絶縁型 DC-DC パワーコンバータ: EN 50155 鉄道認証準拠の重要性 (パート1)
絶縁型 DC-DC パワーコンバータ: EN 50155 鉄道認証準拠の重要性 (パート1)
はじめに
鉄道文明は2世紀以上にわたって進化してきました。これは陸上交通の歴史において極めて重要な役割を果たすだけでなく、世界中の国々の近代化の基盤を築いてきたことを示すものです。テクノロジーの急速な進歩に伴い、鉄道列車の速度はますます向上し、乗客の安全性への要求も高まっています。このため、鉄道関連機器の安全性と効率性を同等に確保することが、機器メーカーにとって依然として最大の関心事となっています。
鉄道の近代化に伴い、鉄道運行の安全を監視するセンサーシステム、空調設備、照明装置、ドア制御システム、鉄道通信システム、高感度センサーなど、多様な機能を担う電子機器が数多く導入されていますこれらの電子機器は、鉄道に設置されたバッテリーから供給される電力に依存しています。
鉄道の振動に長時間さらされるため、すべての電子機器は長期間にわたって不安定な電圧にさらされます。また、安全上の重要性を考慮すると、鉄道の電子機器は異なる高度、湿度レベル、石油やガスの存在、衝撃、振動、温度、電圧などの厳しい環境条件に適応できる必要があります。このような状況下で、電子機器は鉄道の厳しい要件に適合し、最適な性能を提供することが求められます。
ただし、車両のバッテリーシステムは通常、列車の前部または後部に配置されるため、電子デバイスやシステムへ電圧を伝送するためには長いケーブル線が必要です。この伝送プロセス中には、近くの雷や電力線の変動によって引き起こされる過渡的な電圧スパイクなどの電磁干渉が発生する可能性があります。列車用バッテリーは、スターター モーター、ポンプ、コンプレッサー、ドライバー、リレー コイル、スイッチ デバイス、AC 発電機、発電機、変圧器、その他の高電力負荷機器も駆動する必要があります。
これらの要因により、電源はしばしば不安定で変動が大きく、ノイズが多く発生し、感電や過渡電圧スパイク、機械的損傷、発火、火災、さらにはギャップ、アーク放電、短絡などの潜在的な危険が生じる可能性があります。また、接地ループによるPCB回路の損傷も考えられます。電子機器やシステムは大きな衝撃や障害に晒されることから、鉄道電子機器やシステムには、耐久性を確保するために高性能で強化された絶縁性を持ち、堅牢で信頼性の高い鉄道用DC-DC電源モジュールが不可欠です。これが、列車が長期間安定して運行するための重要な要件です。
前述の要件に基づいて、EN 50155は、鉄道で使用される電子機器向けに特別に開発された欧州規格です。この規格は、入力電圧、I/O絶縁電圧、絶縁電圧、電磁適合性（EMC）、機構、過酷な環境での信頼性テストなど、さまざまな側面を網羅しており、多くの国がこの規制を採用しています。これらの信頼性テストには、動作温度、冷却、湿度、振動、衝撃テストが含まれます。
MINMAXは、適切な製品を提供するだけでなく、エンドユーザーの信頼とサポートを得るために包括的なサービスを提供しています。これには、MINMAX製品を使用した開発プロセス中にお客様が必要とする分析や検証の支援、お客様の要件に合わせた特別な設計の提供などが含まれます。MINMAXは、お客様に対して真摯なサービスを提供し、お客様の組織との緊密な連携を促進することに全力を注いでいます。
図 1. MINMAX の鉄道認定製品はすべて EN 50155 に準拠しています。
EN 50155:2017 入力電圧テスト
最新の高速鉄道では重量を軽減し、スペースを最大限に活用するために、鉄道のバッテリーは通常24V、72V、または110Vで充電されることが一般的です。しかしながら、鉄道上のほとんどの電子機器およびシステムは、5、12、15、24、または 54VDC の入力電圧を必要とします。そのため、24V、72V、または110VのDC電圧を5V、12V、15V、24V、または54VDCに変換して、多くの電子システムに供給する必要があります。
鉄道認定の DC/DC 電力コンバータを例に挙げると、この規格に従って、コンバータの入力側を鉄道のバッテリーに接続する必要があります。そのため、この規格では、システムの正常な動作を保証するために、コンバータの入力電圧が鉄道バッテリーの動作電圧に準拠する必要があると要求されています。また、極端な電圧変動に対するパワーモジュールの絶縁性と耐性を確保するために、過渡的な電圧変動のテストも実行され、長期にわたって安全な動作が確保されます。
鉄道 DC 電源アーキテクチャの一次絶縁バリアにおいて、必要な24V、28V、36V、48V、72V、96V、および110VのDC入力電圧はすべて、鉄道バッテリー（Vn）から供給されます。一般的に、鉄道の電池には電圧安定化装置が備わっていないため、MINMAXの鉄道認定DC/DC電源モジュールは、以下の3つの条件に耐える必要があります。
(1) 0.7 Vn から 1.25 Vn までの電圧変動 (図 2 を参照)。
(2) 0.1 秒で 0.6 Vn までの電圧低下 (図 3 を参照)。
