DC/DC-teholähde kiskokalustokäyttöön

Abstract

Kiskokalustokäyttöön tarkoitetut elektroniset laitteet altistuvat erittäin vaativille käyttöolosuhteille, sillä jatkuva tärinä sekä vaihtelevat ympäristöolosuhteet asettavat erittäin suuren haasteen laitteen luotettavuudelle sekä käytettävyydelle. Tässä työssä suunnitellaan DC/DC-teholähde noin 200 W lähtöteholle, jolla on tarkoitus korvata alkuperäinen epäluotettavaksi osoittautunut teholähde. Suunnitellulla teholähteellä muutetaan veturin akuston jännite (20,6 – 50,4 V) veturin moottorin-ohjauksen elektroniikalle sopiviksi ohjaus- ja käyttöjännitteiksi. Luotettavuuden kannalta alkuperäisen laitteen suurimmat ongelmat johtuivat siitä, että yksittäiset komponentit altistuivat erittäin korkeille lämpötiloille, minkä seurauksena komponenttien ja koko teholähteen elinikä lyhenee. Tämän takia korvaavan DC/DC-teholähteen suunnittelussa kiinnitettiin erityisesti huomiota teholähteen hyötysuhteen parantamiseen ja häviöiden pienentämiseen, minkä seurauksena komponentteihin kohdistuvat rasitukset pienenevät. DC/DC-teholähteen suunnittelun pohjana käytettiin korvattavan teholähteen, sekä vastaavan 82 – 185 V akustojännitteelle suunnitellun teholähteen tuoteselostetta. Teholähteessä syntyviä häviöitä pienennettiin kiinnittämällä huomiota komponettivalintoihin ja piirilevyn suunnitteluun, sekä tuottamalla vaaditut ohjaus- ja käyttöjännitteet erittäin hyvän hyötysuhteen omaavilla DC/DC moduuleilla. Käytettäväksi valitut DC/DC-moduulit perustuvat tahdistetulla tasasuuntauksella varustettuun forward–muuttajaan ja työssä tutkittiin tällä saavutettuja etuja perinteiseen dioditasasuuntaukseen verrattuna. Teholähteen soveltuvuutta kiskokalustokäyttöön parannettiin suunnittelemalla tulopuoli EN 50155 standardissa rautatiekäyttöön tarkoitetuille elektronisille laitteille asetettujen vaatimusten mukaiseksi. Lisäksi teholähteen jokaiseen lähtöön suunniteltiin lähtöjännitteiden valvonta, jolla pyritään estämään herkän moottorinohjauksen elektroniikan vahingoittuminen. Työssä keskityttiin suunniteltavan teholähteen luotettavuuden parantamiseen. Lisäksi työssä arvioitiin suunnitellun teholähteen elinikä laskemalla teholähteen MTBF MIL-217f standardin mukaisilla komponenttien vikaantumistaajuuksien arvoilla, mistä saatiin tulokseksi noin 49 000 h. Työssä esitettyjen tulosten ja esimerkkien perusteella voidaan suunnitella kiskokalustokäyttöön soveltuva DC/DC-moduuleihin perustuva teholähde.

Electronic devices used in traction applications are exposed to extremely demanding operating conditions. Continuous shocks and vibration along with fluctuating environmental conditions places a great challenge for the reliability and usability of the equipment. In this paper a design of a 200 W DC/DC power supply unit is presented and the intention of this power supply unit was to replace the original unreliable device. The power supply unit converts locomotive accumulator voltage (20.6 – 50.4 V) into certain control and operating voltages for the locomotive motor control equipment. The main problems considering the reliability of the original device was down to that some of the components were exposed to extremely high temperatures whereupon lifetime of the components and the complete device became shorter. Because of this a special attention was paid in designing of the substitutive power supply unit to improve the efficiency and decrease the dissipations of the device in order to relief the stresses of the components. The designing of the DC/DC power supply unit was executed by adabting some characteristics of the original device and a corresponding power supply unit designed for 82 – 185 V input supply voltage range. The dissipations were decreased by paying attention in the component selections and in designing of the printed circuit board and the required control and operating voltages were produced with high efficient DC/DC modules. The selected DC/DC modules were based on a forward converter with synchronous rectification and the achieved advantages with synchronous rectification were examined and compared to conventional diode rectification. The suitability for traction applications was improved by designing the input of the power supply unit considering the requirements presented in EN 50155 which is a standard for electronic equipment used on rollin stock. In addition an under and over voltage protection circuit was designed to every output in order to avoid causing damage to sensitive motor control equipment. In this paper the main attention was paid in order to improve the reliability of the DC/DC power supply unit. In addition the lifetime of the designed power supply unit was estimated by calculating the MTBF with generic failure rate values presented in MIL-217 which resulted a MTBF value of 49 000 h. By adapting the examples and results presented in this paper a DC/DC module based power supply unit suitable for traction applications can be made.