Convertisseurs CC/CC spécialisés pour répondre aux défis uniques de l'alimentation ferroviaire

Les systèmes ferroviaires modernes embarquent une quantité croissante d'électronique pour des fonctions telles que l'accès Internet pour les passagers, les liaisons par satellite, les interphones et les systèmes de sonorisation, les sous-systèmes de navigation, les radios d'urgence, les panneaux d'annonce, l'éclairage LED, les systèmes d'information, les prises de charge au niveau des sièges, et autres accessoires. Des sous-systèmes de charge batterie sont également présents, car bon nombre de ces fonctions doivent être alimentées pendant des coupures de courant temporaires ou prolongées. Chacune de ces fonctions a des exigences de tension uniques, ce qui a conduit au déploiement de nombreux convertisseurs CC/CC pour convertir une tension CC plus élevée en plusieurs tensions plus faibles.

Cependant, les concepteurs qui spécifient des convertisseurs CC/CC pour une utilisation ferroviaire doivent s'assurer que ces convertisseurs peuvent fonctionner de manière fiable dans des espaces confinés et dans des conditions de contraintes électriques, mécaniques et thermiques difficiles. Ils doivent également répondre à une longue liste d'exigences industrielles et réglementaires rigoureuses et être faciles à déployer pour des gains de temps.

Cet article aborde brièvement les exigences des convertisseurs de puissance CC/CC pour les applications ferroviaires. Il présente ensuite des convertisseurs CC/CC de TRACO Power et montre comment ils peuvent être utilisés pour répondre à ces exigences.

Distribution d'alimentation pour les applications ferroviaires

Une distribution d'alimentation typique pour un tramway ou une locomotive électrique présente de nombreuses tensions plus basses dérivées de la source de caténaire CC principale. Comme pour toute application critique, il existe des normes industrielles obligatoires qui définissent les exigences de performances selon plusieurs perspectives.

La spécification réglementaire dominante pour les équipements électroniques ferroviaires est EN 50155 : Applications ferroviaires - Équipements électroniques utilisés sur le matériel roulant. Elle définit les conditions environnementales et de service, les attentes en matière de fiabilité, la sécurité ainsi que les méthodes de conception et de construction. Elle couvre également la documentation et les tests.

Les autres spécifications critiques incluent :

• EN 61373 : Applications ferroviaires - Matériel roulant - Essais de chocs et vibrations
• EN 61000-4, pour la compatibilité électromagnétique (CEM)
• EN 45545-2, norme ferroviaire européenne pour la sécurité incendie
• Norme RIA 12, British Railway Industries Association : spécification générale pour la protection des équipements électroniques du matériel roulant et de traction contre les transitoires et les pointes d'énergie dans les systèmes de commande CC

Le respect de ces exigences réglementaires constitue un défi de conception majeur, même si le convertisseur de puissance DIY fonctionne comme prévu durant la simulation et en tant que prototype sur banc. Heureusement, il n'est pas nécessaire d'adopter une approche DIY. Des convertisseurs CC/CC standard, spécifiques à une application, prêts à l'emploi et répondant aux exigences ferroviaires, sont déjà disponibles.

Par exemple, les familles TEP 150UIR/TEP 200UIR sont deux séries similaires de convertisseurs demi-brique à montage sur carte répertoriés respectivement à 150 watts (W) et 200 W. Ils offrent un isolement entrée/sortie (E/S) renforcé de 3000 volts CA (V_CA) et une protection intégrée contre les courts-circuits, les surtensions et la surchauffe.

Tous les membres de ces deux familles présentent la même configuration de connexion et le même format de boîtier de 60 millimètres (mm) × 60 mm × 13 mm (Figure 1). Leur rendement est d'environ 90 %.

Figure 1 : Tous les membres des familles TEP 150UIR et TEP 200UIR présentent le même format de boîtier et le même facteur de forme. (Source de l'image : TRACO Power)

La série TEP 150UIR fonctionne sur une plage de tensions d'entrée extrêmement étendue de 14 à 160 volts CC (V_CC), et elle est disponible en cinq combinaisons de sortie de 5 V/30 ampères (A) à 48 V/3,2 A (Figure 2).

Figure 2 : La série TEP 150UIR est disponible avec des valeurs nominales de tension/courant s'étendant de 5 V/30 A à 48 V/3,2 A. (Source de l'image : TRACO Power)

Le membre à la tension la plus basse et au courant le plus élevé de cette famille est le TEP 150-7211UIR, qui peut délivrer jusqu'à 30 A à 5 V.