(3) バッテリ起動プロセス中に 1 秒間続く 1.4 Vn の過渡電圧スパイク (図 3 を参照)。
図 2. DC 電源電圧
図 3. 一時的な直流電源電圧の変動要件
以下の表は、MINMAX の鉄道認定 DC/DC パワーコンバータの電力テストにおいて、入力電圧、不足電圧、過渡変動、電圧スパイクが含まれていることを示しています。さらに、MINMAX の試験基準は、鉄道電子機器システムの電源モジュールの長期安定性を確保するために、EN 50155を超える同等以上の厳しい試験条件を確立しています。
| テストの種類 | EN 50155: 2017 (参照元) | |
|---|---|---|
| 標準テストのレベル | MINMAX テスト レベル | |
| A. 供給のバリエーション Supply Variations |
EN 50155 13.4.3.2 / EN 50155 5.1.1.3 | |
| Test Voltage / Time: 1.4 VN / 0.1sec. Test Voltage / Time: 1.4 VN / 1sec |
Test Voltage / Time: 1.4 VN / 10min. Test Voltage / Time: 1.4 VN / 60min. Test Number: repeated 10 times |
|
| B. 一時的な供給の落ち込み Temporary supply dips |
N 50155 13.4.3.3 / EN 50155 5.1.1.3 | |
| Test Voltage / Time: 0.6 VN / 0.1sec. | Test Voltage / Time: 0.6 VN / 10min. Test Number: repeated 10 times |
|
| C. 供給の中断 Supply Interruptions |
EN 50155 13.4.3.4 / EN 50155 5.1.1.4 | |
| Class S1: 100% VN / 0mS Class S2: 100% VN / 10mS Class S3: 100% VN / 20mS |
Class S1: 100% VN / 0mS Class S2: 100% VN / 10mS* Class S3: 100% VN / 20mS Test Number: repeated 10 times |
|
| D. 供給切り替え Supply Change Over |
EN 50155 13.4.3.5 / EN 50155 5.1.3 | |
| Class C1: Dip 40% VN / 100mS Class C2: Interruptions 100% VN /30mS |
Class C1: Dip 40% VN / 100mS & 10min. Class C2: Interruptions 100% VN /30mS* Test Number: repeated 10 times |
|
*注: 上記の条件を満たすために追加のコンポーネントが必要な場合、詳細について MINMAX にお問い合わせください。
A. 供給のバリエーションSupply Variations
テストは、システムが定格電源電圧および指定された上限/下限内で適切に動作することを証明するために実施する必要があります。
定格電源電圧の 1.4 倍までの電圧を 0.1 秒以内に加えても、装置が異常なく機能的に動作する場合、性能基準 A に適合します。
定格電源電圧の 1.4 倍までの電圧を 1 秒以内に加えたときに、装置が異常なく機能的に動作する場合、性能基準 B に適合します。
B. 一時的な供給電圧の低下Temporary supply dips
電源の電圧低下は、主にDC配電システムの障害や急激な負荷変化によって引き起こされます。このテスト手法では、供給電圧を定格電圧の0.6倍（0.6Un）まで低下させ、0.1秒を超えない期間内に機能の逸脱が発生しないことを確認します。これらの条件下で装置が逸脱せず、機能的に動作し続ける場合、その装置は性能基準Aを満たします。
C. 電圧遮断Supply Interruptions
DC 配電回路で短絡が発生した場合、入力電圧は一時的に 0V に低下するか、低インピーダンス状態になる可能性があります。中断は3つのタイプに分類されます。
S1: 電圧遮断の場合、性能基準は必要ありません。ただし、S1 仕様を満たすために、コンバータは電圧遮断後も仕様どおりに動作し続ける必要があります。
S2: コンバータの機能に逸脱を引き起こすことなく電圧中断が 10 ミリ秒継続する場合、S2 仕様を満たします。
S3: コンバータの機能に異常を引き起こすことなく電圧中断が 20 ミリ秒継続する場合、S3 仕様を満たします。
D. 供給切り替えSupply Change Over
装置は以下の条件下でスムーズに動作できる必要があります。
コンバータの機能に逸脱を引き起こすことなく、定格電源電圧が 100 ミリ秒間で 0.6 Un まで低下した場合、性能基準 A を満たします。
