鉄道認証用の絶縁型 DC-DC パワーコンバータ: 妥協のない性能の詳細な分析 (パート 1)

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はじめに

EN 50155は、鉄道で使用される電子機器に関してヨーロッパで制定された規格です。多くの国がこの規格を基準として採用しています。この規格には、入力電圧、I/O絶縁電圧、絶縁性、電磁適合性 (EMC) といったテスト基準に加え、動作温度、冷却、湿度、振動、衝撃などの過酷な環境でのテスト要件が詳細に記載されています。
 
MINMAXのEN 50155認証済みの鉄道認証DC-DCコンバータは、3ワットから150ワットまでの範囲をカバーしており、DIP、2インチx1インチ、クォーターブリックなどの様々なパッケージオプションを提供しています。これらのコンバータは、広範囲の入力電圧、拡張された動作温度、強化された絶縁、出力調整機能、リモートオン/オフ制御などの機能も搭載しています。さらに、防火試験規格（EN45545-2）、電磁両立性（EMC）規格（EN50121-3-2）、振動・衝撃試験規格（EN61373）、そして環境試験規格（IEC 60068-2-1, 2, 30）等、多くの規格を満たしています。
 
最適化されたPCBレイアウトと熱の管理により、MINMAXの製品は、入力電圧や環境温度の変動にも関わらず、効率や発熱の面での高い安定性を持っています。MINMAXは単に製品を提供するだけでなく、総合的なサポートを提供することで、お客様の信頼を得ることを目指しています。そのサポートとは、製品の使用に関する分析や検証から、特定のニーズに応じた特別な設計までを含んでいます。私たちの目標は、常にお客様と密接に連携し、最高のサービスを提供することです。
 
 

広い入力電圧

鉄道のDCシステムで一般的に使用される電圧の範囲は、24V、28V、36V、48V、72V、96V、110Vと多岐にわたります。このようなさまざまな電圧レベルに対応するために、電圧範囲が定格中心電圧の0.6倍から1.4倍までの範囲で動作することが求められる場面も多いです。これは、電圧の過渡状態や変動に対しても確実に動作を保証するためのものです。
 

MINMAXの鉄道認定DC-DCコンバータは、この要件を十分に満たすよう設計されています。具体的には、4:1の広い入力電圧範囲を持っており、9Vから36V、18Vから75V、そして40Vから160VDCの範囲での動作が可能です。これにより、上記の様々な鉄道の電圧要件をすべてカバーすることができます。
 

さらに、特定のアプリケーションで低電圧からの起動が求められる場合にも対応するため、36Vから160VDCの入力電圧仕様も開発されています。これにより、MINMAXのコンバータは鉄道のさまざまなシステムや条件下でも確実な動作を提供することができます。
 

図 1 – 定格入力範囲内で 100% の出力電力を提供する能力

 
 

高精度の出力電圧

鉄道車両の電源環境は、一般的な産業機器や家庭用機器とは大きく異なります。特に、鉄道のバッテリーシステムには電圧安定化装置が通常含まれていないため、さまざまな電圧変動が発生する可能性があります。これに対応するため、MINMAXの鉄道認定 DC-DC 電源モジュールは、以下の3つの主要な条件を考慮して設計されています。
 
電圧変動の対応:

鉄道の動作中、バッテリーの電圧は通常の0.7倍から1.25倍の範囲で変動することがあります。MINMAXの電源モジュールは、この範囲内の電圧変動に確実に対応できる設計となっています。

 

短時間の電圧降下への対応:

バッテリーシステムは、0.1秒以内に通常電圧の0.6倍まで急激に電圧が降下することがあります。このような短期間の電圧降下にも、電源モジュールは確実に耐えることができます。

 

サージ電圧への対応:

バッテリーが起動する際、1秒間だけ通常の1.4倍のサージ電圧が発生することがあります。このサージ電圧にも、電源モジュールは確実に対応することができます。

 

このような鉄道の厳しい環境下でも、MINMAXの鉄道認定製品は、入力電圧の変動、出力負荷の変化、そして周囲の温度変動など、多くの不確実性から鉄道運行システムを守るための設計がされています。特に、超高精度の出力電圧を維持するための特別な設計を採用しているため、鉄道機器の安定した動作を確実にサポートします。
 
 

図 2 – 安定した正確な出力電圧精度が不可欠

 
 

強化絶縁システムによる高絶縁耐圧

MINMAXの鉄道認定製品は、強固な絶縁機能を/b持ち、強化絶縁、2KVACの絶縁電圧、完全なカプセル化設計が施されており、高電圧状況下でも確かな絶縁バリアを提供します。これにより、ノイズや電磁干渉、電源バスの変動、感電、サージ、過渡の電圧スパイク、絶縁の破損、機械的なダメージ、火災のリスク、PCB回路の隙間、アーク、短絡の危険から、デリケートなシステム基板をしっかりと守ることができます。これらの特長により、長期間稼働する鉄道の設備でも、最高の安全性が確保されます。
 

図 3 – MINMAX の鉄道認定製品は、強化絶縁を備えた 2KVAC 絶縁電圧テストに合格

 
 

優れた熱設計

高熱伝導率の接着剤、低熱抵抗のコンポーネント、最適化された PCB レイアウトなどの最適化された熱構造設計により、熱性能の向上と長期的な放熱機能が保証されます。この設計は、長期間にわたって過酷な環境で動作する鉄道機器に最高の安全性と信頼性を保証します。
 

図 4 – 最適化された熱設計の採用

 
 

広い動作温度範囲

多くの鉄道の用途では、夏には温度が +60°C を超える非常に高いレベルに上昇し、冬には -30°C を下回る非常に低いレベルに急激に低下することがあります。
そのため、製品の使用温度範囲を広げることは重要な課題となっています。MINMAX の鉄道認定製品は、最適化された総合的な電気および熱設計に合格しており、-40°C から +85°C の温度範囲をサポートし、様々な環境条件下での鉄道用途の厳しい要件を満たします。
 

 

効果的な放熱メカニズム

MINMAX の鉄道認定製品の大部分は、さまざまな動作温度要件に対応するために 3 つの異なる高さのヒートシンクを選択できます。
 

図 5 -ヒートシンク オプション

 
 

優れたEMC性能

MINMAX の鉄道認定製品は、強化されたノイズフィルタリング技術によって優れたEMC性能を発揮します。これにより、電源モジュールからの電磁干渉が低減され、システム内の導電性および放射性EMI性能が向上するだけでなく、静電気放電（ESD）、サージ、高速過渡電流（EFT）、導電感受率（CS）、放射感受率（RS）、EMS性能に関する電源周波数磁界耐性（PFMF）も向上します。
 

図 6 – EN 50121-3-2 規格に準拠した伝導 EMI

 

図7- EN 50121-3-2 規格に準拠した放射 EMI

図 8 – EN 55024 のさまざまな EMS 試験規格への準拠

 
 
 

以上、「EN 50155 鉄道認証：電力コンバータにおける鉄道認証準拠の重要性 (パート1)」を読んで頂きありがとうございました。次回の投稿もぜひチェックしてください。

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本コラムに掲載している情報は、株式会社エスエムアイの調査/収集した情報を共有する事を目的としております。掲載にあたり内容に間違いがないかできる限り注意を払いましたが、内容についていかなる表明・保証を行うものではありません。実際に機器設計や電源選定を行う際は、当資料の情報に全面的に依拠せず、最新の法令・規格・技術情報をご確認下さいますようお願い申し上げます。