広範な入力電圧に対応する鉄道用途向け高信頼性DC/DCコンバータの採用

鉄道の電化は、動力伝達システムから車載機能や乗客の利便性に至るまで、ますます進んでいます。これには、通信、安全、インターネット接続、車内案内表示などが含まれます。これらに電源を供給するためには、複数のDC/DCコンバータが必要となります。しかし、設計チームは、鉄道の厳しい電気的、機械的、熱的条件下で動作し、同時に厳格な業界の規制、フォームファクタ、およびコスト要件を満たす電源コンバータをカスタム設計する十分な設備を持っていません。

その解決策は、幅広い電圧要件と動作条件を満たす汎用性の高い既製のDC/DCコンバータにあります。

本記事では、鉄道用途におけるDC/DC電源コンバータの設計者が直面する特有の要件について説明します。続いて、TRACO Powerの150Wおよび200WのDC/DCコンバータを紹介し、これらの規格を満たすための応用例を示します。

鉄道向け電源分配

電気機関車やトロリーバスにおける典型的な電源分配経路では、主電源である架線からの直流を分岐した複数の低電圧電源が供給されます。ディーゼル機関車の場合、主電源となる直流電源は車載の交流発電機/整流器から供給されます。

あらゆる重要用途と同様に、複数の観点から性能要件を定義する業界標準が義務付けられています。鉄道電子機器の主要製品規格は、EN 50155「鉄道用途 - 車両 - 電子機器」です。この規格は、環境および動作条件、期待される信頼性、安全性、ならびに設計および構造方法を定義しています。また、文書化および試験についても規定しています。

その他の重要な規格には以下のものがあります。

• EN 61373、衝撃および振動試験
• EN 61000-4、電磁両立性（EMC）試験および測定
• EN 50121-3-2、電磁波放射（エミッション）および妨害耐性（イミュニティ）制限
• EN 45545-2、防火性
• 英国鉄道産業協会規格RIA 12、直流制御システムにおける過渡現象およびサージから牽引装置および車両電子機器の保護するための一般仕様

これらの規格を満たすことは、シミュレーションやベンチプロトタイプ段階では電源コンバータが意図したとおりに動作していたとしても、設計上の大きな課題となります。

幸いなことに、鉄道要件を満たす標準DC/DCコンバータが市販されているため、鉄道車両メーカーがカスタム仕様を設計、製造する必要はありません。

たとえば、TEP 150UIRおよびTEP 200UIRファミリは、それぞれ150Wおよび200W定格のハーフブリック型基板実装コンバータの2つの類似シリーズであり、約90%の効率を実現しています。これらの完全密閉型コンバータは、強化された3,000V_AC入出力（I/O）絶縁と、内蔵の短絡保護、過電圧保護、過熱保護を特長としています。

これら2つのファミリの全製品は、接続構成およびパッケージサイズ（60mm × 60mm × 13mm）（図1）が同一で、-40°C～+105°Cの温度範囲で動作し、記載された規格に適合しています。

図1：TEP 150UIRおよびTEP 200UIRファミリの全製品は、同じ接続構成とパッケージサイズ（60mm × 60mm × 13mm）を有しています。（画像提供：TRACO Power）

TEP 150UIRシリーズは、14V_DC～160V_DCという極めて広い入力電圧範囲で動作し、5V/30A～48V/3.2Aまでの5種類の出力組み合わせで提供されます。このファミリの最低電圧/最高電流モデルは、TEP 150-7211UIRであり、5Vで最大30Aを供給します。

TEP 200UIRシリーズは、入力と出力の電圧範囲は同じですが、より大きい電流範囲（5V/40A～48V/4.2A）を実現しています。 本ファミリの最高電圧/最低電流モデルはTEP 200-7218UIRで、48V/最大4.2Aを供給します。これは同電圧における150Wモデルが3.2Aであるのに対し、このモデルはより大きい電流を供給することができます。