コンバータの機能に逸脱を引き起こすことなく、定格電源電圧が 30 ミリ秒以内に 0V に低下した場合、性能基準 B を満たします。
EN 50155:2017 絶縁電圧および耐電圧試験
パワーモジュールの絶縁および耐力は、メーカーが考慮する必要がある重要な仕様の一つです。絶縁型電源モジュールを使用することで、物理的および電気的危害から人員を保護できるだけでなく、バックエンドの負荷機器やシステムを保護することが可能です。これは故障の拡大を防ぐ効果的な手段であり、安全性が最も重要視される鉄道用電子機器において重要な役割を果たしています。そのため、EN 50155には絶縁電圧試験が基本的な試験項目の1つとして含まれています。しかしながら、MINMAXは、製品の安全性能が顧客のより高度な要件にも適合していることを確認するために、さらに高度な社内テスト基準を採用しています。
MINMAX の鉄道認定パワーコンバータはすべて、強化された 2000VAC 絶縁/耐電圧テストに合格しています。このテストは、電源モジュールの沿面距離、空間距離、および絶縁レベルに関連する必要な設計を検証するためにも使用されます。前述の規格は、通常/単一故障状態での制限された漏れ電流に準拠しており、ノイズ、電磁干渉、電源バスの変動、感電、サージ電圧、過渡スパイク、絶縁破壊、機械的損傷などの危険から敏感なシステム回路を保護するのに役立ちます。これは鉄道運行中の火災、隙間、アーク、短絡といった状況からもシステムを保護します。
| テストの種類 | EN 50155: 2017 (参照元) | |
|---|---|---|
| 標準テストのレベル | MINMAX テスト レベル | |
| 隔離/ 耐電圧試験 |
EN 50155 13.4.9 | |
| Test Voltage / Time: 1500VAC / 60sec. | Test Voltage / Time: 2000VAC / 60sec. | |
図 4. MINMAX のすべての鉄道認定製品は、2000VAC を超える強化絶縁および耐電圧テストに合格しています。
EN 50155:2017 電磁両立性 (EMC) 試験
近代化の影響により、電車には多数の電子部品からなる電子機器が搭載されるようになりました。小型化・軽量化を追求する電子機器メーカーにとって、集積化は欠かせない能力となっています。特に限られたスペースでは、デバイスが干渉を受けにくいこと、または他の機器のパフォーマンスに影響を及ぼさないことを保証することが重要になります。
電磁両立性（EMC）は、EN 50155 認証の重要なカテゴリであり、MINMAXの鉄道認証DC-DC電源モジュールは、欧州連合規格EN 50121-3-2「鉄道アプリケーション – 電磁両立性 – パート 3-2: 車両への装置の統合」に準拠しています。この規格は、パワーモジュールの伝導妨害および放射妨害が指定された制限を超えてはならないことを示しています。さらに、モジュールは、一定レベルの自己保護機能を備え、外部放射線、サージ、静電気放電 (ESD)、および電気的高速過渡現象 (EFT) の影響を受けないようにする必要があります。
| EMC | テストの種類 | EN 50155: 2017 (Source of Reference) | |
|---|---|---|---|
| 標準テストのレベル | MINMAX テスト レベル | ||
| EMI | 伝導性放出 Conducted Emission |
EN 50155 13.4.8 / EN 50121-3-2, EN 55016-2-1 | |
| Frequency / level: 0.15-0.5MHz / 99 dBuV Frequency / level: 0.5-5MHz / 93 dBuV Frequency / level: 5-30MHz / 93 dBuV |
Frequency / level: 0.15-0.5MHz / 66 dBuV* Frequency / level: 0.5-5MHz / 60 dBuV* Frequency / level: 5-30MHz / 60 dBuV* |
||
| 放射性放射 放射エミッションRadiated Emission |
EN 50155 13.4.8/ EN 50121-3-2, EN 55016-2-1 | ||
| requency / level: 30-230MHz / 40 dB(uV/m) Frequency / level: 230-1000MHz / 47 dB(uV/m) Frequency / level: 30-230MHz / 40 dB(uV/m)* |
Frequency / level: 30-230MHz / 40dB(uV/m)* Frequency / level: 230-1000MHz / 47 dB(uV/m)* |
||
| EMS | ESDイミュニティ試験 ESD Immunity Test |
