鐵路電氣化系統(tǒng)依靠穩(wěn)定的直流電源為其直流電機和控制/能量電路。這些直流牽引系統(tǒng)比煤炭、天然氣或以柴油為基礎(chǔ)的同類產(chǎn)品，同時還減少了二氧化碳排放。 DC-DC轉(zhuǎn)換器起著至關(guān)重要的作用，提高電氣化鐵路效能和電力品質(zhì)。使用的電子元件在這些應(yīng)用中將受到極端溫度、濕度、振動和機械沖擊應(yīng)力。因此，它們需要高等級的電氣和結(jié)構(gòu)完整性才足以在這些條件下可靠地運行。
本文探討了鐵路系統(tǒng)中 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的要求，包括一般直流鐵路的描述，如何在這些系統(tǒng)中使用直流到直流轉(zhuǎn)換器，以及規(guī)范電子零件設(shè)備在無論何種條件下均能正常工作的標(biāo)準(zhǔn)。
了解直流電氣化鐵路系統(tǒng)
早期的鐵路電氣化系統(tǒng)基于低壓直流電，其供電由沿軌道的牽引變電站 (TS) 中的二極管整流器，將電力分配給火車的電機依靠架空線和鐵軌提供的電源。最常見的電壓系統(tǒng)包含舊有軌電車和地下系統(tǒng)的直流牽引系統(tǒng)為 600V，較新的有軌電車系統(tǒng)為 750V地鐵，以及更多郊區(qū)線路使用的1500V。郊區(qū)也使用大型 3000V 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。
直流電氣化鐵路系統(tǒng)的趨勢
鐵路系統(tǒng)電壓和效率穩(wěn)步提高的總體趨勢。電壓的增加可使電流減少，使用較高線號（較細）的電纜即足夠。較低電壓的系統(tǒng)將需要高電流水平，這導(dǎo)致架空線較粗和變電站之間的距離較短。透過減少能量的損耗，能源的轉(zhuǎn)換效率的提高減少了二氧化碳的排放。煞車的過程中，藉由轉(zhuǎn)子的動能轉(zhuǎn)換成電能，將回收的電能回存于電源端儲存。許多參數(shù)在產(chǎn)品中就可以被設(shè)計能確保產(chǎn)品不會被電性、機械與環(huán)境等的應(yīng)力致使的過早出線故障。平均故障間隔時間 (MTBF) 為一個關(guān)鍵參數(shù)，表示設(shè)備在穩(wěn)態(tài)條件下長期運行的能力。
如何在鐵路系統(tǒng)中使用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器
再生制動依賴于使用大型雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器將電力送回從直流饋線到電池組或儲能系統(tǒng) (ESS)。較小的直流轉(zhuǎn)換是在現(xiàn)代鐵路中，為所有電子設(shè)備和相關(guān)的子系統(tǒng)持續(xù)的電力供應(yīng)。這些輔助系統(tǒng)包括更高電壓的關(guān)鍵系統(tǒng)，例如發(fā)動機控制、電機驅(qū)動控制和制動系統(tǒng)，以及低壓二次系統(tǒng)包括照明、電池充電、指示燈、泵、信息顯示器和電動門。傳統(tǒng)的解決方案通常涉及使用輸入濾波器、三相逆變器和低頻率變壓器，以提供架空線電壓和之間的電氣隔離輔助供電設(shè)備。
通常，這種變壓器又大又笨重，給已經(jīng)空間和重量受限的應(yīng)用增加額外的負擔(dān)。相反，可以使用隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器來滿足尺寸、現(xiàn)代鐵路應(yīng)用的重量和功率要求。目標(biāo)是轉(zhuǎn)換高 750V，1500V 和/或 3000V 輸入電壓到穩(wěn)壓 24、28、36、48、72、96 或 110 伏輸出。主電源在列車內(nèi)的配電也需要一個 DC-to-DC 鏈轉(zhuǎn)換為二級系統(tǒng)。如前所述，標(biāo)稱輸入電壓可以從低至從 24 伏到高達 110 伏；在這里，需要經(jīng)過輸出穩(wěn)壓功能的 3.3、5、12、15 或 24 伏輸出。
鐵路電氣設(shè)備的 EN 50155 歐洲標(biāo)準(zhǔn)要求標(biāo)稱輸入電壓可在額定電壓的 0.7 至 1.25 倍之間波動。該標(biāo)準(zhǔn)還允許短期0.6 和 1.4 倍標(biāo)稱輸入電壓之間的偏差。換句話說，一個 110V 系統(tǒng)需要 77V和 137.5V 之間的連續(xù)電壓范圍，波動電壓范圍從66伏到154伏。 DC-DC轉(zhuǎn)換器可以支持寬輸入范圍以涵蓋多個標(biāo)稱輸入電壓。例如，一個轉(zhuǎn)換器常見的 72V 和 110V 鐵路輸入電壓需要的工作輸入電壓范圍為43.2 伏至 154 伏（見表 1）。 P-DUKE 提供 RHKW、RHMW 和 RHDW 系列適用于鐵路和工業(yè)應(yīng)用的可安裝 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。這些設(shè)備都提供3,000 VAC 增強型隔離以及從 36 伏到 160 伏的寬輸入范圍，允許它們用于 72V、96V 和 110V 鐵路應(yīng)用。