Utiliser des convertisseurs CC/CC renforcés à large plage d'entrée pour les applications ferroviaires

Le transport ferroviaire est de plus en plus électrifié, du groupe motopropulseur aux fonctions embarquées et au confort des passagers, y compris les communications, la sécurité, l'accès à Internet et la signalisation à bord. Plusieurs convertisseurs CC/CC sont nécessaires pour fournir cette puissance. Cependant, les équipes de développement sont souvent insuffisamment équipées pour concevoir des convertisseurs de puissance personnalisés capables de fonctionner dans les conditions électriques, mécaniques et thermiques rigoureuses d'un réseau ferroviaire, tout en répondant aux exigences industrielles strictes en matière de réglementation, de facteur de forme et de coût.

La solution réside dans des convertisseurs CC/CC polyvalents disponibles dans le commerce, qui répondent à une grande variété d'exigences de tension et de conditions de fonctionnement.

Cet article examine les exigences spécifiques auxquelles sont confrontés les concepteurs de convertisseurs de puissance CC/CC dans les applications ferroviaires. Il présente ensuite des convertisseurs CC/CC de 150 W et 200 W de TRACO Power et montre comment ils peuvent être utilisés pour répondre à ces normes.

Distribution d'alimentation pour les applications ferroviaires

Un système de distribution d'alimentation typique pour un tramway ou une locomotive électrique fournit de nombreuses sources basse tension qui doivent être dérivées de la caténaire CC principale. Pour les locomotives diesel, l'alimentation CC principale provient de l'alternateur/du redresseur embarqué.

Comme pour toute application critique, il existe des normes industrielles obligatoires qui définissent les exigences de performances selon plusieurs perspectives. La norme clé 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 normes critiques incluent les suivantes :

• EN 61373, essais de chocs et vibrations
• EN 61000-4, essais et mesures de compatibilité électromagnétique (CEM)
• EN 50121-3-2, limites d'émission et d'immunité
• EN 45545-2, protection 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 normes constitue un défi de conception important, même si le convertisseur de puissance fonctionne comme prévu durant la simulation et en tant que prototype sur banc.

Heureusement, des convertisseurs CC/CC standard conformes aux exigences ferroviaires sont disponibles, ce qui évite aux constructeurs de véhicules ferroviaires de devoir concevoir et fabriquer des versions personnalisées.

Par exemple, les gammes de produits TEP 150UIR et TEP 200UIR sont deux séries similaires de convertisseurs demi-brique à montage sur carte, répertoriés à 150 W et 200 W, avec un rendement d'environ 90 %. Ces convertisseurs entièrement encapsulés offrent un isolement entrée/sortie (E/S) renforcé de 3000 V_CA et une protection intégrée contre les courts-circuits, les surtensions et les surchauffes.

Tous les modèles de ces deux gammes présentent la même configuration de connexion et le même format de boîtier de 60 mm × 60 mm × 13 mm (Figure 1), fonctionnent de -40°C à +105°C et répondent aux normes indiquées.

Figure 1 : Tous les modèles des gammes TEP 150UIR et TEP 200UIR présentent la même configuration de connexion et le même format de boîtier (60 mm × 60 mm × 13 mm). (Source de l'image : TRACO Power)

La série TEP 150UIR fonctionne sur une plage de tensions d'entrée extrêmement étendue de 14 V_CC à 160 V_CC, et elle est disponible en cinq combinaisons de sortie de 5 V/30 A à 48 V/3,2 A. Le modèle de cette gamme présentant la tension la plus basse et le courant le plus élevé est le TEP 150-7211UIR, qui délivre 5 V jusqu'à 30 A.

La série TEP 200UIR présente la même plage de tensions d'entrée et de sortie, mais des courants plus élevés, allant de 5 V/40 A à 48 V/4,2 A. Le modèle de cette gamme affichant la tension la plus élevée et le courant le plus faible est le TEP 200-7218UIR, qui délivre 48 V jusqu'à 4,2 A, contre 3,2 A pour son homologue de 150 W à cette tension.

En conservant une taille et une empreinte communes, les deux séries permettent aux concepteurs de mettre à niveau un circuit pour répondre à différents besoins ou d'utiliser différentes cartes avec des problèmes de câblage et de disposition minimum. Elles permettent également de simplifier la gestion des stocks en réduisant le nombre de modèles uniques.

Trois fonctionnalités clés de la série

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.

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 les applications ferroviaires doivent supporter des variations de tension d'entrée CC beaucoup plus importantes et une plage de valeurs nominales (V_Nom) possibles (Figure 2).

Figure 2 : Les plages d'entrée CC pour différentes applications ferroviaires couvrent une plage 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)

Cette tolérance inclut les variations admissibles 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 ms
• Surtension = 1,4 × V_Nom pendant 1 s

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 s ont trop d'énergie pour être bloquées. Par conséquent, le convertisseur doit fonctionner sur la plage complète illustrée à la Figure 2, avec 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. Cependant, un seul convertisseur n'est généralement pas en mesure de répondre à toutes les exigences.

