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

從下方表格可得知 MINMAX 鐵道認證直流對直流電源轉換器的電源測試包含輸入電壓範圍、欠電壓、瞬態變化、 突波電壓等，而MINMAX的測試更是站在EN 50155之下，訂定出對等或更加嚴格的測試條件，以確保電源模組在鐵道電子設備系統中長期運行的穩定性

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: 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.供電電壓驟降 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	Class S1: 100% VN / 0mS Class S2: 100% VN / 10mS* Class S3: 100% VN / 20mS Test Number: repeated 10 times
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	Class C1: Dip 40% VN / 100mS & 10min. Class C2: Interruptions 100% VN /30mS* Test Number: repeated 10 times

*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

電源模組的隔離耐壓能力是各家製造商必須考量進去的重要規格，因為使用隔離型電源模組可以保護人員避免受到物理與電氣傷害，也能保護後端負載設備與系統，是防止故障擴大的有效方法，在極度重視安全的鐵道電子設備中，扮演至關重要的角色。因此EN 50155也將隔離耐壓的測試列為基礎測項之一，但MINMAX內部則採用更高測試的標準，確保產品的安全性能滿足客戶更高的要求。

MINMAX的鐵道認證電源轉換器皆通過加強絕緣的 2000VAC 隔離/耐壓測試，也用來驗證電源模組要求的設計爬電距離、空氣間隙和絕緣水平。上述標準符合正常/單一故障條件下的有限洩漏電流，並用來保護敏感的系統電路在鐵道運行中免受噪聲、電磁干擾、電源母線波動、電擊、突波電壓、暫態尖峰電壓、絕緣擊穿、機械損壞、火災、 氣隙、電弧和短路…等危害。

測試項目	EN 50155 : 2017參考條款/標準
	標準測試等級	MINMAX測試等級
隔離耐受電壓測試 Isolation / Withstand Voltage Test	EN 50155 13.4.9
	Test Voltage / Time: 1500VAC / 60sec.	Test Voltage / Time: 2000VAC / 60sec.

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	Frequency / level: 0.15~0.5MHz / 66 dBuV* Frequency / level: 0.5~5MHz / 60 dBuV* Frequency / level: 5~30MHz / 60 dBuV*
	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) 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 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	Air Discharge: ±8KVDC Contact Discharge: ±6KVDC Indirect Discharge HCP & VCP: ±2/4/6KVDC
	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 / 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	Line, Neutral, Line+Neutral: ±2KVDC*
	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	Frequency : 0.15 to 80MHz Field: 10 Vrms
	電源頻率磁場抗擾度試驗 Power Frequency Magnetic Field Immunity Test	EN 61000-4-8
		No Needed	Frequency: 50Hz Field: 30/100/1000 A/m
	阻尼振盪磁場抗擾度測試 Damp Oscillatory Magnetic Field Immunity Test	EN 61000-4-10
		No Needed	Frequency: 0.1 & 1 MHz Field: 30 A/m