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Back to top鐵道應用電源選用介紹
鐵道系統的供電環境，大多是從集電弓或第三軌供電系統，將高壓的交、直流電能轉換為列車通系統標準用電，或者是將能量存至列車的電池系統。列車上的用電準位很多，從24V、28V、36V、48V、72V、96V到110V，在系統上比較常見的電壓準位為24V、72V或110V。當系統電源在不同電源之間切換時，或者是保險絲或斷路器保護動作。此時的系統電壓會有較大的電壓波動，如果使用者沒有特別注意，容易造成轉換器毀損。針對這幾點，EN50155中都有個別的定義。
EN50155是歐洲的列車用電設備測試標準，大多數的國家都會參考這個法規，例如中國就是引用了EN 50155的法規，製作國家標準TB/T3021。另外，英國的鐵道標準則是RIA系列，例如RIA-12在電壓波動的要求比較嚴苛。法國標準則是NF-F 48、NF-F-01-510與NF-F67000。德國則是VDE 0435與19PFL。
應用概況
在鐵道系統中，列車的供電方式較多，大致上可以分為三種，如透過發電機組供電，或者是經由集電弓，再透過靜態換流器供電，或者是由蓄電池模組供電。在供電模組轉換的過程中，列車上的電源容易有變異，例如電壓突降或者是短暫無電源的現象發生。以下將列出鐵道應用的轉換器需要注意的項目 :
- 輸入電壓範圍 :
轉換器的輸入電壓範圍，必須為常態輸入電壓的0.7到1.25倍。另外，轉換器還必須符合暫態的電壓突升或突降，範圍是穩態電壓的0.6到1.4倍，如表1所示。
舉個例子，當系統的常態輸入電壓為24V與48V時，轉換器的常態最低輸入電壓為16.8V，常態最高輸入電壓為60V。針對暫態電壓的突降，輸入電壓要往下支援到14.4V。輸入電壓突升的部分則要支援到67.2V。
| Nominal Input Voltage (Vin) | Continuous Voltage Range (0.7*Vin-1.25*Vin) | Fluctuation Voltage Range | |
| 0.6*Vin (0.1S) | 1.4*Vin (1S) | ||
| 24 | 16.8-30 | 14.4 | 33.6 |
| 28 | 19.6-35 | 16.8 | 39.2 |
| 36 | 25.2-45 | 21.6 | 50.4 |
| 48 | 33.6-60 | 28.8 | 67.2 |
| 72 | 50.4-90 | 43.2 | 100.8 |
| 96 | 67.2-120 | 57.6 | 134.4 |
| 110 | 77-137.5 | 66 | 154 |
針對英國的鐵路標準，就必須要參考RIA12的規範。在輸入電壓的規範中，要求設備必須能夠承受3.5倍的常態輸入電壓，如表2所示。
| Voltage Level | Duration | |
| Brownout Voltage | 0.6*Vin | 100mS |
| Transient Voltage | 1.5*Vin | 1S |
| 3.5*Vin | 20mS | |
一般而言，要符合RIA-12的暫態電壓要求，通常需要外接電壓鉗位線路，如圖1所示。控制IC偵測輸入電壓，當輸入電壓超過須鉗位的電壓時，IC將mosfet操作於歐姆區，使系統端的電壓穩定在轉換器的最高允許輸入電壓。如果只有使用TVS元件鉗位輸入電壓，那TVS則需要消耗巨大的能量，容易發熱損壞。
- 操作溫度 :
針對電子設備的環境操作溫度等級，在EN 50155中有列出對應的要求規範，如表3所示。如果是駕駛室或乘客艙的設備，則必須符合OT1與OT2的溫度規範，高溫的部分都是+55℃，低溫的部分OT1是-25℃，OT2是-40℃。
如果是應用在設備內的零件，則必須要符合OT3、OT4的規範。高溫的部分都是+70℃，低溫的部分OT3是-25℃，OT4是-40℃。
OT5與OT6則是規範應用在半導體驅動器，或內燃機的控制器的設備或零件，並不適用於一般車輛內部的溫度要求。高溫的部分都是+85℃，低溫的部分OT5是-25℃，OT6是-40℃。
| Class | Equipment operating temperature range (°C) |
| OT1 | -25 to +55 |
| OT2 | -40 to +55 |
| OT3 | -25 to +70 |
| OT4 | -40 to +70 |
| OT5 | -25 to +85 |
| OT6 | -40 to +85 |
- 輸入電壓轉換與中斷
列車上的電源容易有變異，例如電壓突降或者是短暫無電源的現象發生，EN50155內有定義輸入電壓異常的規範。表4是輸入電壓中斷的規範，由於供電總線上的過載或故障狀況，以及保險絲或短路器動作後的復電操作，轉換器輸入電壓可能會在短時間內降至0V，或者是呈現低阻抗狀況。
S1的規範是不判定輸入電壓變異時，轉換器的輸出正常與否，但是當變異結束後，轉換器的輸出必須回復正常。當輸入電壓降至0V，並在10mS後恢復正常，在這個過程中，輸出電壓維持穩定，則符合S2的規格。另外，輸入電壓降至0V長達20mS，如輸出電壓維持穩定，則符合S3的規格。
表5則為供電轉換時輸出電壓變異的規格，當輸入電壓降至穩態輸入的0.6倍時，輸出電壓維持穩定，則符合C1。當輸入電壓降至0V，並在30mS後恢復正常，在這個過程中，輸出電壓維持穩定，則符合C2的規格。
