Relever les défis de l'alimentation des équipements ferroviaires avec des convertisseurs DC-DC modulaires à large plage de tension d’entrée

Les convertisseurs DC-DC utilisés dans les applications ferroviaires embarquées doivent répondre à des spécifications exigeantes en matière d'alimentation électrique et d'environnement.

L'adoption généralisée du système européen de contrôle des trains (ETCS), au cœur du système européen de gestion du trafic ferroviaire (ERTMS), impose de nouvelles exigences plus strictes aux dispositifs de conversion de puissance. Dans cet article, Christian Jonglas, de GAIA Converter, examine comment les dernières architectures de puissance DC-DC peuvent répondre aux besoins d'une infrastructure ferroviaire qui évolue rapidement.

Il existe une demande de nouveaux investissements significatifs dans le matériel roulant ferroviaire, tant pour les nouveaux développements que pour la modernisation des actifs existants [1]. Cela répond à la nécessité de réduire l'empreinte carbone tout en augmentant la sécurité, la capacité et l'interopérabilité du matériel roulant au-delà des frontières. En Europe, par exemple, la transition en cours vers un système européen unique de signalisation et de contrôle de la vitesse - le système européen de gestion du trafic ferroviaire (ERTMS) - contribue à maximiser l'interopérabilité des systèmes ferroviaires et à accroître la vitesse, la capacité et la sécurité du transport ferroviaire.

Selon les analystes de Research and Markets [2], le marché ferroviaire mondial, qui comprend le transport de passagers et de marchandises, passera d'environ 500 milliards de dollars en 2022 à environ 846 milliards de dollars en 2030. L'électrification des réseaux est l'un des domaines d'expansion, reflétant l'abandon général des énergies fossiles. Dans le même temps, la surveillance à distance de l’état des réseaux, l'automatisation et les communications sont intégrées. Par exemple, le système européen de contrôle des trains (ETCS) , un système de protection automatique des trains (ATP) qui remplace les systèmes ATP nationaux existants, supervise en permanence le mouvement des trains afin de maximiser la sécurité. En outre, les passagers attendent davantage d'équipements, tels que l'info-divertissement et la connectivité sans fil.

L'investissement dans les réseaux ferroviaires sera encore stimulé par le "Future Railway Mobile Communications System" (FRMCS). Cette norme pour les communications numériques remplacera le système GSM-R existant, qui connaît un grand succès, puisque plus de 200 000 km de voies seront exploités grâce à cette norme. Toutefois, le support au GSM-R devrait prendre fin en 2030, ce qui a entraîné le développement rapide du FRMCS, dont l'objectif est de devenir la norme mondiale.

Dans tous les contextes ferroviaires, qu'il s'agisse de transport de passagers ou de marchandises, sur ou sous terre, un équipement de conversion de l'énergie est nécessaire pour ces fonctions auxiliaires, qui sont souvent critiques en termes de sécurité, de sorte que l'équipement doit fonctionner de manière fiable dans un environnement hostile.

Le défi de l'équipement de conversion d'énergie ferroviaire
Historiquement, le matériel roulant sur les différents réseaux exploite plusieurs valeurs nominales de tension de batterie pour les équipements auxiliaires, de 24 à 110 VDC, avec des variations et des tolérances qui dépendent également de la géographie. La norme européenne EN 50155 est couramment utilisée, ainsi que la norme française NF-F 01-510, qui présente quelques variations, tandis que des normes plus anciennes telles que la RIA12, originaire du Royaume-Uni, continuent d'exister. Aux États-Unis, les tolérances sur les rails 24V et 72V sont encore différentes. La figure 1 montre une sélection de tensions nominales observées, leurs tolérances statiques, les baisse de tension et les surtensions.


Figure 1 : Diverses tensions nominales de rail, tensions basse et surtensions.

Une spécification difficile à respecter est l'exigence de la norme RIA12 de supporter 3,5 fois la tension nominale, ou 385 V dans les systèmes 110 VDC pendant 20 ms, à partir d'une impédance de source relativement faible de 0,2 ohms. Une varistance ou un Transorb ne peut pas résister à cette surtension en raison de l'énergie qui devrait être dissipée. Il faut donc être abaissée cette surtension dans la plage de tension de fonctionnement normale de l'équipement. Outre les surtensions à haute énergie énumérées, il existe des perturbations rapides, à haute tension, mais à faible énergie, telles que définies dans la norme de compatibilité électromagnétique ferroviaire EN 50121-3-2, qui appelle la série de normes de la directive CEM, IEC 61000-4. Par exemple, une tension de +/-2kV avec une forme d'onde de temps de montée/descente de 5/50ns avec un taux de répétition de 5kHz et qui doit être supportée sans interruption de fonctionnement ni dommage.

Selon la norme EN 50155, des interruptions complètes de l'alimentation peuvent se produire , classées S1, S2 et S3, les plus graves, avec une perte d'alimentation de 20 ms et aucune dégradation des performances autorisée. Ces interruptions sont supposées être causées par des courts-circuits momentanés sur l'alimentation, de sorte que tout convertisseur de puissance doit avoir une protection pour éviter le flux de courant d'entrée inverse. Il peut également être exigé que l'équipement continue sans interruption dans des conditions de "changement d'alimentation", par exemple, entre des sources d'alimentation redondantes, lorsque l'alimentation est momentanément en circuit ouvert. Dans ce cas, deux classes sont définies : C1, une interruption de 100 ms à partir de 60% de la tension nominale sans effet, et C2, une interruption de 30 ms à partir de la tension nominale avec une certaine dégradation des performances autorisée.

Des exigences s'appliquent également aux émissions RF rayonnées et conduites, identifiées dans la norme EN 50121-3, -4, et -5.
Les différents niveaux d'immunité et de réponse autorisée des équipements aux surtensions, aux transitoires, aux sous-tensions et aux interruptions sont spécifiques à la fonction de l'équipement final. Ils seront différents pour l'info-divertissement par rapport à la signalisation critique pour la sécurité, par exemple.

L'environnement mécanique est également sévère
Le matériel roulant présente différents environnements où des équipements électriques peuvent être installés. Ces emplacements sont classés de la classe 1, la plus bénigne, généralement dans les compartiments passagers, à la classe 7, qui peut être montée sur les essieux et subir des niveaux élevés de chocs, de vibrations, d'humidité et de pollution par la saleté, la poussière de frein, les carburants et les fluides en général.
Heureusement, la plupart des équipements électroniques auxiliaires nécessitant des convertisseurs de puissance DC-DC sont montés à l'intérieur, principalement dans des emplacements de classe 1 à 3 protégés contre les intempéries. Il s'agit des degrés de pollution (PD) 2 et 3 selon la norme EN 50124-1 et de la catégorie 1B pour les vibrations et les chocs selon la norme EN 61373. En outre, il existe des classes de température de l'air ambiant pour les équipements, de OT1, de -25°C à +55°C jusqu'à OT6 de -40°C à +85°C. Des changements rapides de température peuvent également se produire, par exemple, lors du passage dans les tunnels, le pire pouvant être de +/-3°C par seconde.

Bien entendu, en plus de répondre aux spécifications électriques et environnementales exigeantes, les convertisseurs de puissance utilisés dans les applications ferroviaires doivent être fiables et avoir une longue durée de vie afin de garantir le coût le plus bas possible et un temps d'immobilisation minimal. Une garantie de continuité de l'approvisionnement pendant plus de dix ans est également essentielle.

Choix de convertisseurs pour les applications ferroviaires
Compte tenu des spécifications typiques des rails, les produits commerciaux "standard" constituent rarement une bonne solution. Bien que les produits commerciaux "standard" puissent répondre à certains paramètres de performance, ils n'ont généralement aucune garantie de support à long terme et plusieurs pièces sont nécessaires pour diverses applications ferroviaires. De nombreux produits disponibles ont également un degré d'isolation limité - peut-être seulement fonctionnel, alors que des niveaux supérieurs, « basic » ou « renforcés », sont souvent nécessaires. Les produits commerciaux "standard" nécessiteront aussi généralement des composants additionnels pour répondre aux spécifications de CEM et de variation d'alimentation, consommant de l'espace et augmentant les coûts des composants et de l'assemblage.

Les difficultés rencontrées pour répondre à une spécification générale des convertisseurs DC-DC pour l'application varient en fonction du niveau de puissance concerné ; les filtres CEM sont plus grands et plus complexes à mesure que la puissance augmente, les condensateurs de maintien pendant les sous-tension et les interruptions sont plus gros et l'obtention d'une large plage d'entrée est plus difficile à une puissance plus élevée, les convertisseurs devant résister à un courant élevé à de faibles tensions d'entrée. Dans le même temps, les composants doivent être conçus pour la tension d'entrée la plus élevée, ce qui oblige à faire des compromis en termes de coût et d'efficacité. En conséquence, les convertisseurs DC-DC présentant une large plage d'entrée, une CEM et des performances environnementales idéales n'étaient disponibles qu'à très faible puissance ou étaient encombrants et inefficaces à des niveaux de puissance plus élevés.