La série TEP 200UIR présente la même plage de tensions d'entrée et de sortie, mais des courants plus élevés, s'étendant de 5 V/40 A à 48 V/4,2 A (Figure 3).

Figure 3 : La famille TEP 200UIR offre 33 % de puissance en plus, avec les mêmes valeurs de tension de sortie mais des courants de sortie plus élevés. (Source de l'image : TRACO Power)

Le membre à la tension la plus élevée et au courant le plus faible de cette famille est le TEP 200-7218UIR, qui peut fournir jusqu'à 4,2 A à 48 V, contre 3,2 A pour son homologue de 150 W à cette tension.

En conservant une taille et une empreinte communes, les utilisateurs peuvent facilement mettre à niveau un circuit pour répondre à différents besoins ou utiliser différentes cartes avec des problèmes de câblage et de disposition minimum. Ils peuvent également simplifier l'inventaire en stockant moins de modèles uniques.

Trois fonctionnalités clés

Les unités TEP 150UIR et TEP 200UIR offrent trois caractéristiques exceptionnelles : une large plage de tensions d'entrée, un temps de maintien étendu et une limitation active du courant d'appel.

1) Large plage de tensions d'entrée : L'électronique industrielle typique peut répondre aux exigences générales de tension/courant, mais les convertisseurs de puissance CC/CC pour cette application doivent résister à des variations de tension d'entrée beaucoup plus importantes et à une gamme de valeurs nominales possibles (Figure 4).

Figure 4 : Les plages d'entrée CC pour différentes applications ferroviaires couvrent une gamme extrêmement étendue, en particulier lorsque les écarts admissibles par rapport aux valeurs nominales sont pris en compte dans l'analyse. (Source de l'image : TRACO Power)

Cela inclut les variations autorisées de la tension d'entrée autour de chaque valeur nominale :

• Plage continue = 0,7 à 1,25, × V_NOM
• Baisse de tension = 0,6 × V_NOM pendant 100 millisecondes (ms)
• Surtension = 1,4 × V_NOM pendant une seconde

Il est difficile de concevoir un convertisseur de puissance capable de résister à des baisses de tension de 100 ms, tandis que les surtensions de 1 seconde ont trop d'énergie pour être bloquées. Par conséquent, le convertisseur doit fonctionner sur toute la plage illustrée à la Figure 4, tout en incluant une certaine marge de sécurité. En pratique, cela signifie une plage d'entrée supérieure à 2,33:1.

Pour compliquer la situation, la tension nominale peut être comprise entre 24 V_CC et 110 V_CC. De nombreux fabricants de convertisseurs CC/CC répondent à ces exigences en proposant des convertisseurs avec une plage d'entrée 4:1 plus étendue (typiquement de 43 V à 160 V) pour couvrir la plupart des applications, mais un seul convertisseur n'est généralement pas en mesure de répondre à toutes les exigences.

Pour résoudre ce problème, les unités de TRACO prennent en charge une entrée 12:1 ultra-étendue de 14 à 160 V_CC. Cette plage permet à l'ingénieur d'application système de cibler une gamme de tensions système nominales avec une seule alimentation.

2) Temps de maintien étendu : La ligne CC est exposée à des transitoires rapides de ±2 kilovolts (kV) avec des temps de montée de 5 nanosecondes (ns), des temps de descente de 50 ns et un taux de répétition de 5 kilohertz (kHz). Il y a également des pointes d'énergie de ±2 kV ligne-à-terre et de ±1 kV ligne-à-ligne avec des temps de montée de 1,2 microseconde (μs) et des temps de descente de 50 μs à partir d'une impédance source couplée CA définie.

Certaines exigences s'étendent au-delà de la norme EN 50155 et exigent une immunité aux pointes d'énergie jusqu'à 1,5 x V_NOM pendant 1 seconde et 3,5 × V_NOM pendant 20 ms à partir d'une impédance source extrêmement faible de 0,2 ohm (Ω). Pour un système à 110 V_CC (nominal), cela correspond à une valeur crête de 385 V_CC, ce qui est en dehors de la plage normale d'un convertisseur, en particulier s'il doit fonctionner jusqu'à la baisse de tension minimum de 66 V_CC.

