[مقدمة]بالنسبة لمحولات التيار المستمر والتيار المستمر في أنظمة النقل ، فإن أداؤها له متطلبات خاصة ، ويجب أن يكون لها نطاق إدخال واسع ، وحصانة التداخل الكهرومغناطيسي في البيئات القاسية ، مما يجعل الأجهزة التجارية أو الصناعية “القياسية” من غير المحتمل أن تكون حلاً موثوقًا به. توضح هذه المقالة متطلبات التطبيق للسكك الحديدية والسيارات والمركبات الصناعية ، وتقدم حلولًا معيارية تفي بمتطلبات الكود.
يمكن تطبيق محولات DC / DC على جميع الأنظمة الإلكترونية تقريبًا: المستهلك ، وتكنولوجيا المعلومات ، والصناعة ، والنقل ، وما إلى ذلك. يتم تضمين المحولات في الغالب في النظام ، مما يعزل النظام عن العالم الخارجي عن الطاقة غير المتوقعة والتغيرات البيئية ، لكن النقل مختلف. عادةً ما يتم تشغيل محول DC / DC مباشرةً من بطارية النظام ، والتي يمكنها أيضًا تشغيل الأحمال الأخرى ، مما يؤدي إلى حدوث طفرات ، وارتفاع ، وانخفاض الجهد. يمكن أن تعاني بيئات المركبات أيضًا من التكثيف والصدمات والاهتزاز وتغيرات درجات الحرارة الشديدة. بشكل أساسي ، تتحرك المركبات بين بيئات EMC المختلفة المشعة ، بما في ذلك الانبعاثات من المركبات الأخرى وهوائيات الراديو والتلفزيون والهاتف المحمول. محولات DC / DC المعيارية هي أجهزة معتمدة من حيث السلامة وعالية الأداء ومنخفضة التكلفة. غالبًا ما تتطلب هذه الوحدات المتوافقة مع المركبات تصميمات خاصة لتلبية معايير أداء السوق المستهدفة.
التطبيقات في أنظمة النقل لها جهد اسمي مختلف: مثال السكك الحديدية
يمكن اعتبار السكك الحديدية واحدة من أكثر التطبيقات تطلبًا لمحولات DC / DC ، مع الفولتية الاسمية للنظام التي يمكن أن تتراوح بين 24 و 110VDC. وفقًا لـ EN 50155-2017 “تطبيقات السكك الحديدية – المعدات الإلكترونية المستخدمة في معدات الدرفلة” ، يمكن أن يختلف الجهد الاسمي بنسبة +25٪ / – 30٪ ، ويمكن أن يكون الجهد منخفضًا حتى 60٪ من الجهد الاسمي ، ويمكن للزيادة أن تصل إلى 140٪. يلخص الشكل 1 نطاق الجهد الذي يمكن رؤيته. وفقًا للمعيار ، لا ينبغي أن تؤدي الارتفاعات المفاجئة التي تدوم 100 مللي ثانية والانخفاضات في الجهد إلى مستوى معين إلى “انحراف وظيفي” ، مع السماح بتدهور طفيف في الأداء لارتفاعات تصل إلى ثانية واحدة. بالنسبة لمحولات الطاقة ، من الصعب تحديد مستوى التدهور المقبول للمعدات النهائية ، لذلك في الواقع ، يحتاج DC / DC إلى العمل بشكل صحيح لفترات طويلة من الوقت بأقصى مستوى زيادة 140٪.
الشكل 1: نطاقات الجهد الكهربائي EN 50155-2017 للجهود الاسمية المختلفة لتطبيقات السكك الحديدية
يوضح الشكل 1 نطاق الإدخال “القياسي” 4: 1 لمحول DC / DC ، موضحًا أن بعض الأجزاء يمكن أن تلبي بعض متطلبات السكك الحديدية ، بينما يتطلب المحول المثالي الذي يمكنه التعامل مع جميع الاختلافات نطاق إدخال 10: 1 أو أوسع.