両シリーズは共通のサイズとフットプリントを保つことで、設計者は回路を簡単にアップグレードして異なる要件に対応したり、最小限のケーブル配線やレイアウト変更で異なる基板を使用したりすることが可能です。また、在庫するモデルを減らすことで在庫管理を簡素化することもできます。

本シリーズの3つの特長

TEP 150UIRおよびTEP 200UIRユニットには、3つの優れた特長があります。広い入力電圧範囲、延長されたホールドアップ時間、およびアクティブな突入電流制限です。

広い入力電圧範囲：一般的な産業用電子機器は、一般的な電圧/電流要件を満たす場合がありますが、鉄道用途向けのDC/DC電源コンバータは、より広い入力電圧変動と、さまざまな 公称電圧（V_Nom）値に対応する必要があります（図2）。

図2：異なるレール用途における入力電圧範囲は、特に公称値からの許容偏差を考慮すると、鉄道用途におけるDC入力範囲は極めて広範囲に及びます。（画像提供：TRACO Power）

この許容範囲には、以下の各公称値付近の入力電圧における許容変動幅が含まれます。

• 連続範囲 = 0.7～1.25 × V_Nom
• ブラウンアウト = 0.6 × V_Nom（100ミリ秒間）
• サージ電圧 = 1.4 × V_Nom（1秒間）

ブラウンアウトを100ミリ秒間乗り切れる電源コンバータの設計は困難であり、1秒間持続するサージはクランプするにはエネルギーが大きすぎます。したがって、コンバータは、図2に示す全範囲で動作する必要があり、安全マージンも確保しなければなりません。実際には、これは2.33:1以上の入力範囲を意味します。

さらに複雑な状況として、定格電圧は24V_DC～110V_DCまでの範囲で変動する可能性があります。多くのDC/DCコンバータメーカーは、ほとんどのアプリケーションをカバーするために、より広い4:1の入力範囲（通常43V～160V）を備えたコンバータを提供することで、これらの要件を満たしています。しかしながら、単一のコンバータでこれらすべての要件を満たすことは、これまで通常不可能でした。

このギャプに対処するため、TRACOユニットは14V_DC～160V_DCという超広範囲の12:1入力に対応しています。この範囲により、システムアプリケーションエンジニアは、単一の電源で多様な公称システム電圧に対応することが可能となります。

ホールドアップ時間の延長：DCラインは、立ち上がり時間5ナノ秒、立ち下がり時間50ナノ秒、繰り返し周波数5kHzの±2kVの高速過渡現象の影響を受けます。また、定義されたAC結合ソースインピーダンスから、立ち上がり時間1.2マイクロ秒（μs）、立ち下がり時間50μsの±2kVラインとグランド間および±1kVラインとライン間のサージが発生します。

一部の要件はEN 50155を上回り、0.2Ωという極めて低い電源インピーダンスから、1秒間に最大1.5 × V_NOM、20ミリ秒間に最大3.5 × V_NOMのサージに対する耐性を要求しています。110V_DC（公称）のシステムの場合、これは385V_DCのピーク値に相当し、特に66V_DCのブラウンアウト最小値まで動作する必要がある場合は、コンバータの通常の範囲外となります。

このような低インピーダンス電源から得られる膨大なエネルギー量のため、過渡電圧サプレッサ（TVS）のみでは電圧を抑制することができません。パワーレベルに応じて、電源入力側にプリレギュレータを設けるか、サージ発生時に電源入力を遮断する回路も併せて必要となります。この間も出力を維持するためには、DC/DCコンバータにはホールドアップ機能が必要です。

この問題を解決するため、TRACOユニットには重要な機能、すなわちBUSピン出力（図3）が搭載されています。この出力は、固定電圧を供給し、コンデンサ（C_BUS）を充電することで、より長いホールドアップ時間に必要なエネルギーを供給することを可能にします。これらのコンデンサは、従来のフロントエンドのコンデンサホールドアップ方式で使用されるものよりも、はるかに小型で低コストです。

図3：ホールドアップ時間延長の実装を簡素化するため、C_BUSと併用する推奨入力回路を示します。（画像提供：TRACO Power）

なお、これらのコンバータには、短絡防止およびコンデンサからのエネルギーが電源に逆流するのを防ぐためのダイオードが内蔵されているため、入力回路に直列ダイオード（D4）は不要です。

電源電圧が途中遮断された場合、コンデンサが放電を開始して電源モジュールにエネルギーを供給する前に、入力電圧はBUS電圧まで低下します。TEP 150UIRシリーズおよびTEP 200UIRシリーズは、電力密度が比較的高いため、最大80Vの入力電圧に対して固定BUS電圧を供給することが可能です。入力電圧が高い場合、BUS電圧は実際の入力電圧に比例して直線的に増加します（図4）。

図4：コンバータは80Vまでの入力電圧に対して固定のBUS電圧を供給し、それ以上の入力電圧ではBUS電圧は入力電圧に比例して直線的に増加します。（画像提供：TRACO Power）

アクティブ突入電流制限：これは、電源コンバータにおける一般的な問題に対処します。入力電圧が上昇し始める際、入力端子側のホールドアップコンデンサが高突入電流を引き起こす可能性があります。この電流は、ヒューズの溶断や回路ブレーカのトリップを引き起こし、接続された機器にエラーや故障を誘発する恐れがあります。

この問題を回避するため、TEP 150UIRおよびTEP 200UIRの両シリーズのPulseピンは、突入電流制限回路に使用できる12V、1kHzの矩形波信号を出力します（図5）。

図7：TEP 150UIRおよびTEP 200UIRシリーズは、Pulseピンからの矩形波信号を用いて起動時の突入電流を制限する簡単な方法を提供します。

アクティブな突入電流制限回路をPulseピンに接続することで、突入電流を効果的に制限することが可能です（図8）。制限なしの場合、突入電流は約120Aですが、制限をかけると約24.5Aまで低下します。

電気的性能を支える機械的配慮

これらのTRACOコンバータの性能は、電気設計だけでなく機械設計にも起因しています。機械的安全性は電気的堅牢性よって極めて重要であるためです。

鉄道車両の各か所は、衝撃、振動、温度変化など、異なる強度の環境要因にさらされていることを考慮してください。規格EN 61373は、1段または2段サスペンションを備えた鉄道車両（後者が最も一般的です）について、明確な設置場所とそれに対応する耐性カテゴリを定めています。（図6）。

図6：EN 61373規格は、鉄道車両内外の異なる位置における衝撃および振動基準を定義しています。ここでは2段指サスペンション車両の例を示しており、台車位置が最も厳しい条件となります。（画像提供：TRACO Power、著者修正）

すべてのTRACOコンバータは、2段サスペンションレベルを備えた車両において、車軸上部、ボギー台車（トラック）、および台枠上のすべてのゾーンにおいて、カテゴリ1、クラスAおよびカテゴリ1、クラスBの基準を満たしています。これを実現するために、車体封止、回路基板の電気接続用の堅牢なピン、固定ネジによる取り付け構造、単純な高温、低温「浸漬」以外の熱衝撃試験、冷却モードへの配慮など、細部にわたる設計が施されています。

まとめ

鉄道用電源システムの設計者は、電気的、熱的、機械的な厳しい規制基準や要件が数多くあるにもかかわらず、信頼性が高く汎用性に富み、小型で管理、導入が容易で、過酷な環境下でも動作可能な、DC/DCコンバータを必要としています。ご覧の通り、TRACO PowerのTEP 150UIRおよびTEP 200UIRファミリは、14V_DC～160V_DCまでの広範な12:1入力電圧範囲、電圧低下時にエネルギーを供給するためのコンデンサを充電するホールドアップピン、サージ耐性、そして単一フォームファクタで実現される多数の出力電圧/電流の組み合わせといった特長により、これらの課題に対応しています。