Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №3

Низкопрофильные модули питания фирмы Александер Электрик Дон для распределенных систем

Негреба Олег  
Екимов Алексей  
Гончаров Александр  

В статье рассматриваются DC/DC-модули электропитания для военных и промышленных применений, представляющие собой низкопрофильные унифицированные источники вторичного электропитания популярной серии «Мираж». Впервые представлены четыре линии модулей для распределенных систем электропитания МДМ, МДМ-П, МДМ-В и МДМ-ВТ, реализующие сетку мощностей 3, 5, 7,5, 10, 15, 20, 30, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 320, 400 и 1000 Вт и работающие в температурном диапазоне от –60 до +125 °C.

Системы электропитания военной и космической техники, атомной промышленности, железнодорожного транспорта, аппаратуры военных и государственных телекоммуникаций и т. п. предъявляют разработчикам особые требования по надежности и отказоустойчивости, габаритам и массе в условиях воздействия жестких климатических и механических факторов. В подавляющем большинстве случаев необходима возможность работы от сети, имеющей широкий диапазон переходных отклонений длительностью до нескольких секунд при наличии импульсных выбросов напряжения, а также предъявляющей жесткие требования по ЭМС.

Основной тенденцией наиболее передовых конструктивно-технологических решений современных микроэлектронных систем электропитания является их низкопрофильность — ультратонкое исполнение.

Для тепловыделяющих конструкций переход от формы с минимальным отношением поверхности и объема (шар, куб) к форме в виде тонкой плоской поверхности с максимальным отношением «поверхность–объем» сопровождается появлением ряда преимуществ. Во-первых, резко улучшается компонуемость таких приборов с устройствами, выполненными по SMD-технологии. Во-вторых, при увеличении площади значительно улучшаются условия рассеивания тепла и снижается внутренняя температура прибора, что крайне положительно сказывается на надежности и многократно увеличивает наработку на отказ. В-третьих, раздробление и рассредоточение в ультратонких конструкциях неизбежных для систем электропитания концентраторов тепла значительно облегчает задачу построения теплоотводящих устройств, что весьма актуально для систем, работающих в очень широком диапазоне температур. Поэтому понятно, что для построения таких систем электропитания необходимы так называемые плоские «кирпичики» — модули. В данном случае разработчикам радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) приходится решать сложную задачу выбора между специализированной системой и использованием универсальных модулей для ее построения (рис. 1).

Рис. 1. Система электропитания, построенная на основе модулей серии «Мираж». Выходная мощность 1000 Вт, два полностью независимых и полностью стабилизированных канала, габариты 196×117×22 мм, диапазон рабочих температур корпуса: -60...+125 °C. Входное напряжение 17–36 В с выбросом до 80 В
Рис. 1. Система электропитания, построенная на основе модулей серии «Мираж». Выходная мощность 1000 Вт, два полностью независимых и полностью стабилизированных канала, габариты 196×117×22 мм, диапазон рабочих температур корпуса: -60...+125 °C. Входное напряжение 17–36 В с выбросом до 80 В

Полезно четко представлять себе наиболее важные плюсы и минусы применения модулей. Как для любого технического устройства, обе чаши весов получаются достаточно наполненными.

К минусам необходимо отнести следующее:

  1. Увеличение общего количества электронных компонентов в аппаратуре при реализации многоканальных систем электропитания. Действительно, использование большого количества одноканальных модулей вместо одного многоканального источника фактически является дроблением целого на много частей. Однако для трансформатора или дросселя это однозначно приводит к увеличению суммарного объема и стоимости, к снижению надежности. В большинстве случаев сказанное справедливо и для конденсаторов, и для мощных полупроводников. Можно говорить о снижении надежности и об увеличении занимаемого объема пропорционально увеличению числа компонентов.
  2. Увеличение стоимости системы вторичного электропитания. Действительно, универсальность модулей достигается определенной избыточностью в материалах и компонентах, а это приведет, как минимум, к увеличению суммарной стоимости изделия.
  3. Усложнение электромагнитного фона и помеховой обстановки. Несколько модулей, каждый из которых является, как правило, асинхронным источником излучений и помех, формируют достаточно сложное электромагнитное поле и образуют сложный спектр помех.
  4. Возможное уменьшение общего КПД источника электропитания. Теоретически можно показать, что дробление целого, например, трансформатора источника электропитания, приводит к ухудшению его энергетических характеристик.

