Новая серия высокотемпературных модулей питания DC-DC серии МДМ-ВТ для применения в специальной аппаратуре группы компаний Александер Электрик

Для применения в особо тяжелых условиях эксплуатации, когда температура окружающей среды достигает +50-60°С и радиаторы, используемые для охлаждения модулей питания, работают с перепадом температур всего 25–35°С, инженеры группы компаний «Александер Электрик» разработали серию модулей с допустимой рабочей температурой корпуса +125°С. По сравнению с предшественниками, этим модулям при эксплуатации достаточны теплоотводы со значительно меньшей эффективной площадью. Одновременно новые модули получили такие дополнительные функции, как параллельная работа с выравниванием выходных токов, возможность использования внешней обратной связи по выходному напряжению, а также регулировка выходного напряжения.

Возможность работы с дополнительными теплоотводами малой площади или вообще без дополнительных теплоотводов в широком диапазоне температур окружающей среды делает эти модули перспективными для использования в самых разнообразных приборах. В качестве одного из основных применений модулей можно прогнозировать в устройствах, где требуются надежность и малые габариты. Это, например, распределенные системы электропитания [1] с локальными DC/DC преобразователями, размещенными на печатных платах рядом с нагрузкой.

Высокотемпературные модули электропитания серии МДМ-ВТ [2] созданы на основе ранее разработанной серии МДМ с использованием типового ряда линейки корпусов и аналогичного размещения выводов, что немаловажно для потребителей, уже использующих модули серии МДМ. По сравнению с предыдущей серией мощность модулей в тех же габаритах возросла примерно в 1,2–1,4 раза. Мощностной ряд представлен модулями от 6 до 160 Вт (таблица 1).

По соотношению массогабаритных и функциональных показателей серия МДМ-ВТ выгодно отличается от предыдущей серии МДМ: удельная мощность модулей достигает 1320 Вт/дм
³. Все устройства этой серии имеют дополнительную функцию регулировки выходного напряжения, а функции параллельной работы и внешней обратной связи получили модули МДМ60-ВТ, МДМ80-ВТ, МДМ120-ВТ, МДМ160-ВТ.

Как и модули серии МДМ, новые приборы имеют фильтры радиочастотных помех на входе и выходе, гальваническую развязку 500 В между входом, выходом и корпусом, а также полный комплекс защиты — от перегрузки, короткого замыкания, перегрева, превышения выходного напряжения (все механизмы защиты предусматривают автоматическое восстановление после снятия воздействия). Удобно также, что модули снабжены функцией дистанционного включения-выключения. Технические характеристики высокотемпературных модулей питания МДМ-ВТ приведены в таблице 2.

Конструкция модулей представляет собой тонкостенный алюминиевый корпус, внутри которого размещена печатная плата с элементами поверхностного монтажа, залитая компаундом с теплопроводящим наполнителем. В аппаратуре модули могут устанавливаться на радиатор охлаждения или на печатную плату. Для различных вариантов установки модули могут изготавливаться в двух типах корпусов — штампованном или усиленном фрезерованном с фланцами. В корпусах для крепления предусмотрены резьбовые втулки или отверстия во фланцах. Габаритные чертежи модуля МДМ160-ВТ в двух исполнениях корпуса изображены на рис. 1.

Со стороны выводов модуль защищает металлизированная пластина, припаянная к корпусу и служащая одновременно экраном от помех по электромагнитного поля.

Рассмотрим задачи отвода тепла, обеспечения параллельной работы, электромагнитной совместимости и надежности, решение которых необходимо для успешной эксплуатации модулей.

Отвод тепла. Упрощение проблемы отвода тепла — одно из основных преимуществ высокотемпературных модулей. В широком диапазоне температур модули могут быть использованы без радиатора при работе на номинальной мощности или при ее незначительном уменьшении. Типовое расположение модуля и радиатора, а также процесс теплопередачи схематично изображены на рисунке 2.