Pour combler cette lacune, les unités de TRACO prennent en charge une entrée 12:1 ultra-étendue de 14 V_CC 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.

Temps de maintien étendu : la ligne CC est exposée à des transitoires rapides de ±2 kV avec des temps de montée de 5 ns, des temps de descente de 50 ns et un taux de répétition de 5 kHz. Il y a également des surtensions de ±2 kV ligne-terre et de ±1 kV ligne-ligne avec des temps de montée de 1,2 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 surtensions jusqu'à 1,5 x V_Nom pendant 1 s et 3,5 × V_Nom pendant 20 ms à partir d'une impédance source extrêmement faible de 0,2 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'au minimum de baisse de tension de 66 V_CC.

La grande quantité d'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 pointe d'énergie est également 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 : une sortie de broche BUS (Figure 3). Cette sortie fournit une tension fixe pour charger le condensateur (C_BUS), lui permettant de délivrer l'énergie nécessaire pendant un temps de maintien plus long. Ces condensateurs sont nettement plus petits et moins coûteux que ceux utilisés dans un schéma de maintien de condensateur frontal conventionnel.

Figure 3 : Circuit d'entrée recommandé pour une utilisation avec C_BUS afin de simplifier la mise en œuvre d'un temps de maintien étendu. (Source de l'image : TRACO Power)

Notez qu'une diode série (D4) n'est pas requise dans le circuit d'entrée, car ces convertisseurs ont une diode intégrée pour prévenir les courts-circuits et bloquer le flux d'énergie du condensateur vers 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 pour les entrées jusqu'à 80 V. À des tensions d'entrée plus élevées, la tension BUS augmente linéairement avec la tension d'entrée (Figure 4).

Figure 4 : Les convertisseurs fournissent une tension BUS fixe pour des tensions d'entrée jusqu'à 80 V ; à des tensions d'entrée supérieures, la tension BUS augmente linéairement avec la tension d'entrée. (Source de l'image : TRACO Power)

Limitation active du courant d'appel : cette fonction permet de résoudre un problème fréquent avec les convertisseurs de puissance : lorsque la tension d'entrée commence à augmenter, les condensateurs de maintien à la borne d'entrée peuvent provoquer un courant d'appel élevé. Ce courant peut entraîner la fusion d'un fusible ou le déclenchement d'un disjoncteur, et provoquer des erreurs et des dysfonctionnements 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 dans un circuit de limitation de courant d'appel (Figure 5).

Figure 5 : 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. Sans limitation, le courant d'appel est d'environ 120 A, tandis qu'avec la limitation, il chute à environ 24,5 A.

Considérations mécaniques au service des performances électriques

Les performances de ces convertisseurs TRACO résultent non seulement de la conception électrique, mais également de la conception mécanique, car l'intégrité mécanique est essentielle à la robustesse électrique.

Il faut garder à l'esprit que les différentes parties d'un véhicule ferroviaire sont exposées à des chocs, des vibrations et des températures extrêmes d'intensité variable. La norme EN 61373 définit un certain nombre de points distincts ainsi que les catégories de tolérance correspondantes pour les véhicules ferroviaires à suspensions à un ou deux niveaux, ces dernières étant les plus courantes (Figure 6).

Figure 6 : La norme EN 61373 définit les exigences en matière de chocs et de vibrations pour différents points à l'intérieur et à l'extérieur du véhicule ferroviaire. L'exemple présenté concerne les véhicules à suspensions à deux niveaux ; les emplacements au niveau du châssis sont les plus critiques. (Source de l'image : TRACO Power, modifiée par l'auteur)

Tous les convertisseurs de TRACO répondent aux normes de catégorie 1, classe A et de catégorie 1, classe B pour toutes les zones situées au-dessus de l'essieu, du bogie et du châssis dans les véhicules à deux niveaux de suspensions. Pour ce faire, ils utilisent notamment un boîtier encapsulé, des broches à usage intensif pour les connexions électriques des circuits imprimés, des systèmes de montage avec vis de retenue, des tests de choc thermique allant au-delà des simples tests à haute et basse température, et une attention particulière portée aux modes de refroidissement.

Conclusion

Les concepteurs de systèmes d'alimentation ferroviaires ont besoin de convertisseurs CC/CC fiables et polyvalents, compacts, faciles à gérer et à déployer, et capables de fonctionner en environnements difficiles, malgré une longue liste de normes et de mandats réglementaires électriques, thermiques et mécaniques exigeants. Comme illustré, les gammes TEP 150UIR et TEP 200UIR de TRACO Power répondent à ces exigences avec des fonctionnalités qui incluent une large plage de tensions d'entrée 12:1 de 14 V_CC 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.