Плюсы:

  1. Значительная экономия времени проектирования системы электропитания, при этом не требуются дорогостоящие разработчики с узкой специализацией. Это экономия денег и других ресурсов.
  2. Высокая вероятность получения положительного результата, отсутствие этапов внедрения, подготовки производства и самого производства сложного электропитающего устройства. А это опять экономия денег и ресурсов.
  3. И, как это ни парадоксально, — увеличение надежности ИВЭП. Действительно, массовость производства модулей позволяет уникальным образом улучшить качество этой продукции и необычайно резко поднять надежность каждого отдельного модуля. В настоящее время средняя наработка на отказ у модулей, выпускаемых достаточно долго и в больших количествах, доходит до миллионов часов при нормальной температуре и до сотен тысяч часов при повышенной.
  4. Получение качественно новых свойств системы электропитания. Это возможности построения распределенных систем электропитания; улучшение электромагнитной совместимости узлов аппаратуры со встроенными модулями; потенциальное и практическое улучшение качества характеристик функциональных узлов, а также увеличение срока их работы за счет резкого повышения стабильности питающих напряжений при более мягких переходных процессах и т. д.
  5. Конструктивная гибкость и преемственность построения аппаратуры с использованием конструктивно рассредоточенных модулей электропитания.
  6. Практическое снижение потерь мощности в системе и повышение КПД за счет резкого сокращения длины сильноточных проводников. В распределенных системах электропитания модули встраиваются в непосредственной близости к питаемым ими функциональным узлам.

Перечисленные плюсы применения модулей во многих случаях (или еще точнее — в достаточно многих) нивелируют отмеченные недостатки. И, что очень важно, благодаря модулям достигается многократная экономия денег и других ресурсов.

Унифицированные низкопрофильные модули электропитания класса DC/DC являются прогрессивным направлением для разработчиков и производителей РЭА при реализации систем электропитания во многих практических ситуациях.

Предприятие ООО «Александер Электрик Дон» (г. Воронеж) имеет лицензии РОСКОСМОСа и федерального агентства по промышленности на разработку и производство вооружения и военной техники в части источников вторичного электропитания, а также имеет аттестат соответствия требованиям «ВОЕНЭЛЕКТРОНСЕРТ» ФГУП «22ЦНИИИ Минобороны России» на наличие условий, обеспечивающих выполнение Государственного оборонного заказа. Предприятие работает по стандарту качества ГОСТ Р ИСО 9001-2001 и производит и поставляет с приемкой «5» модули серии «Мираж» четырех линий: МДМ, МДМ-П, МДМ-В, МДМ-ВТ [1].

Разработка DC/DC-модулей для авиационной бортовой аппаратуры специального назначения была начата группой компаний «Александер Электрик» в 1993 году при поддержке 22 ЦНИИИ и 16-го Управления МО. С 1999 года освоено производство опытных образцов модулей серии «Мираж» с приемкой «5» для комплектации аппаратуры специального назначения.

Выпускаемые в настоящее время модули электропитания серии «Мираж» являются итогом 10-летнего опыта группы компаний «Александер Электрик» по разработке и производству низкопрофильных изолированных DC/DC-преобразователей специального и промышленного назначения. На протяжении всего времени производства модулей происходила непрерывная их модернизация и совершенствование конструктивных и схемотехнических решений. Были значительно улучшены электрические, конструктивные, надежностные и качественные характеристики. Оптимально подобранные тепловые поверхности корпусов позволяют использовать модули этих серий в оборудовании специального назначения с особо тяжелыми условиями эксплуатации. Современная элементная база и новейшие, имеющие российские патенты прогрессивные технические решения [2], используемые в модулях, гарантируют длительный срок эксплуатации изделий.

В результате совместной кропотливой работы с потребителями, после множества испытаний в аппаратуре модули серий «Мираж» несколько раз подвергались полной модернизации, в результате чего были получены уникальные показатели диапазона рабочих температур (от –60 до +125 °С), спецстойкости до группы 2У, конструктивной энергетической плотности до 5000 Вт/дм3, что позволило достичь весьма высоких массогабаритных характеристик систем электропитания, не уступающих мировому техническому уровню аппаратуры специального назначения [1, 3].

