Soluciones de potencia escalables para aplicaciones ferroviarias

Autor: Departamento Técnico de P-DUKE

Traducción: Departamento de Marketing de Electrónica OLFER

Aunque el diseño externo de los trenes apenas ha cambiado con el paso de los años, su interior vive una evolución constante. La electrificación y la incorporación de nuevas tecnologías avanzan rápidamente para mejorar la seguridad, la fiabilidad y la operatividad. Cada vez más elementos mecánicos se sustituyen por dispositivos electrónicos más económicos y menos propensos a fallos; los sistemas de monitorización permiten supervisar todas las funciones del tren y la comunicación con el centro de control se amplía de forma continua.

Esta transformación es especialmente visible en las cabinas de conducción, donde los monitores han sustituido los indicadores analógicos o luces de aviso y se utilizan menos interruptores y palancas. Incluso en las zonas menos visibles se emplea un gran número de ordenadores, sistemas GPS, unidades de comunicación GSM y sistemas de bus para procesar las numerosas señales de control distribuidas lo largo de todo el tren.

Uno de los mayores retos en el aumento de la electrificación es el espacio disponible. El diseño mecánico de un tren no se puede modificar fácilmente y los dispositivos con más funcionalidades y mayores requisitos de potencia deben encajar en el espacio definido por el sistema anterior. Para las fuentes de alimentación y convertidores CC/CC, esto implica la necesidad de conseguir una densidad de potencia y una eficiencia significativamente superiores.

Es por ello que los fabricantes buscan soluciones uniformes que reduzcan costes de desarrollo y minimicen el número de variantes de potencia. La clave es disponer de módulos que puedan adaptarse fácilmente a los diferentes requisitos de tensión y potencia de cada aplicación, sin rediseñar toda la electrónica.

La nueva familia QBE de convertidores CC/CC de P-DUKE, en formato estándar quarter-brick (57,9 x 36,8 mm o 2,28 x 1,45 pulgadas) permite a los clientes diseñar soluciones más compactas y potentes que pueden adaptarse y escalarse a diferentes aplicaciones simplemente sustituyendo el módulo y modificando algunos componentes externos.

En un caso en concreto, un cliente quería rediseñar una unidad central de control de puertas de un tren para incorporar nuevas funciones de seguridad, entre ellas ASDO (Automatic Selective Door Opening), un sistema de apertura selectiva automática de puertas que utiliza información GPS. Como consecuencia de estas nuevas funcionalidades, los requisitos de potencia se duplicaron, pasando de 12V/35W a 12V/70W. Además, el cliente quería reducir los costes de desarrollo utilizando el mismo diseño de alimentación para un circuito de apertura de puertas que requería 24V/95W.

El sistema anterior utilizaba un convertidor de 40W, con un formato de 2 x 1 pulgadas y una eficiencia del 86% a 35W de potencia de salida.

Las pérdidas en el convertidor son:

El calor generado se disipaba hacia el sistema a través de la superficie del módulo y de un disipador térmico adicional.

El nuevo módulo QBE75W de P‑DUKE, diseñado para trabajar bajo las exigentes condiciones ambientales propias de aplicaciones ferroviarias, utiliza tecnologías avanzadas de conversión de potencia y alcanza una eficiencia del 91% con una carga de 70W, generando unas pérdidas de tan solo 6,9W.

Aunque la potencia se duplicó, las pérdidas solo aumentaron un 20% (1,2W).

Gracias al diseño térmico mejorado de este módulo, la mayor parte del calor puede transferirse a través de la placa base hacia el chasis metálico del equipo, reduciendo así el estrés térmico sobre el resto de los componentes electrónicos.

La familia QBE está disponible con diferentes rangos de tensión de entrada:

• 24V (9-36V)
• 48V (18-75V)
• 110V (40-160V)

Estos rangos permiten cubrir las principales tensiones utilizadas en aplicaciones ferroviarias, incluyendo situaciones de caídas de tensión (brownouts) y transitorios.

¿Por qué no utilizar un único módulo capaz de cubrir todo el rango de tensiones?

Un diseño con un rango de entrada de 8:1 o 12:1 dificulta mantener una eficiencia óptima en todo el rango de funcionamiento, ya que todos los componentes deben soportar tanto las elevadas corrientes presentes con tensiones de entrada bajas como las mayores tensiones de funcionamiento cuando la tensión de entrada es elevada.

La corriente de entrada se calcula mediante la siguiente fórmula:

Este gráfico muestra las diferentes corrientes de entrada para distintas tensiones de funcionamiento, con una eficiencia del 91% y una potencia de salida de 70W.

Es evidente que un diseño “one size fits all” no es ideal cuando se busca la máxima densidad de potencia y eficiencia ya que la mayoría de los sistemas ferroviarios se encargan y configuran para una aplicación específica del tren, donde la tensión de alimentación nunca cambia. Esto permite optimizar componentes externos como filtros EMI, fusibles y conectores específicamente para cada tren. De este modo, únicamente es necesario diseñar la PCB para soportar las corrientes máximas previstas y las diferentes variantes de componentes.

Como ocurre en prácticamente todas las placas con CPU actualmente, la utilizada en el sistema de control de apertura de puertas incorpora un VRM (voltage regulator module) que genera las tensiones bajas requeridas para el microprocesador a partir del bus de 12V, mientras que el resto de las tensiones necesarias para memorias e interfaces se generan mediante convertidores CC/CC de menor potencia. Debido a los elevados requisitos de aislamiento de las interfaces se seleccionó un módulo P‑DUKE con 3000Vcc de aislamiento.

Para el sistema eléctrico de apertura de puertas que requiere 24V/95W, el cliente puede sustituir el módulo half brick utilizado anteriormente por el nuevo QBE100W, que cuenta con un formato quarter brick, un 40% más compacto y un incremento del 4% en eficiencia, reduciendo así las pérdidas en un 33%.

La familia QBE ofrece tensiones de salida desde 3,3V hasta 54V, con idéntico comportamiento eléctrico, EMI y diseño de PCB en las versiones 75W y 100W. Esto permitió completar el diseño de la solución de 100W en cuestión de horas, en lugar de semanas o meses, sin necesidad de realizar extensas pruebas adicionales o costosos procesos de homologación.

¿Y si una aplicación requiere una tensión de salida diferente? Basta con sustituir el módulo por otro modelo de la misma familia y ajustar unos pocos componentes externos.

Diagrama de bloques

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Control Central de Puertas

Apertura de puertas