Для расчета тепловых режимов, прежде всего, необходимо определить мощность потерь Р
_п:

где Р
_вых — мощность, потребляемая нагрузкой. Так как в таблице 2 приведен только типовой КПД модуля, при расчетах КПД для каждого типа модуля должен быть уточнен по графикам из рис. 3.

Необходимая эффективная площадь радиатора S определяется по формуле:

где
a = 0,001 – 0,003 Вт/см
²°С — коэффициент теплоотдачи,t
_кmax = 125 °С — температура корпуса, t
_окр — температура окружающей среды, t
_кр — разность температур из-за наличия зазора между радиатором и модулем. При заполнении зазора теплопроводящей пастой

По формуле (2) для каждого модуля с поверхностью охлаждения S = 2ab + 2h(a + b), где а — ширина, b — длина, h — высота согласно данным, приведенным в таблице 1 (учитывается полная поверхность модуля), может быть определена температура окружающей среды, при которой модуль работает без использования дополнительного теплоотвода и снижения номинальной мощности, а также рассчитана площадь радиатора для заданной температуры эксплуатации.

В качестве примера приведем расчет выходной мощности от температуры для модуля МДМ-ВТ мощностью 5 Вт на напряжение 5 В, площадь поверхности которого для охлаждения равна 22 см
². Для расчетов примем
a = 0,0013: такой коэффициент теплоотдачи давно применяется разработчиками и соответствует значению 25 см
²/Вт при разности температур корпуса модуля и окружающей среды равной 30 °С [3].

Как показали расчеты, площадь поверхности позволяет использовать модуль при номинальной мощности до температуры 78 °С.

При экспериментальной проверке расчетов в камере тепла при t = 78 °С, измеренная температура корпуса модуля не превышала допустимой величины.

Параллельная работа модулей в системе электропитания используется для повышения надежности системы путем резервирования. Другой причиной может служить необходимость увеличения мощности и уменьшение типономиналов составляющих ее модулей. Для этой цели предусмотрены дополнительные функции параллельной работы, обеспечивающие принудительное выравнивание токов между модулями. Модули (до четырех штук) объединяются с помощью дополнительных соединений по выводу «Параллельная работа», управляющие сигналы которых служат для выравнивания выходных токов модулей.

Выводы «Обратная связь», подключаемые к клеммам нагрузки, служат для компенсации падения напряжения в выходных соединительных проводах, что особенно важно для разветвленных систем электропитания. Схема параллельного включения показана на рис. 5.

При процентном резервировании по (N+1) обязательно включение диодов VD1…VD4, а также дистанционная и местная сигнализация о неисправном модуле.

Надежность является основным критерием, определяющим выбор модулей питания. В модулях МДМ-ВТ исключены элементы с плохим временем наработки на отказ, отрицательно влияющие на надежность: вместо танталовых использованы керамические конденсаторы, оптическая развязка сигналов обратной связи заменена на трансформаторную. На рис. 6 приведена зависимость времени наработки на отказ модулей МДМ-ВТ от температуры корпуса. Расчетная наработка на отказ при температуре корпуса 35 °С составляет не менее 1 млн. часов, для 125 °С соответственно 30 тыс. часов.

Модули серии МДМ-ВТ уже серийно выпускаются, а также с II квартала 2005 г. в соответствии с ГОСТ В 29110-91 начата поставка опытных образцов с приемкой «5» в рамках ОКР «Разработка унифицированных 1-, 2-, 3-канальных модулей электропитания мощностью 5–200 Вт с гальванически развязанными выходными каналами, с напряжением развязки вход-выход и между каналами 500 В, с высокими удельными характеристиками».

Литература

1. Лукин А. В. Распределенные системы электропитания. Электронные компоненты. № 7. 1997.
2. Каталог Группы компаний «Александер Электрик» на диске— 2005.
3. Гончаров А. Ю. Российское производство конверторных модулей электропитания. Электроника и компоненты. № 3. 1997.