為何【電源轉換器】會需要遵守EN 50155鐵道認證? (上)

前言

鐵道文明發展至今已有兩百年的歷史，稱其是陸運史的動脈也不為過，更是各國在奠定現代化的重要基礎之一，而科技日新月異的進步，也帶動鐵道的列車速越來越快，相對地，對於乘客安全性的重視更是與日俱增。因此，鐵道的相關設備如何兼顧安全與效率，一直是各家設備商非常關注的議題。

鐵道的現代化伴隨著許多電子設備應運而生，如監控鐵道運行安全的感測系統、空調設備、照明設備、門控系統、鐵道通訊系統以及高靈敏度傳感器…等，而這些電子設備都是由鐵道上的蓄電池提供所需電力。

因鐵道長期處於震動狀態，所有電子設備長時間面臨電壓不穩定，再加上涉略大量安全性議題，因此所有鐵道電子設備必須適應不同的海拔、濕度、油氣、衝擊、震動、溫度和電性等惡劣環境，提供最佳化效能以滿足各種嚴苛的鐵道應用需求。

然而，車輛蓄電池系統通常位於列車的前方或後方，因此需要透過很長的電纜線傳遞電壓到電子設備或系統中，而在傳輸的過程中非常容易發生電磁干擾，包含附近的雷電和電源線的波動所造成的瞬態突波電壓。列車 蓄電池也須驅動啟動馬達、泵、壓縮機、驅動器、繼電器線圈、開關裝置、交流發電機、發電機、變壓器和其他高功率負載設備。上述這些原因，通常會造成不穩定、高波動、高雜訊的電源，它也可能會引起電擊和多餘的能量危害，像是瞬態突波電壓，機械損傷，點火，火災以及 PCB 電路板間產生的氣隙、電弧和接地回路的短路，使 電子設備或電子系統遭受到極大的衝擊而故障。 因此我們可以瞭解到，列車電子設備與電子系統是需要高性能、高絕緣（加強絕緣）、高堅固性和可靠性的鐵道直流對直流電源模組，也是讓列車長期穩定運行的必要條件。

根據上述要求，EN 50155即是歐洲針對鐵道用電子設備所制定的標準，多數國家都會選擇參考此法規，測試標準從輸入電壓規格、I/O隔離電壓、絕緣電壓、電磁兼容性(EMC)、機構……等多項測試，以及對於嚴苛環境的可靠度測試，像是工作溫度、冷卻、濕度、振動與衝擊測試。

MINMAX不僅提供合適的產品，像是客戶在開發過程中使用MINMAX產品所需的分析與驗證，或是依照客戶需求做特別設計，全面性的服務來贏得終端使用者的信任與支援。MINMAX竭誠為您服務，讓您的客戶也能密切的與您們合作。

圖1. MINMAX全系列鐵道認證產品皆通過EN 50155

EN 50155:2017 輸入電壓規格測試

鐵道一次側絕緣屏障直流電源架構中，所需要的24V, 28, 36V, 48V, 72V, 96V, 110V 直流輸入電壓，皆由鐵道蓄電池提供(Vn)。一般來說鐵道蓄電池中是沒有電壓穩定裝置的，因此 MINMAX 鐵道認證直流對直流電源模塊，在操作期間中，是必須承受鐵道蓄電池的以下三種情況：

• 0.7 Vn至1.25 Vn的電壓波動(請參閱下圖2)
• 電壓0.1秒跌落至0.6 Vn的幅度(請參閱下圖3)
• 蓄電池啟動過程中發生一秒的1.4 Vn突波電壓。(請參閱下圖3)

圖2. 直流供電電壓範圍

圖3. 暫時的直流供電電壓波動要求

從下方表格可知，MINMAX 鐵道認證 DC-DC 電源轉換器之電源測試項目包含輸入電壓範圍、欠電壓、瞬態變化及突波電壓等。相關測試主要依據 EN 50155 規範條件進行，以驗證電源模組於鐵道電子設備系統中的適用性、穩定性與長期運行可靠性。

測試項目	EN 50155 : 2017 參考條款/標準
	標準測試等級	MINMAX測試等級
A.供電電壓變化 Supply Variations	EN 50155 13.4.3.2 / EN 50155 5.1.1.3
	Test Voltage / Time: 0.7 VN / 10min. Test Voltage / Time: VN / 10min. Test Voltage / Time: 1.25 VN / 10min. Test Number: repeated 10 times	Same as Standard
B.供電電壓驟降 Temporary supply dips	EN 50155 13.4.3.3 / EN 50155 5.1.1.3
	Test Voltage / Time: 0.6 VN / 0.1sec. Test Number: repeated 10 times	Same as Standard
C.供電電壓中斷 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 Test Number: repeated 10 times	Same as Standard
D.供電電壓變換 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 Test Number: repeated 10 times	Same as Standard

*備註: 如需符合上述條件需外掛元件，請聯繫MINMAX獲得更多資訊。

A.供電電壓變化Supply Variations

應進行測試，證明在額定電源電壓以及指定的上/下限下必須正常運作：

B.供電電壓驟降Temporary supply dips

供電電壓驟降主要是由於直流配電系統故障，或負載突然大幅度變化引起的。測試方式應將供電電壓驟降至0.6Un，在不超過0.1秒下，不應該導致功能偏差，則設備滿足性能標準A。