| Class | Requirements |
| S1 | In case of voltage interruption, no performance criterion is requested but the equipment shall continue to operate as specified after the voltage interruption |
| S2 | In case of voltage interruption up to 10ms the equipment shall behave according to performance criterion A. |
| S3 | In case of voltage interruption up to 20 ms the equipment shall behave according to performance criterion A |
| Class | Requirements |
| C1 |
At 0.6*Vin duration 100 mS (without interruptions). |
|
C2 |
During a supply break of 30 mS stating at Vin. |
為了滿足S2，S3和C2類的要求，在任何DC / DC轉換器的輸入端都需要一些額外的能量存儲。最常見的方式就是在輸入端外接電容，可以參考下列公式計算所需的外接電容值：
Po : 轉換器輸出功率
T : 預計維持時間
Eff : 轉換器效率
V1 : 輸入電壓
V2 : 轉換器截止電壓
舉個例子，轉換器的輸出功率為40W，效率為90%。常態電壓為110V，截止電壓為38V，預計維持時間為20mS。帶入公式後得到電容值為166.8uF，這表示如果要符合維持20mS的時間，在輸入端必須要外接大於166.8uF的電容。
- EMS
列車電氣設備的EMI要求可以參考EN 55011的法規，針對傳導與輻射干擾皆有相對應的規格限制。針對EMC的部分，可以參考表6。由表中可以看到，測試要求皆是參考IEC 61000的規範。ESD 是HBM要求接觸±6Kv、空氣 
8kV。Fast transient 要求 2kV。Surge要求線對線 1kV，線對地是 2kV。
| Test Item | Criterion | Test Condition |
| ESD | IEC 61000-4-2 |
Contact discharge±6kV |
| Fast Transient | IEC 61000-4-4 | ±2kV, 5/50nS, 5kHz |
| Surge | IEC 61000-4-5 | 1.2/50uS ±2kV Line to Ground ±1kV Line to Line |
- 信賴性測試
列車上的電子設備，必須能承受列車在常規運作中的震動與衝擊，以及必須要在各種環境下都能正常運作。EN61373內敘述了針對震動與衝擊的測試需求，如表7所示。針對震動測試有A與B類的分別，A類指的是直接安裝在車體上、下的部件、設備或零件。B類指的是安裝在設置於車輛上、下的設備內的零件。
針對環境測試的部分，可以參考表8的內容。溫度循環可以分為兩種，一種是無通電，另一種是通電。參考的法規是MIL-STD-202G。低溫與高溫下的環境測試，則可以參考EN 60068。
| Test Item | Criterion | Category | Test Condition(m/s2) |
| Vibration | Function Random |
Class A | V : 0.75, T : 0.37, L: 0.5 |
| Class B | V : 1.01, T : 0.45, L: 0.7 | ||
| Simulated long-life |
Class A | V : 4.25, T : 2.09, L: 2.83 | |
| Class B | V : 5.72, T : 2.55, L: 3.96 | ||
| Shock | Class A/B | V : 30, T : 30, L: 50 | |
| Test Item | Criterion |
| Temperature Cycling | MIL-STD 202G |
| Power Thermal Cycling | MIL-STD 202G |
| Cold | EN 60068-2-1:2009 |
| Dry Heat | EN 60068-2-2:2009 |
| Damp Heat | EN 60068-2-3:2010 |
- 輸入防反接
轉換器輸入電源如果反向接線，不只會造成轉換器損壞，也可能會將系統電源短路。為了確保安裝人員無法將設備的電源反向連接，設計者必須採取特定的保護措施。例如，在機構面上可以採取在輸入端子設計防呆機制。另外，在電氣面上，可以再輸入端串接防反向二極體，以防止極性反接造成的影響。
結論
鐵道的應用環境供電方式較多，電壓的變異性較大，因此具備寬操作電壓的隔離型轉換器，在鐵道應用領域越來越受青睞。例如，可以同時滿足多個常態電壓的轉換器，即可使用單一轉換器，滿足不同應用環境的輸入電壓需求。另外，由於鐵道的應用環境較嚴苛，某些氣候可能會下雪或者是十分炎熱。因此，轉換器具備良好的EMI、EMC以及高信賴性是十分重要的。
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