Cette transformation est particulièrement visible dans la cabine de conduite, où les écrans ont remplacé les jauges analogiques et les voyants d'alerte, 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 dispositifs, 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 constructeurs recherchent des solutions uniformes permettant de réduire les coûts de développement et le nombre de variantes d'alimentation. L'enjeu est de disposer de modules facilement adaptables aux différentes exigences de tension et de puissance de chaque application, sans avoir à repenser l'ensemble de l'électronique.
La nouvelle gamme de convertisseurs DC/DC QBE 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 performantes, adaptables et évolutives à différentes applications par simple remplacement du module et modification de quelques composants externes.
Dans un cas précis, un client souhaitait repenser l'unité de commande centrale des portes d'un train afin d'intégrer de nouvelles fonctions de sécurité, notamment l'ASDO (ouverture sélective automatique des portes), un système d'ouverture sélective automatique des portes 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 35 W de puissance de sortie.
Les pertes du convertisseur sont les suivantes :
La chaleur générée est dissipée dans le système par la surface du module et un dissipateur thermique additionnel.
Le nouveau module QBE75W de P-DUKE, 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 % sous une charge de 70 W, avec des pertes de seulement 6,9 W.
Bien que la puissance de sortie ait doublé, les pertes n'ont augmenté que de 20 % (1,2 W).
Grâce à la conception thermique améliorée du module, la majeure partie de la chaleur est transférée par la carte mère vers le châssis métallique de l'unité, réduisant ainsi les contraintes thermiques sur les autres composants électroniques.
La famille QBE est disponible avec différentes plages de tension d'entrée :
• 24 V (9-36 V)
• 48 V (18-75 V)
• 110 V (40-160 V)
Ces plages permettent de couvrir les principales tensions utilisées dans les applications ferroviaires, y compris les baisses de tension et les situations transitoires.
Pourquoi ne pas utiliser un module unique 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'un rendement optimal sur toute la plage de fonctionnement, car tous les composants doivent supporter à la fois les courants élevés présents à basse tension 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 standardisée n'est pas idéale pour optimiser la densité de puissance et l'efficacité, car la plupart des systèmes ferroviaires sont mis en service et configurés pour une application ferroviaire spécifique, où la tension d'alimentation reste constante. Ceci permet d'optimiser les composants externes, tels que les filtres EMI, les fusibles et les connecteurs, pour chaque train. Il suffit donc de concevoir le circuit imprimé pour supporter les courants maximaux prévus et les différentes variantes de composants.
Comme c'est le cas pour la quasi-totalité des cartes CPU actuelles, celle utilisée dans le système de commande d'ouverture des portes intègre un VRM (module régulateur de tension) qui génère les basses tensions nécessaires au microprocesseur à partir du bus 12 V, tandis que les tensions restantes, nécessaires à la mémoire et aux interfaces, sont générées 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 les systèmes d'ouverture de porte électrique nécessitant 24 V/95 W, le client peut remplacer le module demi-brique précédemment utilisé par le nouveau QBE100W. Ce module, au format quart de brique, est 40 % plus compact et offre un rendement supérieur 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 (CEM) et une conception de circuit imprimé identiques pour les versions 75 W et 100 W. Grâce à cette conception, la solution 100 W a pu être développée en quelques heures seulement, au lieu de plusieurs semaines ou mois, sans nécessiter de tests supplémentaires approfondis ni de procédures d'homologation coûteuses.
Si une application requiert une tension de sortie différente, il suffit de remplacer le module par un autre modèle de la même gamme et d'ajuster quelques composants externes.
Diagramme fonctionnel
Produits