EN 50155 13.4.8 / EN 50121-3-2, EN 61000-4-2 | |
| Air Discharge: ±8KVDC Contact Discharge: ±6KVDC Indirect Discharge HCP & VCP: ±6KVDC |
Air Discharge: ±8KVDC Contact Discharge: ±6KVDC Indirect Discharge HCP & VCP: ±2/4/6KVDC |
||
| 無線周波数、電磁 フィールドイミュニティテストRadio-Frequency, Electromagnetic Field Immunity Test |
EN 50155 13.4.8 / EN 50121-3-2, EN 61000-4-3 | ||
| Frequency / Field: 80-1000MHz/20 V/m Frequency / Field: 1400-2000MHz/10 V/m Frequency / Field: 2000-2700MHz/5 V/m Frequency / Field: 5100-6000MHz/3 V/m |
Frequency / Field: 27-80MHz/20 V/m Frequency / Field: 80-1000MHz/20 V/m Frequency / Field: 1400-2000MHz/20 V/m Frequency / Field: 2000-2700MHz/10 V/m Frequency / Field: 2700-5000MHz/10 V/m Frequency / Field: 5100-6000MHz/10 V/m |
||
| 電気的に速い トランジェント/バースト免疫試験Electrical Fast Transient/Burst Immunity Test |
EN 50155 13.4.8 / EN 50121-3-2, EN 61000-4-4 | ||
| Line, Neutral, Line+Neutral: ±2KVDC | Line, Neutral, Line+Neutral: ±2KVDC* | ||
| サージ耐性試験 Surge Immunity Test |
EN 50155 13.4.8 / EN 50121-3-2, EN 61000-4-5 | ||
| Line to Line: ±1KVDC | Line to Line: ±2KVDC* | ||
| 無線周波数、伝導障害イミュニティ試験 Radio-Frequency, Conducted Disturbances Immunity Test |
EN 50155 13.4.8 / EN 50121-3-2, EN 61000-4-6 | ||
| Frequency : 0.15 to 80MHz Field: 10 Vrms |
Frequency : 0.15 to 80MHz Field: 10 Vrms |
||
| 電源周波数磁場免疫試験 Power Frequency Magnetic Field Immunity Test |
EN 61000-4-8 | ||
| Not Required | Frequency: 50Hz Field: 30/100/1000 A/m |
||
| 減衰振動磁場免疫試験 Damp Oscillatory Magnetic Field Immunity Test |
EN 61000-4-10 | ||
| Not Required | Frequency: 0.1 & 1 MHz Field: 30 A/m |
||
以上、「EN 50155 絶縁型 DC-DC パワーコンバータ: EN 50155 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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技術情報監修
- Whittaker Cheng 氏
- Field Application Engineer/MINMAX TECHNOOLOGY
Minmax社は台南(台湾)に本社を置くDC-DC ConverterとAC-DCパワーサプライメーカー。研究開発、生産から品質管理まで、すべてにおいて最先端のテクノロジーと厳格なチェックによる管理を行っておりユーザーから厚い信頼を得ています。欧州、北米、アジア地域において多数の実績がある業界の先進的企業です。
>>Minmax社のWEB SITEはコチラ
この記事を書いた人
- 高田 悠以(たかだ ひろい)
- 株式会社エスエムアイ 代表取締役
愛知県生まれ。名古屋外国語大学卒業後、シアトル留学を経て株式会社エスエムアイに入社。
医療用絶縁トランス、スイッチング電源、ACアダプター、DC-DCコンバーター等 電源製品の開発営業として勤務。日本のモノづくりを愛し、「お客様のお客様を満足させる事が真の顧客満足」をモットーに営業活動に従事。2018年に株式会社エスエムアイの代表取締役に就任。