Модули электропитания серии «Мираж» выпускаются в двух типах корпусов — усиленных с крепежными фланцами и в тонкостенных штампованных [1]. Профиль (высота) корпусов модулей составляет 10 мм для мощностей до 20–40 Вт и 13 мм для более мощных модулей. Сетка габаритных размеров модулей представлена восемью типоразмерами от 30×20×10 мм до 168×122×13 мм. Температурный диапазон модулей может составлять от –60 до +85, +105 или +125 °С. Входные сети модулей питания представлены диапазонами 9,5–15 В, 10,5–36 В, 17–36 В, 18–75 В, 21–30 В, 36–72 В, 82–154 В, 130–185 В, 175–350 В. Модули с входной сетью 17–36 В могут выдерживать переходное отклонение по входу до 80 В в течение 1 с, что находит применение в системах электроснабжения самолетов и вертолетов по ГОСТ 19705-89.

Все модули оснащены фильтрами радиопомех на входе и выходе, гальванической развязкой между входом и выходом, имеют возможность регулировки выходного напряжения в пределах ±10% и дистанционного включения-выключения, а также обладают комплексом защит — от короткого замыкания и перегрузки по выходному току, от короткого замыкания, от превышения выходного напряжения, тепловую защиту (все защиты самовосстанавливающиеся). Мощные модули имеют ряд дополнительных сервисных функций — параллельную работу нескольких модулей на общую нагрузку и выносную обратную связь.

Остановимся на особенностях каждой из линий.

Рис. 2. Сравнение модулей электропитания линий МДМ 48×33×10 мм (внизу) и МДМ-П 40×30×10 мм (вверху). Профиль (высота) корпусов 10 мм. Номинальная мощность модулей 7,5 Вт
Рис. 2. Сравнение модулей электропитания линий МДМ 48×33×10 мм (внизу) и МДМ-П 40×30×10 мм (вверху). Профиль (высота) корпусов 10 мм. Номинальная мощность модулей 7,5 Вт
Рис. 3. Модули электропитания линий МДМ 110×84×13 мм (внизу) и МДМ-П 95×68×13 мм (вверху). Номинальная мощность 120 Вт
Рис. 3. Модули электропитания линий МДМ 110×84×13 мм (внизу) и МДМ-П 95×68×13 мм (вверху). Номинальная мощность 120 Вт

Наибольший путь в своем развитии прошли модули линии МДМ (без индекса) (рис. 2, 3), изначально ориентированные на использование исключительно отечественной элементной базы с приемкой «5». Благодаря усилиям разработчиков группы компаний «Александер Электрик» и Воронежского завода полупроводниковых приборов (ВЗПП) в очень короткие сроки удалось освоить на ВЗПП производство полевых транзисторов 2П767, 2П768, 2П769 и диодов 2Д273, 2Д640, 2Д641, 2Д663 [4].

Учитывая, что данная линия модулей разрабатывалась с расчетом на устойчивость к спецвоздействиям 2У, при ее построении был использован специализированный контроллер ШИМ в виде гибридной интегральной микросхемы. Данные модули выполнены с большим запасом по размерам корпусов, что позволило получить высокие показатели отвода тепла при работе в условиях высоких температур.

Модули электропитания линии МДМ выпускаются с номинальной выходной мощностью от 3 до 200 Вт и диапазоном рабочих температур корпуса –60…+105 °С. Они могут иметь один, два или три гальванически связанных выходных канала. Двухканальные модули имеют два одинаковых разнополярных напряжения на выходе со средней точкой. Модули построены с применением только отечественной элементной базы с приемкой «5» и имеют полный комплекс защит: от перегрузки по току, короткого замыкания, от перегрева, от превышения выходного напряжения. Отсутствие оптоэлектронных приборов в цепи обратной связи гарантирует высокую надежность и длительный срок эксплуатации изделий.

Модули электропитания МДМ имеют группу 2У по ГОСТ РВ 20.39.414.1-97 по стойкости к спецвоздействиям и соответствуют группе 1.2.1 (кривая 2) по ГОСТ В 25803-91 по электромагнитной совместимости.

