Alimentation auxiliaire du matériel roulant ferroviaire : petits transformateurs à isolation renforcée sous EN 50155

Cet article s'adresse aux ingénieurs alimentation, magnétiques et achats qui travaillent sur les équipements électroniques embarqués du matériel roulant ferroviaire (rolling stock). À l'intérieur de votre équipement embarqué se trouve généralement un petit transformateur d'alimentation auxiliaire (auxiliary power), alimenté depuis le bus batterie et qui fournit les charges basse tension de commande et de communication — et qui doit assurer l'isolation à travers la barrière haute tension dans l'environnement sévère défini par EN 50155. En partant de l'application finale, cet article montre que l'isolation renforcée (reinforced insulation) de ce petit transformateur suit la voie de l'IEC 62368-1 Annex J, que le parcours de certification existe bel et bien, et clarifie le partage des rôles entre « document d'approbation du fil » et « qualification de l'équipement ». Toutes les valeurs des produits DAH JIN TECHNOLOGY sont données « selon le document d'approbation ».

1. EN 50155 : le seuil environnemental des équipements électroniques embarqués

EN 50155 est la norme de référence des équipements électroniques utilisés sur le matériel roulant ferroviaire (identique à IEC 60571). Elle fixe les conditions au niveau de l'équipement : température, humidité, chocs, vibrations, tension d'alimentation et compatibilité électromagnétique (CEM). Ce n'est pas une norme de composant, mais la qualification de l'équipement complet — « l'équipement survit-il et fonctionne-t-il correctement à bord ». Les points essentiels :

• Température : EN 50155 définit plusieurs classes de température de fonctionnement ; selon la classe et l'édition, elles couvrent grosso modo la plage de −40°C à +70/+85°C, tandis que la température réelle à l'intérieur du boîtier, près de l'étage de puissance, est souvent plus élevée.
• Chocs et vibrations : les essais mécaniques sont réalisés selon EN 61373.
• CEM : l'émission et l'immunité des équipements embarqués relèvent de EN 50121 (-3-2).
• Interruptions d'alimentation : la classe S2, par exemple, exige de franchir une coupure d'au moins 10 ms.

Attention au partage des périmètres : les convertisseurs de puissance complets (convertisseurs de traction/de puissance) relèvent séparément de EN 61287-1, le logiciel de EN 50657 et la sécurité fonctionnelle de EN 50129. Le « petit transformateur d'alimentation auxiliaire » traité ici est l'étage d'isolation basse tension à l'intérieur de l'équipement embarqué, et non le convertisseur de traction principal. Les numéros d'articles ne sont qu'évoqués, sans développement article par article.

2. La place de l'alimentation auxiliaire à bord : du bus batterie aux charges basse tension

La mission de l'alimentation auxiliaire embarquée est d'isoler la tension batterie/bus, de l'abaisser à une plage utilisable par les charges basse tension — commande, communication, capteurs — et d'assurer une isolation galvanique entre le côté haute tension et le côté basse tension. Trois réalités de conception :

• Tension batterie : le ferroviaire utilise couramment cinq tensions nominales de batterie embarquée — 24 V, 48 V, 72 V, 96 V et 110 V —, les plus répandues étant 72 V et 110 V (plus la tension est élevée, plus le courant est faible à puissance égale, ce qui économise poids de câblage et volume). Certains systèmes sont à régime flottant (IT), aucun des deux rails de courant n'étant directement mis à la terre ; on rencontre donc aussi la notation de polarité −72 V/−110 V.
• La tension d'isolation augmente avec la tension (pratique industrielle basée sur EN 50155, voir le tableau ci-dessous).
• Plage d'entrée large et tenue aux surtensions : l'équipement doit tolérer les creux de tension (p. ex. 0.6×VN pendant 100 ms) et les surtensions (p. ex. 1.4×VN pendant 1 s) ; les cas plus sévères doivent en outre satisfaire aux conditions de surtension RIA 12 de 1.5× (1 s) et 3.5× (20 ms).

• < 72 VDC — Isolation recommandée (pratique industrielle)：500 VAC
• 72–125 VDC — Isolation recommandée (pratique industrielle)：1000 VAC/1500 VDC
• 110 V (la charge flottante peut dépasser 125 V) — Isolation recommandée (pratique industrielle)：1500 VAC généralement recommandé
• Tenue diélectrique/valeurs d'essai des fils DAH JIN — Isolation recommandée (pratique industrielle)：selon le document d'approbation

Telle est la réalité du petit transformateur d'alimentation auxiliaire : un transformateur de faible encombrement qui doit fournir une isolation à la hauteur, sous plage d'entrée large, surtensions sévères et à travers une barrière haute tension.

