高功率密度電源模塊方案 - 如何運用Vicor DCM產品來符合鐵道電源應用

在IoT、5G和AI 的新浪潮帶動下,舉凡車廂監控、回報系統和影音資訊顯示螢幕、USB/TypeC充電插座等行車安全監控和即時資訊分享的系統或應用,幫助鐵道列車添增了許多安全性與便利性。而設備增添的需求同時也提高安全性、空間與穩定上的標準,相對的,電源功率密度需求也相對提高。

因此,高功率密電源模塊則是鐵道電源應用上的最佳選擇。運用於鐵道車內的電源設備必須能符合各種嚴苛的環境上使用,這也是為何電源設備的要求非常嚴苛;而鐵道列車須長期暴露在外,其不僅面臨嚴苛的環境,如:溫度變化、粉塵與震動,還有內部電器設備的電壓波動與瞬變...等,這些運用於軌道交通車電子設備產品內上必須要符合以下鐵道法規。

鐵道法規

  • EN 55022 A類和B類
  • EN 61000-4-2(ESD)
  • EN 61000-4-3(抗RF性能)
  • EN 61000-4-4(快速暫態)
  • EN 61000-4-6(抗傳導性能)
  • RIA 12浪湧保護(3.5VN 20ms)
  • RIA 13和RIA 20機械標準
  • IEC 571和IEC61373衝擊/振動

 

這類的法規是因為有寛範圍的電壓變化與瞬間的電壓突破環境狀況。而鐵道車的產品都是以無風流設計,這在電源設計上增加了大幅度的困難度與降低了可選擇性。VICOR 的DCM 正好可以替客戶端解決這些問題!

應用在鐵道電源的VICOR DCM

DCM目前在鐵道電源方面常在使用的範圍簡單分為兩種:低壓14~72Vin、高壓 43~154Vin;這樣的寬範圍電壓就可以應用在鐵道電源。DCM的產品輸入與輸出範圍 (圖一)可滿足設計者的電壓需求。

依據EN50155的法規,1.4X的耐受度皆屬在範圍內(圖二)。另外,像是RIA12的法規電源應用需要輸入的3.5X 20ms 的瞬間突波範圍(圖二), 這部份Vicor在全系列產品和應用上都有完整的解決方案提供給客戶使用。

圖一:DCM 產品規格 (出處:VICOR 官網)

圖二 :EN50155 與RIA12 電壓範圍 (出處:EN50155與RIA12法規)

DCM 直流模塊是雙箝位零電壓切換的隔離直流模塊(ZVS)拓撲(圖三),可提供良好的穩壓電源。非常適合寬範圍的使用與高功率的環境使用。此架構並無使用光電子原件做為回授隔離控制,可以避免光衰或靜電造成光電子元件的不穩定性。而雙箝位切換頻率上約為500KHZ~700KKHZ 之間,大大降底了模塊設計的面積與濾波電容,對於鐵道寬範圍需求是相當符合使用。

圖三:DCM拓撲(出處Vicor)

DCM 的動作原理

接下來就解釋一下DCM 的動作原理的,其中有四個步驟:

Step1: 箝位階段到T1(圖四):

Q2和Q4均打開, Q5和Q1均關閉,連接到Q5-D的箝位電容器被充電到等於Vout *(Np / Ns)的反饋電壓。如果變壓器磁能正確復位則最小週期計時將啟動Q2斷開;如果需要額外的復位時間則最短時間會延長到內部復位完成為止。只要Q2和Q4都導通箝位電流就會流過,並且隨著Q2關關並且一次側兩端會產生動作,電流會轉變為磁激電流,而該變壓器磁電流必須繼續流動;因此,隨著Q2的D-S電容充電和Q1放電、VS1節點向Vin上升;隨著VS1的上升,專有控制器啟用了對一次側的監控。

(圖四)

Step2: T1一次側功率上升階段(圖五):

Q1在幾乎為零電壓切換下導通,而初級電流在電源變壓器中上升存儲需要的能量,該能量由內部誤差放大器確定此能量是負載電流和線路電壓的函數。 Q1和Q4此時都打開. 所有其他MOSFET均處於關閉狀態。