لا تزال بعض تطبيقات السكك الحديدية تتطلب الامتثال لمعيار RIA 12 ، وهو معيار قديم يجب أن يتحمل زيادات أكبر من 3.5 مرة من الجهد الاسمي لمدة 20 مللي ثانية. بالنسبة لنظام 110 فولت ، فإن هذا يعادل ذروة تبلغ 385 فولت ، وهو نطاق إدخال DC / DC يصعب الوصول إليه أو امتصاصه بواسطة مثبط عابر. مقاومة المصدر هي 0.2 أوم فقط ، لذلك إذا تم تثبيتها على 160 فولت ، فإن طاقة الذروة التي تبددها الكابت المؤقت ستكون 180 كيلو واط لا يمكن التحكم فيها. ريكوم[1] الطريقة الفعالة الموصى بها هي استخدام سلسلة MOSFET “للتنظيم المسبق” لمصدر الطاقة ، وإضافة آلية إيقاف تشغيل مؤقتًا بحيث لا يتجاوز تبديد طاقة MOSFET القيمة المقدرة إذا استمرت الزيادة في التيار. يمكن استخدام هذا الحل كوحدة مسبقة الصنع لقمع زيادة التيار للتعامل مع الأحمال المستمرة حتى 300 وات ، أو كجهاز منفصل ، كما هو موضح في الشكل 2.
الشكل 2: مخطط تصميم “Surge Suppressor” لتطبيق RIA 12 (مصدر الأدب RECOM)
غالبًا ما تكون محولات DC / DC في تطبيقات السكك الحديدية مطلوبة أيضًا لتحمل الجهد الزائد العابر السريع كما هو محدد في معيار EN 61000-4-x. هذه الطاقات منخفضة نسبيًا ، لذا يكفي استخدام مرشح LC بسيط ومانع عابر. تحدد EN 50155 أيضًا انقطاعات الطاقة إلى ثلاث فئات S1 و S2 و S3 ، مع أسوأ حالة هي انقطاع جهد الدخل الاسمي بمقدار 20 مللي ثانية دون تأثير على الأداء. يتطلب هذا عادةً مكثف تعليق خارجي لمحول DC / DC.
تخضع المعدات في مركبات السكك الحديدية أيضًا لمستويات أعلى من الصدمات والاهتزازات من معظم التطبيقات الأخرى. يحدد معيار EN 61373 الفئات في مناطق مختلفة ، من الفئة 3 المركبة على المحور إلى الفئة 1 المركبة على العربة. في جميع الحالات ، يجب أن تكون بنية المحول قوية ، مع رش ثنائي الفينيل متعدد الكلور ووضعه في وعاء لتقليل الضغط الميكانيكي ومنع الرطوبة.
مجموعة RECOM من محولات DC / DC وأنظمة التحكم في الطاقة المكتسبة حديثًا [2]تقدم الشركة العديد من المنتجات التي تفي بمتطلبات شهادة EN 50155 للسكك الحديدية ، من أجزاء SMD المصنفة 8W ، وأجزاء DIP24 إلى محولات الطوب 240 وات مع نطاق إدخال عريض إضافي 12: 1 يغطي جميع الفولتية الاسمية. تقدم RECOM أيضًا تصميمات مرجعية لدائرة المرشح وفقًا لمتطلبات EN 50155 و RIA 12[3]، وما يصل إلى 10kW من طاقة إدخال التيار المتردد ثلاثية الطور المستخدمة بشكل شائع بجانب المسار.
قد يكون لتطبيقات النقل الصناعي الأخرى متطلبات شبيهة بالسكك الحديدية
النطاق الواسع لجهد إدخال البطارية مناسب أيضًا لتطبيقات أخرى مثل الرافعات الشوكية الكهربائية أو المركبات الهجينة أو أنظمة UPS. تتراوح البطاريات اسميًا بين 12 و 48 فولت ، لكن الفولتية والارتفاعات المفاجئة لشحن المحركات الشاقة أثناء “تفريغ الحمل” يمكن أن تزيد من الجهد الأقصى لنظام 12 فولت إلى 42 فولت أو أكثر (الشكل 3). الجهد في نظام 48 فولت أعلى نسبيًا ، ولكن عندما يتم تعريف 60 فولت على أنه أقصى جهد “آمن” ، يمكن استخدام دائرة مثبط زيادة التيار مثل الشكل 2 لربط جهد الدخل DC / DC حتى 60 فولت. في هذا الجهد المنخفض للغاية الآمن ، يمكن أن يكون نظام العزل DC / DC “معزولًا وظيفيًا” دون الحاجة إلى مستوى أعلى من الشهادة من هيئة إصدار الشهادات. في حالة “التدوير البارد” ، يعتبر نطاق الإدخال الواسع للجهد المنخفض DC / DC حلاً جيدًا. نظرًا لأنه لا يمكن التحكم في بيئة الاستخدام النهائي بشكل جيد ، مثل قطار يعمل على مسار ، لا يمكن تحديد موقع السيارة ، لذلك يوصى باستخدام الأجهزة القوية لضمان الموثوقية. مع دخول الإلكترونيات إلى مجال الزراعة وجميع المركبات الصناعية شديدة التحمل ، تزداد أيضًا الطلبات على نطاق واسع من المدخلات والبناء القوي.