В процессе выполнения ОКР «Мираж» многие потребители указали на важность уменьшения габаритов модулей и расширения функций. Достичь существенного уменьшения габаритных размеров и введения дополнительных функций удалось в модулях линии МДМ-П (рис. 2, 3) благодаря применению новейшей российской элементной базы с приемкой «5» и лучших образцов осваиваемой российской элементной базы с приемкой «1», изготавливаемых на основе аналогов ведущих мировых производителей. Модули электропитания МДМ-П выпускаются для температурного диапазона –60…+85 °С и могут иметь один, два или три гальванически развязанных выходных канала. Выходные напряжения двухканальных и трехканальных модулей могут быть различными по величине. Они имеют группу 1У по ГОСТ РВ 20.39.414.1-97 по стойкости к спецвоздействиям и соответствуют группе 1.2.1 (кривая 2) ГОСТ В 25803-91 по электромагнитной совместимости.

Дальнейшее улучшение характеристик модулей МДМ и МДМ-П не представлялось возможным, так как большое количество предприятий промышленности и оборонного комплекса России и ближнего зарубежья уже внедрили эти модули в состав своих изделий, что ограничило возможность изменения габаритных размеров и цоколевки.

В последние два года предприятие «Александер Электрик Дон» сосредоточило свои усилия на разработке более совершенных линий МДМ-ВТ и МДМ-В. Новые модули питания построены в типовой линейке корпусов и с топологией выводов, максимально соответствующих модулям питания МДМ и МДМ-П, в них добавлены новые сервисные выводы, которые при необходимости могут быть удалены самим потребителем. В результате на место любого из модулей устаревших на настоящий момент МДМ и МДМ-П могут быть установлены модули МДМ-ВТ и МДМ-В, имеющие лучшие характеристики.

В модулях этих линий значительно расширен мощностной ряд, диапазон рабочих температур составляет –60…+125 °С для модулей МДМ-ВТ и –60…+85 °С для модулей МДМ-В, добавлены входные сети 110, 160 и 230 В и по требованиям потребителей введены дополнительные сервисные функции (возможность параллельной работы на общую нагрузку, выносная обратная связь, диагностика). Новые модули питания имеют хорошие показатели по спецвоздействиям и близки к высоким требованиям группы 2.2.3 (самая жесткая кривая 1) ГОСТ В 25803-91 по электромагнитной совместимости. Удельная энергетическая плотность в этих модулях доходит до 4160 Вт/дм3 [3]. Столь высокие характеристики модулей были достигнуты за счет частичного использования самой современной импортной элементной базы.

Модули МДМ-ВТ (рис. 4) имеют номинальную выходную мощность от 3 до 1000 Вт. Расширенный температурный диапазон позволяет использовать данные модули в оборудовании с особо тяжелыми условиями эксплуатации. Так же как и модули МДМ без индекса, модули МДМ-ВТ могут иметь один, два или три гальванически связанных выходных канала. Выходные напряжения двухканальных модулей равны по величине, но различны по полярности.

Рис. 4. Модули электропитания линии Мираж-ВТ. Номинальная мощность 3–1000 Вт, диапазон температур –60…+125 °С
Рис. 4. Модули электропитания линии Мираж-ВТ. Номинальная мощность 3–1000 Вт, диапазон температур –60…+125 °С

В дополнение ко всему, наличие входных сетей 110, 160 и 230 В особенно удобно при построении высокоэффективной системы распределенного электропитания для потребителей, имеющих или самостоятельно реализующих в аппаратуре выпрямитель сети переменного тока и входной фильтр — сетевой конденсатор. Это дает возможность реализовать AC/DC-преобразователь с широким диапазоном рабочих температур.

Использование только керамических конденсаторов и отсутствие оптоэлектронных приборов в цепи обратной связи гарантирует высокую надежность и длительный срок эксплуатации изделий в условиях высоких температур. Все модули линии МДМ-ВТ содержат более эффективные встроенные входные и выходные помехоподавляющие фильтры, что позволило получить улучшенные по сравнению с модулями МДМ (без индекса) характеристики по ЭМС. Полный комплекс защит и сервисных функций обеспечивает удобство эксплуатации.

