一切也都必須符合 EN 50155 等相關標準。因此，客戶向博大科技詢問，全磚封裝的 500W AC/DC 電源供應器 TBF500，或 500W 隨插即用 AC/DC 電源供應器 XTBF500是否可認證用於列車。
客戶正在尋找備援 24V / 370W 電源供應器解決方案，用於牽引馬達驅動器液冷系統中的幫浦。

TBF500 與 XTBF500 是 AC/DC 電源供應器，輸入電壓範圍為 85 – 264 VAC，符合列車應用所規定的輔助 AC 電壓要求。不同於 DC 電網 (圖 4)，EN 50155 尚未規定 AC 輔助電網的中斷，但 TBF500 與 XTBF500 具有至少 16 ms 的保持時間，因此即使 AC 電網短暫中斷，也能在滿載下運作。

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

TBF500 與 XTBF500 解決方案

以下是 TBF500 與 XTBF500 電源供應器的簡要介紹：

TBF500： 全磚 AC/DC 模組結合 500 W 輸出、93% 效率和寬輸入範圍，並取得 EN 50155 與 IEC/UL/EN 62368-1 認證。其堅固設計、底板冷卻方式與完整保護功能，使其成為鐵路車輛和嚴苛工業環境中值得信賴的電源解決方案。
XTBF500： XTBF500 提供 500 W 輸出，並整合完整系統功能，包括 EMC 濾波器、儲能電容與突入電流限制器。取得 EN 50155 認證，具備 EN 55032 Class B EMC 效能與 OVC III 額定值，專為鐵路和任務關鍵環境中的可靠運作而設計。

Figure 4: DC supply interruption.

針對惡劣環境設計

此產品專為嚴苛環境而設計，採用灌封處理，並通過 MIL-STD-810F 環境條件認證。搭配底板冷卻設計後，非常適合鐵路車輛應用。

規格與 EN 50155 軌道標準符合性

TBF500 系列的堅固設計使 P-DUKE 能取得 EN50155 認證；搭配少數外部元件，客戶即可設計出包含保險絲、EMI 濾波器與熱保護的完整解決方案 (圖 5)。

Figure 5: TBF500 with a few external components.

實際冷卻並未採用上圖所示的散熱片，而是將模組安裝在馬達驅動器的液冷系統上。模組的底板工作溫度範圍為 -40°C 至 +105°C，因此也符合 OT4 (-40°C 至 +70°C) 以及在擴展工作溫度下運作 10 分鐘的 ST1 要求。

具備負載均分之冗餘架構

如圖 2 所示，大多數列車牽引變壓器配置都提供兩條獨立 AC 線路。
如果其中一條線路故障，另一條仍可使用。這可實現下圖所示兩個電源供應器並聯的雙路備援配置。

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

如果其中一條 AC 線路或一個電源供應器故障，剩餘的一個 TBF500/XTBF500 模組仍可提供幫浦所需的 370W。

然而，這類配置只有在實作適當負載分流時，才能可靠運作。
TBF500 與 XTBF500 模組提供均流選項，確保兩個模組輸出相同功率。

下垂斜率特性會隨輸出電流增加，使輸出電壓 (Vset - ∆Vset) 略微降低。
這種被動式均流方法易於實作，且不需要任何外部元件。更多詳細資訊請參閱 TBF500 與 XTBF500 應用手冊。

總結

透過這種模組化架構，客戶能在極短時間內設計出符合 EN50155、且具備全球安全認證的 AC/DC 電源解決方案。這只是 P-DUKE AC/DC 電源供應器應用於鐵路車輛的一個範例。隨著列車電氣化程度提高、電力需求持續成長，再加上市場對低成本解決方案的需求，TBF500、XTBF500 模組以及 P-DUKE 其他 AC/DC 電源供應器將迎來更多機會。這些產品專為嚴苛環境中的高要求應用而設計，工作溫度範圍可達 -40°C 至 +85°C。