モビリティと鉄道アプリケーションのために「すぐに使える」DC/DCを探す
2023/10/20
モビリティ・アプリケーションでは、パワー・コンバータに大きな要求が課せられます。市販製品は要求される仕様の一部を満たしているかもしれませんが、鉄道用EN 50155などの規格に全体的に準拠するためには、一般的に大規模な外部回路が必要となります。この記事では、真の「すぐに使える」製品が満たすべき仕様について説明します。
電子機器の置かれた環境の中で、モバイルは最も過酷なものかもしれませんが、鉄道から物流機器、EVからeスクーターなど、あらゆる分野で市場が拡大しています。特に鉄道車両アプリケーションでは、データ接続やインテリジェント・サイネージなどの便利な機能とともに、安全性と効率性向上のために自動化がますます進んでいます。これらはすべて、高汚染、衝撃、振動の典型的な鉄道環境で、公称DC110Vの従来のDCレールからの電力（世界的にはDC24Vまで）で確実に動作する必要があります。一般的に適用される規格はEN 50155（現在のバージョンは2021年7月版）で、この規格は、電気的・物理的環境だけでなく、技術的な構造上の特徴、信頼性、メンテナンス、耐用年数、文書化、テストについても定義しています。
図1: 性能に影響を与えないEN 50155による公称DC電源レール電圧の変化
図2：EN 50155による供給遮断クラス
図3: EN 50155で定義された動作温度クラス
図4: EN 50155で定義された「スイッチオン」温度クラス
電気的仕様を満たす汎用のオープンフレームDC/DCが見つかれば、それは高出力であるがためにコンパクトかもしれませんが、これを達成するためには強制空冷が必要になります。鉄道アプリケーションでは、メンテナンス、騒音、寿命の問題からファンは好ましくないため、利用可能な「冷たい壁」を利用するためにベースプレートによる対流冷却が好まれます。ベースプレート冷却ブリック形式のDC/DCは、実際にはすべての熱を「冷たい壁」に吸収しますが、その場合、前述のような大規模な外部回路と相互接続が必要になります。
図5: RECOM RMDシリーズのDC/DCは、鉄道および一般的なモビリティ・アプリケーションですぐに使用できます。
解決策は、EN 50155の要件を完全に満たすように設計され、複数の公称値、サージ、ディップ、および10msのドロップアウトをカバーする広い入力範囲を備えたDC/DCです。一例として、RECOMの「すぐに使える」RMDシリーズ（図5）は、定格150W、300W、500Wで、周囲温度-40℃～+85℃のOT4およびST2クラスまでのファンレス動作のためのオープンフレーム・ベースプレート冷却形式です。接続は、取り付けが容易なネジ端子式です。
150Wおよび300Wモデルの入力レンジはDC16.8V～DC137.5V（それぞれ100msおよび1秒間でDC14.4V～DC154V）です。この12:1のレンジは、公称DC110V入力で1.4 x Vnom、DC24V入力で0.6 x Vnomの極端な値をカバーし、500Wモデルは公称DC72VとDC110V入力でDC50.4V～DC137.5V（DC170V/3秒）で動作します。全モデルとも、冗長並列動作、入力逆極性保護、10msホールドアップ時間、リモート・コントロール、突入電流制限のためのOR-ingダイオードを備えた単一のDC24V出力を備えています。また、鉄道EMC規格EN 50121に準拠しています。
障害者用スクーター、ゴルフカートなど、その他のモバイル・アプリケーションも、RMDシリーズのような製品の「プラグ・アンド・プレイ」機能の恩恵を受け、広範囲の供給電圧や過酷な環境にも対応可能です。このようなアプリケーションでは、RMDシリーズの高効率もメリットをもたらし、バッテリー駆動時間の延長に貢献します。
大きく異なるレール供給電圧
環境、絶縁、EMC仕様を満たすだけでなく、DC電源を高感度電子機器用のクリーン・レールに変換する電源モジュールは、サージ、ディップ、ドロップアウトも重畳する入力電圧の大きな変動に対応しなければなりません。図1は、性能に影響を与えないEN 50155で定義されたレベルを示しています。
図1: 性能に影響を与えないEN 50155による公称DC電源レール電圧の変化
図 1 に示すように、電圧供給は一定期間ゼロになる可能性があり、これらはクラス S1、S2、S3 で定義されます（図 2）。S2 はデフォルトの要件であり、前述のとおり、10 ミリ秒までの中断はパフォーマンス基準 A を満たし、10 ミリ秒を超える場合は基準 C を満たす必要があります。性能基準A'は影響がないことを意味し、基準Bは試験中に性能が低下するが、試験後は正常に戻ることを意味します。基準Cは機能喪失が許容されることを意味しますが、装置は自動または手動でリセットできなければなりません。遮断の影響は、供給公称電圧から試験されます。
図2：EN 50155による供給遮断クラス