C.供電電壓中斷Supply Interruptions

由於直流電源配電線路短路，輸入電壓可能會短時間降至0 V，或者是呈現低阻抗狀況，中斷則分為三類：

S1：在供電電壓中斷的情況下，不要求性能準則，但轉換器應在電壓中斷後繼續按規定運行，則符合S1規格。
S2：如供電電壓中斷長達10毫秒，轉換器的功能無偏差，則符合S2規格。
S3：如果供電電壓中斷長達20毫秒，轉換器的功能無偏差，則符合S3規格。

D.供電電壓變換Supply Change Over

設備應在以下條件皆能順利運行：

EN 50155:2017 隔離電壓與耐壓測試

MINMAX 通過鐵道認證的 DC-DC 轉換器系列，對於車載電氣設備的認證取得與可靠運行，扮演著相當重要的角色。

所有 MINMAX 鐵道認證系列皆採用 2000VAC 以上的隔離耐壓設計，並導入強化絕緣系統。此設計方式有助於確保電源模組在鐵道應用中符合所要求的爬電距離、電氣間隙與絕緣性能，同時也有助於滿足正常狀態及單一故障狀態下的漏電流限制要求。此外，亦能協助保護敏感電路，降低電氣雜訊、電磁干擾、電源母線波動、突波、瞬態電壓尖峰、絕緣失效、接地迴路、電弧等風險，避免因此導致設備損壞、起火或火災等問題。

測試項目	EN 50155 : 2017 參考條款/標準
	額定電池電壓及／或 I/O 電壓	測試電壓
絕緣／耐壓測試 Isolation / Withstanding Voltage Test	EN 50155 13.4.9
	VDC < 72VDC or 50VACrms	500VAC or 750VDC
	72VDC ≤ VDC < 125VDC or from 50 to 90VACrms	1000VAC or 1500VDC
	125VDC ≤ VDC < 315VDC or from 90 to 225VACrms	1500VAC or 2200VDC

圖4. MINMAX的鐵道認證產品皆通過加強絕緣2000VAC以上的隔離耐壓測試

EN 50155:2017 電磁兼容性(EMC)測試

在現代化的驅動下，列車上搭載的電子設備日益增加，而設備裡又有大量的電子元器件，在追求微小化及輕量化的訴求下，設計集成化已成為各家電子設備商不可或缺的本領，因此如何在狹小的空間下，去保證設備不受干擾或不去影響其他設備的能力，更顯得重要無比。

因此電磁兼容性(EMC)也是EN 50155認證中主要的測試類別。MINMAX 鐵道認證的直流對直流電源模塊皆參照歐盟 EN 50121-3-2 規範 「鐵路應用-電磁兼容性第3-2部分車輛設備」，此規範聲明，電源模組的傳導性與輻射性干擾不得超過規定值，並且不受外部的輻射、湧浪、 ESD、EFT 的影響，必須具備一定程度的自我保護能力。

EMC	測試項目	EN 50155 : 2017 參考條款 / 標準
		標準測試等級	MINMAX測試等級
EMI	傳導性干擾 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	Same as Standard
	輻射性干擾 Radiated Emission	EN 50155 13.4.8/ EN 50121-3-2, EN 55016-2-1
		Frequency / level: 30~230MHz / 40 dB(uV/m) Frequency / level: 230~1000MHz / 47 dB(uV/m)	Same as Standard
EMS	ESD 抗擾度測試 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	Same as Standard
	射頻,電磁場抗擾度測試 Radio-Frequency, Electromagnetic Field Immunity Test	EN 50155 13.4.8 / EN 50121-3-2, EN 61000-4-3
		Frequency range: 80 to 1000 MHz,  Field strength: 20 V/m, 80 % AM (1 kHz) Frequency range: 1400 to 2000 MHz,  Field strength: 10 V/m, 80 % AM (1 kHz) Frequency range: 2000 to 2700 MHz,  Field strength: 5 V/m, 80 % AM (1 kHz) Frequency range: 5100 to 6000 MHz, Field strength: 3 V/m, 80 % AM (1 kHz)	Same as Standard
	電子快速瞬變脈衝群 抗擾度測試 Electrical Fast Transient/Burst Immunity Test	EN 50155 13.4.8 / EN 50121-3-2, EN 61000-4-4
		Line, Neutral, Line+Neutral: ±2KVDC	Same as Standard
	浪湧(雷擊) 抗擾度測試 Surge Immunity Test	EN 50155 13.4.8 / EN 50121-3-2, EN 61000-4-5
		Line to Line: ±1KVDC	Line to Line: ±2KVDC*
	射頻場感應的傳導 騷擾抗擾度 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	Same as Standard
	電源頻率磁場抗擾度試驗 Power Frequency Magnetic Field Immunity Test	EN 61000-4-8
		Field: 3A/m @1 min	Field: 100A/m @Continuous Field: 1000A/m @1 sec