L'énergie disponible à partir d'une telle source à faible impédance signifie que la tension ne peut pas être bloquée par un suppresseur de tension transitoire (TVS). En fonction du niveau de puissance, un pré-régulateur sur l'entrée d'alimentation ou un circuit qui coupe l'entrée pendant la durée de la pointe d'énergie est requis. Une fonction de maintien est nécessaire dans le convertisseur CC/CC pour maintenir la sortie pendant cette période.

Pour résoudre ce problème, les unités de TRACO sont dotées d'une fonctionnalité importante sous la forme d'une sortie de broche BUS. Cette sortie fournit une tension fixe pour charger un condensateur, permettant ainsi au condensateur de fournir l'énergie nécessaire pendant un temps de maintien plus long (Figure 5). Ces condensateurs sont nettement plus petits et moins coûteux que ceux utilisés dans le schéma de maintien de condensateur frontal conventionnel.

Figure 5 : Circuit d'entrée recommandé à utiliser avec le condensateur de bus C_BUS pour simplifier la mise en œuvre d'un temps de maintien étendu. (Source de l'image : TRACO Power)

Notez qu'il n'est pas nécessaire d'ajouter une diode série au circuit d'entrée, car ces convertisseurs ont une diode intégrée qui empêche un court-circuit et veille à ce que l'énergie du condensateur soit transmise à l'alimentation.

Lorsqu'une interruption de la tension d'alimentation se produit, la tension d'entrée chute à la tension BUS avant que les condensateurs ne commencent à se décharger pour fournir de l'énergie au module d'alimentation. En raison de leur densité de puissance relativement élevée, les séries TEP 150UIR et TEP 200UIR peuvent fournir une tension BUS fixe jusqu'à une tension d'entrée de 80 V. Pour des tensions d'entrée plus élevées, la tension BUS augmente linéairement avec la tension d'entrée réelle (Figure 6).

Figure 6 : Les convertisseurs fournissent une tension BUS fixe jusqu'à une tension d'entrée de 80 V. Pour des tensions d'entrée plus élevées, la tension BUS augmente linéairement avec la tension d'entrée réelle. (Source de l'image : TRACO Power)

3) Limitation active du courant d'appel : Cette fonction permet de résoudre un problème courant avec les convertisseurs de puissance : lorsque la tension d'entrée commence à augmenter, les condensateurs de maintien à la borne d'entrée provoquent un courant d'appel élevé. Cela peut faire sauter un fusible ou déclencher un circuit et provoquer des erreurs et des défaillances dans les dispositifs connectés.

Pour éviter ce problème, une broche Pulse des séries TEP 150UIR et TEP 200UIR fournit un signal carré de 1 kHz, 12 V, qui peut être utilisé sur le circuit de limitation de courant d'appel (Figure 7).

Figure 7 : Les séries TEP 150UIR et TEP 200UIR offrent un moyen simple de limiter le courant d'appel au démarrage en utilisant une broche Pulse avec un signal carré. (Source de l'image : TRACO Power)

En connectant le circuit de limitation active du courant d'appel à la broche Pulse, le courant d'appel est efficacement limité (Figure 8). Sans limitation, le courant d'appel est d'environ 120 A (à gauche), tandis qu'avec la limitation, il chute à environ 24,5 A (à droite).

Figure 8 : La commande du circuit de limitation active du courant d'appel des convertisseurs avec la broche Pulse réduit le courant d'appel d'un facteur cinq. Un exemple avec tension V_in de 72 V est illustré. L'échelle horizontale à gauche est de 50 V/division et celle de droite est de 10 V/division, avec un facteur d'échelle de transducteur de 1 V = 1 A. (Source de l'image : TRACO Power)

Conclusion

Les convertisseurs CC/CC destinés aux applications ferroviaires basse tension ne doivent pas seulement fournir des performances électriques fiables et constantes. Ils doivent également être compacts, faciles à gérer et à déployer, convenir à une large gamme d'applications, être capables de fonctionner en environnements difficiles et être capables de répondre à une longue liste de normes et de mandats réglementaires électriques, thermiques et mécaniques exigeants. Comme illustré, les familles TEP 150UIR et TEP 200UIR de TRACO Power sont à la hauteur de la tâche avec des fonctionnalités qui incluent une large plage de tensions d'entrée 12:1 de 14 à 160 V_CC, une broche de maintien pour charger les condensateurs afin de fournir de l'énergie en cas de chute de tension, la capacité à résister aux pointes d'énergie et de nombreuses combinaisons courant/tension de sortie, et ce, dans un seul facteur de forme.