3. Franchir la barrière d'isolation : la voie Reinforced de l'IEC 62368-1 Annex J

Pour réaliser une isolation renforcée (reinforced) dans un petit transformateur, l'approche classique s'appuie sur les bandes de marge (margin tape) et l'isolation entre couches pour constituer, aux deux extrémités de la carcasse, la ligne de fuite (creepage) et la distance d'isolement (clearance) qui séparent l'enroulement primaire du secondaire. Mais un transformateur d'alimentation auxiliaire dispose d'un volume limité et d'une fenêtre de bobinage étroite : plus les marges de ruban sont larges, plus il est difficile de loger le fil.

La solution courante consiste à passer à un fil à triple isolation (TIW) qualifié. Selon l'IEC 62368-1 Annex J, un fil de bobinage isolé ayant été évalué seul au titre de cette annexe peut, par sa structure à trois couches, constituer l'isolation renforcée de l'enroulement (reinforced = principale + supplémentaire, soit environ trois couches) — l'isolation étant fournie par le fil lui-même, primaire et secondaire peuvent être bobinés entrelacés, ce qui supprime les lignes de fuite/distances d'isolement et les barrières d'isolation que le ruban devait créer. C'est précisément le point fort du petit transformateur d'alimentation auxiliaire — « réaliser l'isolation renforcée avec un seul fil et réduire le volume » — et la voie de certification existe clairement.

• Origine de l'isolation renforcée — Approche classique à bandes de marge：Bandes de marge aux deux extrémités de la carcasse + isolation entre couches constituent ligne de fuite/distance d'isolement；Fil à triple isolation qualifié (Annex J Reinforced)：La triple isolation du fil de bobinage lui-même fournit le reinforced
• Fenêtre de bobinage — Approche classique à bandes de marge：Les marges occupent beaucoup de place, les petites carcasses sont à l'étroit；Fil à triple isolation qualifié (Annex J Reinforced)：Plus de marges de ruban, fenêtre de bobinage libérée
• Disposition primaire/secondaire — Approche classique à bandes de marge：Doivent être séparés en zones distinctes；Fil à triple isolation qualifié (Annex J Reinforced)：Bobinage entrelacé possible, sans barrière d'isolation
• Norme d'évaluation — Approche classique à bandes de marge：Évaluation selon la combinaison ruban + structure；Fil à triple isolation qualifié (Annex J Reinforced)：IEC 62368-1 Annex J (TLW-F également UL 2353)
• Diamètre/tenue diélectrique des fils DAH JIN — Approche classique à bandes de marge：—；Fil à triple isolation qualifié (Annex J Reinforced)：selon le document d'approbation

Le fil à triple isolation de la série DAH JIN TLW est évalué Reinforced selon VDE 40008834 (Annex J/IEC 62368-1) ; TLW-F dispose en outre de UL 2353 Reinforced. La correspondance entre Annex J et 61558 Annex K est détaillée dans IEC 62368-1 Annex J et 61558 Annex K ; la mise en regard des essais de type Annex J/K/L dans Essais de type : correspondance Annex J/K/L.

4. Environnement thermique et partage de la certification : le document d'approbation du fil n'est pas la qualification de l'équipement

Le petit transformateur d'alimentation auxiliaire est souvent collé à l'étage de puissance, mal refroidi, et sa température interne peut être nettement supérieure à l'ambiante extérieure au véhicule. C'est là que la classe thermique (thermal class) du fil prend son sens :

• La tenue en température des fils DAH JIN TLW dépend de la référence — TLW-F est en classe F (Class F), 155°C ; TLW-B/TLW-BB/TLW-B7S sont en 130(B). À la sélection, on fait correspondre la classe thermique de la référence à l'environnement thermique ; les valeurs précises sont données selon le document d'approbation.
• Il faut toutefois distinguer deux « qualifications » : le document d'approbation du fil définit le matériau (référence et plage de diamètres, évaluation de l'isolation renforcée, classe thermique) ; EN 50155/EN 61373 (vibrations)/EN 50121 (CEM) constituent la qualification du composant magnétique fini et de l'équipement complet dans l'environnement ferroviaire. La classe thermique du fil n'équivaut pas et ne se substitue pas à la certification de l'équipement fini sous conditions combinées de vibrations, de CEM et de température. Classe thermique du fil et classe thermique du système/produit fini relèvent d'enregistrements distincts, voir Classe thermique du fil et classe thermique du système d'isolation.

En une phrase : le fil à triple isolation vous permet d'obtenir, dans une petite fenêtre de bobinage, l'isolation renforcée à travers la barrière haute tension, et de couvrir l'environnement thermique à bord par la classe thermique de la référence ; mais la responsabilité de « ce transformateur, cet équipement passe-t-il EN 50155 » reste du côté de la conception et de la vérification du composant magnétique fini et de l'équipement complet. Pour la première étape de sélection, consultez le guide de sélection TIW et la chaîne de certification TIW.

DAH JIN TECHNOLOGY est fabricant de fil (et non négociant), produisant dans sa propre usine de Guiren, Tainan, Taïwan ; le site de fabrication indiqué dans l'enregistrement UL est cette usine — fabriqué à Taïwan.