鉄道アプリケーションでは、比較的安全な乗客室から高温になる機器キャビネットまで、さまざまな場所に機器を取り付けることができます。EN 50155では、これを反映した動作温度クラスとしてOT1～OT6（図3）を規定しており、特に指定がない場合はOT3がデフォルトとなっています。クラスOT5と6は例外的な条件でのみ使用されます。
図3: EN 50155で定義された動作温度クラス
規格はまた、自然冷却または強制冷却が有効になる前に、機器が「通常」よりも高い温度でスイッチオンになる必要があることを定めています。これらの条件は、「スイッチオン」温度ST0、ST1、ST2（図4）の3つのクラスで定義されており、ST1はデフォルト、ST1とST2はOT5とOT6には適用されません。各クラスの温度変化のタイミングと速度は、それぞれ乾熱サーマルサイクル試験A、B、Cとして規格13.4.5項に定義されています。
図4: EN 50155で定義された「スイッチオン」温度クラス
鉄道アプリケーションですぐに使えるDC/DCコンバータを探す
これらの仕様を満たし、鉄道アプリケーションに「すぐに使用できる」DC/DCコンバータを見つけることが容易ではないのは当然です。広い入力範囲を持つ汎用のDC/DCコンバータは、「通常の」鉄道入力電圧変動をカバーするかもしれませんが、実際には、EN 50155の完全な要件を満たすためには、かなりの外部回路を追加する必要があるかもしれません。例えば、逆入力極性保護と突入電流制限が必要であり、電源遮断仕様を満たすために外部コンデンサによる少なくとも10msのホールドアップ時間が必要です。典型的な「標準」DC/DCコンバータは、内部ホールドアップ・エネルギー蓄積をほとんど、あるいは全く持っていません。従って、外部に電力供給する場合、必要なコンデンサは定格出力電力で最低の公称入力から必要なホールドアップを与えるために、最高入力電圧と静電容量に対応した定格でなければなりません。このため、部品が大きくなり、制御できない大きな突入電流が発生する可能性があるため、取り付けが難しくなります。ほとんどのDC/DCは絶縁電圧定格も制限されており、"機能的 "かせいぜい "基本的 "ですが、鉄道アプリケーションでは"強化型” AC3kV絶縁電圧が一般的にシステム設計者によって指定されます。電気的仕様を満たす汎用のオープンフレームDC/DCが見つかれば、それは高出力であるがためにコンパクトかもしれませんが、これを達成するためには強制空冷が必要になります。鉄道アプリケーションでは、メンテナンス、騒音、寿命の問題からファンは好ましくないため、利用可能な「冷たい壁」を利用するためにベースプレートによる対流冷却が好まれます。ベースプレート冷却ブリック形式のDC/DCは、実際にはすべての熱を「冷たい壁」に吸収しますが、その場合、前述のような大規模な外部回路と相互接続が必要になります。
解決策
図5: RECOM RMDシリーズのDC/DCは、鉄道および一般的なモビリティ・アプリケーションですぐに使用できます。
150Wおよび300Wモデルの入力レンジはDC16.8V～DC137.5V（それぞれ100msおよび1秒間でDC14.4V～DC154V）です。この12:1のレンジは、公称DC110V入力で1.4 x Vnom、DC24V入力で0.6 x Vnomの極端な値をカバーし、500Wモデルは公称DC72VとDC110V入力でDC50.4V～DC137.5V（DC170V/3秒）で動作します。全モデルとも、冗長並列動作、入力逆極性保護、10msホールドアップ時間、リモート・コントロール、突入電流制限のためのOR-ingダイオードを備えた単一のDC24V出力を備えています。また、鉄道EMC規格EN 50121に準拠しています。
障害者用スクーター、ゴルフカートなど、その他のモバイル・アプリケーションも、RMDシリーズのような製品の「プラグ・アンド・プレイ」機能の恩恵を受け、広範囲の供給電圧や過酷な環境にも対応可能です。このようなアプリケーションでは、RMDシリーズの高効率もメリットをもたらし、バッテリー駆動時間の延長に貢献します。
アプリケーション
| Series | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| 1 |
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RMD150-UW
Focus
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| 2 |
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RMD300-UW
Focus
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| 3 |
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RMD500-EW
Focus
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