Модули электропитания линии МДМ-В (рис. 5) являются модернизированной модификацией МДМ-П. Номинальная выходная мощность модулей в тех же габаритах была увеличена примерно в 1,2–1,4 раза. Линия МДМ-В представлена низкопрофильными изолированными DC/DC-преобразователями с номинальной выходной мощностью от 5 до 1000 Вт. Они могут иметь один, два или три гальванически развязанных выходных канала. Выходные напряжения двухканальных и трехканальных модулей могут быть различными по величине. Наличие расширенного ряда входных напряжений 12, 24, 27, 60, 110, 160 и 230 В позволяет использовать данные модули в аппаратуре самого различного назначения. Все модули линии МДМ-В содержат высокоэффективные встроенные входные и выходные помехоподавляющие фильтры, что позволяет получить улучшенные по сравнению смодулями МДМ-П характеристики по ЭМС. Модули имеют полный комплекс защит: от перегрузки по току, короткого замыкания, от перегрева, от превышения выходного напряжения.

Рис. 5. Модули электропитания линии Мираж-В. Номинальная мощность 5–1000 Вт, диапазон температур –60…+85 °С
Рис. 5. Модули электропитания линии Мираж-В. Номинальная мощность 5–1000 Вт, диапазон температур –60…+85 °С

Конструкция блоков и систем (рис. 1) обладает высокой надежностью (большое среднее время наработки на отказ, отказоустойчивость, наличие «горячего» резерва), работоспособностью в условиях воздействия особо жестких климатических факторов (максимальная и минимальная температуры, давление, влага, воздействие термоударов), работоспособностью в условиях воздействия механических факторов (вибрация, ускорение, удары, перевозка различными видами транспорта). Блоки и системы электропитания могут работать от входной сети с широким диапазоном переходных отклонений (до нескольких секунд при наличии импульсных выбросов напряжения), и от входной сети, к которой предъявляются жесткие требования по ЭМС. Они отличаются малыми габаритами и минимальной массой. Блоки и системы электропитания изготавливаются ООО «Александер Электрик Дон» по специальным заказам.

Таким образом, предприятия промышленности и российского оборонного комплекса получили возможность использовать низкопрофильные модули электропитания производства ООО «Александер Электрик Дон» с входными сетями 12, 24, 27, 60, 110, 160, 230 В и температурным диапазоном от –60 до +125 °С с обеспечением высоких требований по ЭМС, что значительно увеличивает конкурентоспособность отечественной радиоэлектронной аппаратуры [3, 5], работающей в жестких условиях эксплуатации.

Литература

  1. Каталог ООО «Александер Электрик Дон» на диске–2006.
  2. Конев Ю., Гончаров А., Колосов В. Отечественная энергетическая электроника: проблемы, тенденции, достижения // Электроника: НТБ. 1997. № 6.
  3. Гончаров А. Сравнительный показатель унифицированной удельной мощности модулей ИВЭП. Устройства и системы энергетической электроники, разработка, производство, маркетинг. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции. АН РФ. Москва. 1998.
  4. Гончаров А. Об отечественной элементной базе ИВЭП // Радиопромышленность. 1996. № 1.
  5. Киселев А. Давайте будем обгонять, а не догонять // Электроника: НТБ. 1997. № 6.

Корпорация International Rectifier анонсировала 100-вольтовый силовой МОП-транзистор, являющийся дополнением семейства транзисторов AutoTrench с логическим управлением. Новый транзистор отличается оптимизированными характеристиками затвора, обеспечивающими повышение сопротивления открытого канала всего на 14% при переходе от управления затвором уровнем 10 В к уровню 4,5 В. Новый транзистор квалифицирован на соответствие нормам Q101 для автоэлектроники, имеет допустимую температуру кристалла 175 °C и сопротивление открытого канала 16 мОм при напряжении на затворе 4,5 В.

Многие устройства автоэлектроники, такие как стеклоподъемники, АБС, устройства управления световыми приборами и т. д., могут быть существенно упрощены при использовании нового транзистора, так как он может управляться напрямую от микропроцессора с 5-вольтовой шиной, имеет компактный корпус D-Pak и достаточно высокий ток стока (до 42 А). Новый транзистор выпускается и в бессвинцовом варианте с маркировкой IRLR3110ZPbF.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке