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电动轨道牵引系统最初部署于19世纪，在当今时代变得越来越重要。与内燃机车相比，这种交通运输模式在单位重量能耗方面是最佳的，而且具有更快的加速和更好的轨道梯度牵引性能（图1）。我还记得1955年当我6岁的时候，在纽约布鲁克林运行的架空电线牵引的有轨电车。

 

图1：电动轨道牵引系统需要特别的电源管理方案。

 

当我研究铁路供电电源设计架构时，我很惊讶地发现竟然有这么多电源供应商把这个领域作为一个主要目标市场，这还没有包括西门子（Siemens）等公司的IC供应商的产品，以及Mentor, a Siemens Business针对轨道牵引系统中电力电子的热可靠性仿真系统等产品。

 

铁路电力架构需要电源

 

对于电动铁路牵引电力系统，第三轨和架空电线是主要的电源解决方案（图2、图3、图4）。受电弓（pantograph）是安装在列车顶部，从架空张力线取电的系统。

 

图2：从器件级来看，自带气冷/液冷（转换器）、逆变器、整流器、电池和电机的IGBT功率?？槭钦庵窒低车挠谢槌刹糠?。（图片由西门子提供）

 

图3：电动轨道牵引系统中需要电源的地方有很多。（图片由Powerbox提供）

 

图4：铁路车辆用电子设备的种类。（图片由富士电机提供）

 

挑战

 

在铁路架构中设计电源转换器既有其优点，也有困难。铁路电源设计的主要部分出现在移动的、不受控的环境中，即火车上。此外，电力机车的预期使用寿命为30年，这意味着数千小时的服务时间和数百万次的开关机次数（power cycle）。

 

高速移动的列车周边也有很多地方需要供电，例如轨道旁边。在这两部分用电方面，设计人员都需要在恶劣和不受控环境下实现高于正常要求的可靠性。

 

这种环境下的功率器件会遇到严酷的电热条件，比如短路、过压、过流，过热，以及老化效应等。在这种类型的应用中，可靠性是必需的，极端的工作温度对哪怕最可靠的器件都是严酷的考验。

 

电源通常采用对流冷却，整个电源系统的工作温度也必须低至-40℃。在这些电源系统中要使用振动补偿弹簧夹端子，以及保形涂层，还要以紧凑的外形提供非常轻巧的设计，所有这些都是设计架构的一部分，所有架构还都必须展现出最高的效率。

 

设计还必须满足大量国际标准的要求，例如《Railways Applications - Electronic Equipment Used on Rolling Stock（铁路应用——机车车辆上使用的电子设备）》（EN50155）标准就要求抵抗冲击和振动、浪涌、电压变化、电磁性能和ESD测试，以及用于LED显示、音频放大器、安全监视器、照明和通信系统的隔离电源DC/DC。此外还有《Electromagnetic Compatibility for Rolling Stock Apparatus（机车车辆设备电磁兼容性）》（EN50121-3-2）、《Rolling Stock Equipment Shock and Vibration Tests（机车车辆设备冲击和振动测试）》（EN61373）、《Fire Protection on Railway Vehicles（铁路车辆的防火）》（EN45545）等标准，以及更多的本地化标准。

 

其他一些铁路标准还包括：

 

* EN 55022 A类和B类；

 

* EN 61000-4-2（ESD）；

 

* EN 61000-4-3（抗RF性能）；

 

* EN 61000-4-4（快速瞬变）；

 

* EN 61000-4-6（抗传导性能）；

 

* EN 50163；

 

* RIA 12浪涌?；ぃ?.5VN 20ms）；

 

* RIA 13和RIA 20机械标准；

 

* IEC 571和IEC61373冲击/振动。

铁路应用会对这些电源解决方案强调高负载和长寿命的要求，尤其是对分立功率器件，比如MOSFET、二极管、晶体管和IGBT等。西门子为此采用的技术包括：改善传热系数的直接键合铜基板；用条带键合取代较厚的键合线，以便更好地处理大电流；以及具有非常低热阻的无焊上片（die-attach）技术。上述技术都是用于增强开关机次数和承受?？榉庾爸械娜刃вΑ?/div>