الشكل 3: زيادة الجهد في تطبيق السيارة بجهد 12 فولت (من LV124)
يتم تحديد جهد إمداد الطاقة للسيارة بشكل واضح
إن جهد إمداد المركبات على الطرق محدد جيدًا ، و LV124 ، الذي أنشأه مصنعو السيارات الألمان في عام 2013 ، هو معيار شائع لأنظمة 12V. يوضح الشكل 3 الفولتية الشائعة التي يحتاجها المحول للعمل بشكل موثوق عبر نطاق إدخال 4: 1. في حين أن الشركات المصنعة المختلفة لديها تفسيراتها ومتطلباتها الخاصة ، فإن معيار ISO 7637-2 ينطبق أيضًا على عابرات الجهد العالي. يمكن تطبيق العابرين السلبية حتى -150 فولت لمدة 2 مللي ثانية والجهد الموجب مثل + 150 فولت لـ 150 نانوثانية. يتم إنشاء النبضات السلبية عن طريق إلغاء تنشيط الأحمال الحثية المتوازية. تكون الطاقة العابرة منخفضة نسبيًا ويمكن تخفيفها باستخدام مرشحات LC والمثبطات العابرة.
هناك اهتمام متزايد بأنظمة 48V DC للمركبات الهجينة ، حيث أن اللوائح التي تدخل حيز التنفيذ في عام 2021 تتطلب من سيارات الركاب المسجلة حديثًا أن تقل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون عن 95 جرامًا لكل كيلومتر. لم يكن السوق جاهزًا للتحول إلى سيارات كهربائية بالكامل في ذلك الوقت ، لذلك كانت السيارات الهجينة هي الخيار الوحيد للمركبات الأكبر حجمًا. توفر الأنظمة ذات الفولتية بجهد 12 فولت و 48 فولت استهلاكًا أفضل للوقود وانبعاثات ، وتوفر البطارية 48 فولت قوة الجر عند الضرورة وتعمل على تشغيل الأجهزة الطرفية مثل مضخات الزيت والماء ، والتي تكون أكثر كفاءة عندما يتم تشغيل الجهاز كهربائيًا.
تتمتع أنظمة 48 فولت بنطاقات مماثلة للجهد المنخفض والجهد الزائد مثل أنظمة 12 فولت ، ولكنها تحتاج إلى التفكير في الحفاظ على الجهد عند مستوى آمن 60 فولت لتجنب أنظمة العزل الإضافية باهظة الثمن. المستويات المحددة بواسطة معيار VDA 320 موضحة في الشكل 4.
الشكل 4: مستويات جهد نظام السيارات 48 فولت
إذا تم استخدام وحدة محول DC / DC في هذه الأنظمة ، فقد يكون نطاق الإدخال 4: 1 (18-72V) كافيًا لتطبيقات المعلومات والترفيه أو الملاحة ، ولكن يجب أن تظل الوحدة قادرة على تحمل مواصفات الصدمات والاهتزازات ، وكذلك وقوف السيارة في القطب الشمالي البارد أو المناطق المدارية الساخنة يؤدي إلى اختلافات كبيرة في درجات الحرارة.
تحتاج محولات DC / DC المعيارية إلى تلبية مواصفات التطبيق لأنظمة النقل
يمكن تلبية متطلبات النقل لمحولات التيار المستمر والتيار المستمر بسهولة عن طريق الحلول الجاهزة من RECOM وأجهزة الكمبيوتر الشخصية للشركة الشقيقة التي تتمتع بخبرة طويلة في السوق. تشتمل المجموعة الواسعة من المنتجات على وحدات ذات مدخلات عريضة للغاية بنسبة 12: 1 متوافقة مع EN 50155 في تطبيقات السكك الحديدية ، بالإضافة إلى محولات متينة للسيارات والمركبات الصناعية. لضمان طول العمر والأداء الأمثل وتلبية متطلبات التطبيقات الصعبة ، تخضع منتجات RECOM للتحقق والاختبار الشامل للتصميم ، بما في ذلك الخصائص الكهربائية الكاملة ، و HALT ، ودورة درجة الحرارة ، وتقادم درجات الحرارة المرتفعة.
المؤلفات
[1] ريكوم www.recom-power.com [2] أنظمة التحكم في الطاقة www.powercontrolsystems.com [3] RIA 12 ‘Surge Stopper’ وفلتر EMI R-REF04-RIA12
المصدر: ريكوم
The Links: M24C04-RDW6TP QM150E3Y-H