Des convertisseurs DC-DC optimisés pour le rail sont désormais disponibles.
Des produits récents [3] utilisant des topologies de conversion innovantes et élégantes ont permis d'augmenter la puissance nominale des convertisseurs DC-DC montés sur carte, tout en conservant un format très compact et en respectant les spécifications ferroviaires avec un rendement élevé. Par exemple, 80W dans un boîtier de seulement 50 x 44 x 12,9mm, (Figure 2), avec une gamme d'entrée ultra large de 12VDC à 160VDC/176VDC crête (60W nominal en dessous de 36VDC d'entrée) avec une isolation renforcée. Comme on peut le voir sur la figure 1, cette plage d'entrée couvre toutes les tolérances statiques d'entrée normales de 24VDC à 110VDC nominaux, ainsi que les transitoires d'une seconde définis dans les normes EN 50155 et RIA12 à 154VDC et 165VDC, respectivement. Le transitoire de 100 ms à 176 VDC défini dans la norme NF-F 01-510 est également couvert. À l'extrémité inférieure de la plage de tension d’entrée, les baisses de tension de 100 ms dans toutes les normes à 12 VDC minimum sont également dans la gamme du convertisseur. Ce produit particulier a une température nominale de fonctionnement de -40°C à +105°C, ce qui convient à toute application ferroviaire, et est enrobé pour résister à des conditions environnementales difficiles. Le MTBF et la durée de vie cités sont très élevés (typiquement au-dessus de 1000 khrs selon Mil HDBK 217F GB où le chiffre habituel est plus généralement de 300 à 500 khrs pour la même condition standard), aidés par la boucle de régulation à rétroaction magnétique, évitant les optocoupleurs et leurs problèmes de dégradation à long terme.


Figure 2 : Un convertisseur DC-DC 80W optimisé pour le ferroviaire avec une plage d'entrée continue de 12VDC à 160VDC.

Les modules « input bus conditioners » gèrent les surtensions plus élevées et apportent d'autres avantages
La conformité avec les surtensions élevées à 3,5 fois la valeur nominale selon la norme RIA12 n'est pas toujours requise dans les applications ferroviaires. Elle est donc mieux gérée par un étage de "pré-conditionnement" optionnel [4] qui régulera généralement la tension jusqu'à moins de 160 VDC. L'étage est proposé sous la forme d'un module par le même fournisseur correspondant à ses convertisseurs DC-DC de 80W, 40W et 20W, avec une protection intégrée contre les inversions de polarité et de courant, avec un filtrage pour l'immunité aux transitoires rapides de l'alimentation et aux émissions conduites générées par le convertisseur DC-DC. Le module dispose également d'un dispositif original dans lequel un petit convertisseur survolteur maintient un condensateur à une tension élevée constante, quel que soit la tension du bus d'entrée, jusqu'à 12 VDC. En cas d'interruption de l'alimentation, le condensateur est commuté sur l'entrée du convertisseur DC-D en aval pour assurer le maintien de l'alimentation. Comme l'énergie est stockée à haute tension et que le condensateur peut se décharger jusqu'à 12 VDC avant que le convertisseur CC-CC ne s’arrête, seul un condensateur relativement petit connecté en externe est nécessaire pour répondre à la spécification d'interruption de 20 ms de la norme EN 50155 Classe S3. Le module mesure 48,5 x 40,7 x 12,7 mm. Il comprend une fonction marche arrêt, un indicateur d’interruption de bus, un démarrage progressif, un arrêt en cas de surchauffe et un circuit de protection contre les surcharges.
La figure 3 en donne un aperçu.


Figure 3 : Schéma du circuit de « l ’input bus conditioner » pour répondre aux spécifications ferroviaires, disponible sous forme de module.

une solution sûre
L'utilisation de l'approche modulaire pour la conversion DC-DC sur les applications ferroviaires avec une un « input bus conditionner » en option est une solution performante, compacte, polyvalente et sûre pour répondre aux normes actuelles, avec une seule pièce couvrant plusieurs applications de gamme d'entrée, ce qui réduit les coûts d'approvisionnement et de stockage. Lorsqu'ils s'approvisionnent auprès d'un fabricant ayant des années d'expérience dans les produits de conversion de puissance à haute fiabilité et s'engageant à assurer la continuité de l'approvisionnement, les concepteurs de systèmes peuvent être sûrs d'avoir un produit avec un faible coût total de possession.

www.gaia-converter.com

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