Solutions d'alimentation évolutives pour applications ferroviaires

Auteur : Département technique P-DUKE

Traduction : Département Marketing Electronique OLFER

Bien que le design extérieur des trains ait peu évolué au fil des ans, leur aménagement intérieur est en constante évolution. L'électrification et l'intégration de nouvelles technologies progressent rapidement afin d'améliorer la sécurité, la fiabilité et la facilité d'utilisation. De plus en plus, les composants mécaniques sont remplacés par des dispositifs électroniques plus économiques et moins sujets aux pannes ; les systèmes de surveillance permettent de contrôler toutes les fonctions du train et la communication avec le centre de contrôle est en perpétuelle expansion.

Cette transformation est particulièrement visible dans les cabines de conduite, où les écrans ont remplacé les indicateurs analogiques et les voyants lumineux, et où le nombre d'interrupteurs et de leviers a diminué. Même dans les zones moins visibles, de nombreux ordinateurs, systèmes GPS, unités de communication GSM et systèmes de bus sont utilisés pour traiter les multiples signaux de commande distribués dans tout le train.

L'un des principaux défis de l'électrification croissante réside dans l'espace disponible. La conception mécanique d'un train ne peut être facilement modifiée, et les équipements, plus performants et plus gourmands en énergie, doivent s'intégrer dans l'espace défini par le système existant. Pour les alimentations et les convertisseurs CC/CC, cela implique une densité de puissance et un rendement nettement supérieurs.

C’est pourquoi les fabricants recherchent des solutions uniformes qui réduisent les coûts de développement et minimisent le nombre de variantes de puissance. L’enjeu est de disposer de modules facilement adaptables aux différentes exigences de tension et de puissance de chaque application, sans avoir à repenser toute l’électronique.

La nouvelle famille QBE de convertisseurs DC/DC de P-DUKE, au format standard quart de brique (57,9 x 36,8 mm ou 2,28 x 1,45 pouces), permet aux clients de concevoir des solutions plus compactes et plus puissantes qui peuvent être adaptées et mises à l'échelle à différentes applications simplement en remplaçant le module et en modifiant certains composants externes.

Dans un cas précis, un client souhaitait repenser le boîtier de commande des portes d'un train afin d'y intégrer de nouvelles fonctionnalités de sécurité, notamment l'ASDO (ouverture sélective automatique des portes), un système d'ouverture sélective automatique utilisant les données GPS. Ces nouvelles fonctionnalités ont entraîné un doublement de la consommation électrique, passant de 12 V/35 W à 12 V/70 W. Par ailleurs, le client souhaitait réduire les coûts de développement en utilisant la même alimentation pour un circuit d'ouverture de porte nécessitant 24 V/95 W.

Le système précédent utilisait un convertisseur de 40 W, au format 2 x 1 pouce, avec un rendement de 86 % à une puissance de sortie de 35 W.

Les pertes dans le convertisseur sont les suivantes :

La chaleur générée était dissipée dans le système à travers la surface du module et un dissipateur thermique supplémentaire.

Le nouveau module P-DUKE QBE75W, conçu pour fonctionner dans les conditions environnementales exigeantes des applications ferroviaires, utilise des technologies de conversion de puissance avancées et atteint un rendement de 91 % avec une charge de 70 W, générant des pertes de seulement 6,9 W.

Bien que la puissance ait doublé, les pertes n'ont augmenté que de 20 % (1,2 W).

Grâce à la conception thermique améliorée de ce module, la majeure partie de la chaleur peut être transférée par la carte mère au châssis métallique de l'appareil, réduisant ainsi les contraintes thermiques sur le reste des composants électroniques.

La gamme QBE est disponible avec différentes plages de tension d'entrée :

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

Ces gammes permettent de couvrir les principales tensions utilisées dans les applications ferroviaires, y compris les baisses de tension et les transitoires.

Pourquoi ne pas utiliser un seul module capable de couvrir toute la plage de tension ?

Une conception avec un rapport d'entrée de 8:1 ou 12:1 rend difficile le maintien d'une efficacité optimale sur toute la plage de fonctionnement, car tous les composants doivent supporter à la fois les courants élevés présents avec de faibles tensions d'entrée et les tensions de fonctionnement plus élevées lorsque la tension d'entrée est élevée.

Le courant d'entrée est calculé à l'aide de la formule suivante :

Ce graphique illustre les différents courants d'entrée pour différentes tensions de fonctionnement, avec un rendement de 91 % et une puissance de sortie de 70 W.

Il est clair qu'une conception « universelle » n'est pas idéale pour optimiser la densité de puissance et l'efficacité, car la plupart des systèmes ferroviaires sont conçus et configurés pour une application ferroviaire spécifique, où la tension d'alimentation reste constante. Cela permet d'optimiser les composants externes tels que… Filtres EMI, fusibles et connecteurs Spécifiquement pour chaque train. De cette façon, il suffit de concevoir le circuit imprimé pour supporter les courants maximaux prévus et les différentes variantes de composants.

Comme la quasi-totalité des cartes CPU actuelles, celle utilisée dans le système de commande d'ouverture de porte intègre un régulateur de tension (VRM) qui génère les basses tensions nécessaires au microprocesseur à partir du bus 12 V, tandis que les tensions restantes, requises pour la mémoire et les interfaces, sont produites par des convertisseurs CC/CC de faible puissance. Compte tenu des exigences élevées d'isolation des interfaces, un module P-DUKE avec une isolation de 3 000 V CC a été sélectionné.

Pour le système d'ouverture de porte électrique nécessitant 24 V/95 W, le client peut remplacer le module demi-brique précédemment utilisé par le nouveau QBE100W, qui a un format quart de brique, est 40 % plus compact et a une efficacité accrue de 4 %, réduisant ainsi les pertes de 33 %.

La gamme QBE propose des tensions de sortie de 3,3 V à 54 V, avec un comportement électrique, une compatibilité électromagnétique et une conception de circuit imprimé identiques pour les versions 75 W et 100 W. Grâce à cela, la solution 100 W a pu être conçue en quelques heures seulement, au lieu de plusieurs semaines ou mois, sans nécessiter de tests supplémentaires approfondis ni de procédures de certification coûteuses.

Que faire si une application nécessite une tension de sortie différente ? Il suffit de remplacer le module par un autre modèle de la même famille et d’ajuster quelques composants externes.

Diagramme de blocs

Produits

Contrôle centralisé des portes

Ouverture des portes