(圖五)

Step3: T3供電階段(圖六):

Q2和Q5導通然後同步MOSFET Q3。Q3在最佳時間開啟(或關閉)以實現無損切換,這取決於其專有的柵極驅動器。隨著變壓器中存儲的能量釋放到負載和輸出電容器,次級電流將逐漸增加。

(圖六)

Step4: 箝位階段(圖七):

在T3結束時,當能量已經傳遞到負載,Q3根據其自主專有的次級驅動器的指示關閉。主控制器監視一次側電壓並確定何時完成變壓器復位並關閉Q5。 VS 2下降並允許Q4的零電壓導通。

而Q2和Q4再次打開;此時,通過獲得專利的採樣端反饋監視輸出電壓並由專屬控制電路對其進行處理,下一個週期由最小周期計時器超時開始。箝位階段剩餘的能量用於零電壓切換VS1節點。

(圖七)

DCM 對於散熱和包裝的使用

VICOR ChiP的散熱和密度優勢封裝技術(圖八)。 DCM ChiP模塊可提供靈活的熱管理選項,上下面都為導熱方向,並透過高導熱的膠體將板子做上下接合與做平整處理, 大多的隔離模組都為單面散熱(圖九)。而VICOR 可做雙面散熱(圖十),由雙面散熱的熱阻模型來分析熱阻都可以並聯熱阻來平均計算。

至於DCM VIA模塊為全鋁包裝且已做了雙面散熱,另外提供整合的EMI一級濾波, 嚴格的輸出電壓調節和二次側控制界面,同時保留常規磚結構的基本設計優勢。

圖八: VICOR包裝(出處VICOR)

圖九:單面散熱的熱阻圖(出處: VICOR spec)

圖十: VICOR 雙面散熱的熱阻圖 (出處:VICOR spec)

DCM並聯功率擴充應用

並聯DCM的主要目標是將負載功率擴充(圖十一),該圖顯示了多個DCM並聯使用. 單顆DCM在相同的負載線(圖十二)操作下輸出電壓會以電流大小比例增減。理想情況下,負載線會完全重疊,因此實際上共享電流之間由於輸出電壓設定值的準確性可能會有細微的差別,這可能會導致每顆DCM都會從理想設定值略微移動,這將導致一些電流不平衡;也就是說,具有稍高的輸出電壓設定值的設備會造成不平衡。DCM就是靠著Droop load line的方式達到每顆的平衡,輸出電壓的誤差變化量於+2%~-3%做電壓調節,這樣就可以確保每顆電壓相等輸出.若需要誤差變化量在1%以內. 也可以增加OPA線路做精準的回授控制。另外,DCM並聯也不需任何O-ring diodes可降低損失,單顆使用有精準度 +1%的版本可選擇。而針對客戶有無風扇或更高的功率設計、高功率又想做無風扇設計的應用等等,這部份可滿足您的設計需求。

圖十一: DCM 並聯應用(出處: VICOR)

圖十二: DCM Droop load line(出處: VICOR)

參考文獻

VICOR, High power converters for all standard industry input voltages, http://www.vicorpower.com/dc-dc/isolated-regulated/dcmVICOR, Parallel DCMs™, http://www.vicorpower.com/documents/application_notes/an_Parallel_DCMs.pdf

Rene Torrico Bascope and Ivo Barbi, A DOUBLE ZVS-PWM ACTIVE-CLAMPING FORWARD CONVERTER, https://www.yumpu.com/en/document/read/50074656/a-double-zvs-pwm-active-clamping-forward-converter-ivo-barbi

NETWORK TECHNOLOGIES INCORPORATED, ENC50155 Railways Applications, https://www.networktechinc.com/pdf/m12vga-extender-railway.pdf

NETWORK TECHNOLOGIES INCORPORATED, ENC50155 Railways Applications, https://www.networktechinc.com/pdf/m12vga-extender-railway.pdf

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