Использование DC/DC-преобразователей VPT при работе на большую емкостную нагрузку

Введение

В современных летательных аппаратах используется самая разнообразная радиотехническая аппаратура для систем связи, навигации, посадки, госопознавания, метео-локации, предотвращения столкновений самолетов…

По понятным причинам массу и объем подобного оборудования необходимо сокращать. Причем функционал должен возрастать, а значит, нужны новые схемы построения бортовых систем.

При традиционной схеме построения используется один мощный передатчик и ряд коммутируемых антенн или антенная решетка.

Для повышения функциональных возможностей аппаратуры переходят к активным схемам — несколько выносных приемопередающих модулей рядом с антеннами или полноценная АФАР.

Кроме того, происходит постоянное комплексирование аппаратуры — объединение нескольких систем в рамках одного функционального блока. Таким образом, безусловно, сокращается масса и габариты, но появляются дополнительные требования к элементной базе.

В частности, становится необходимым применение современных высокочастотных транзисторов, в цепи питания которых устанавливаются накопительные конденсаторы с большой емкостью.

Отсюда возникает потребность в компактных, легких источниках питания, способных работать на большую емкостную нагрузку.

Новый подход к построению системы питания

Традиционное решение проблемы построения системы питания, действующей на большую емкостную нагрузку, заключается в применении дополнительной схемы предварительной зарядки конденсаторов и подключении самого источника с некоторой задержкой после зарядки конденсаторов до нужного уровня. Применение подобного решения связано с определенными недостатками — дополнительные компоненты, снижение массо-габаритных показателей, повышение затрат при производстве аппаратуры, снижение надежности аппаратуры (больше компонентов — ниже надежность) и т. д. Однако есть простое решение — применение DC/DC-преобразователя, способного работать на большую емкостную нагрузку. Для решения такой (вполне конкретной) технической задачи были рассмотрены DC/DC-преобразователи производства АЕ и VPT. В качестве емкостной нагрузки использовали конденсатор емкостью 2000 мкФ. Это значение намного превышает максимальную емкость конденсатора, заявленную в Datasheet на продукцию компании VPT, а потому по просьбе автора статьи производитель бесплатно провел дополнительные испытания с целью выяснить изменения в режиме работы и параметрах DC/DC-преобразователя. Как показали тесты, изменения незначительно коснулись тех параметров, которые непосредственно связаны с временем накопления энергии конденсатором, например с временем выхода в рабочий режим. Остальные важнейшие характеристики, такие как стабильность параметров, управляемость и другие, остались неизменными. Конвертер работал в двух режимах — при включении как источник тока, выдавая максимально возможный ток, а при достижении зарядом конденсатора заданного уровня переключался в режим стабилизации напряжения. Данными тестами производитель подтвердил возможность применения DC/DC-преобразователей в этом режиме и с большой емкостной нагрузкой.

КПД источников в дежурном режиме

В передатчиках бортовой аппаратуры для преобразования напряжения первичной сети 27 В в необходимые напряжения питания различных цепей часто используются преобразователи МДМ производства ОАО «Александр Электрик Дон» (Россия). К сожалению, они имеют два существенных недостатка, которые препятствуют их эффективному применению в устройствах с чередованием рабочего и дежурного режимов с практически нулевым потреблением в дежурном режиме.

Во‑первых, изготовитель преобразователей АЕ рекомендует в дежурном режиме подключать балластную нагрузку, причем заранее ставит потребителя в известность о снижении КПД при 10%-ной нагрузке практически в три раза (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость КПД модуля МДМ от коэффициента нагрузки

Во‑вторых, эти преобразователи не работают на большую емкостную нагрузку, и между ними и нагрузкой приходится ставить управляемый регулятор в виде схемы ограничения тока.

Для значительного снижения потребления в дежурном режиме и, соответственно, потерь на тепловыделении были применены DC/DC-преобразователи VPT, которые, как оказалось, оптимально приспособлены для питания передатчиков, действующих в импульсном режиме. Такие передатчики всегда имеют большой емкостной накопитель электроэнергии, а дежурный режим этих устройств составляет 75–85% времени (рис. 2), и следовательно, потребление энергии в дежурном режиме является важным показателем работы устройства.

Рис. 2. Зависимость потребляемой мощности от выходной мощности

На приведенных графиках (рис. 2) для МДМ указаны расчетные зависимости входной мощности от выходной, исходя из рис. 1, а для DV200 — измеренная экспериментальная зависимость.

Вычисляя средний КПД как отношение энергии, отданной потребителю, к энергии, потребленной самим преобразователем, получим с учетом балластной нагрузки, что средний КПД DV200 ≈ 70–75%, а МДМ 200 ≈ 15–20%. Столь катастрофическое падение КПД МДМ вызвано существенным его потреблением в дежурном режиме, продолжительность которого составляет примерно 80% общего времени.

Если провести сравнение по другим параметрам, то получим следующие данные (таблица).

Примечание. *Работа возможна только при наличии схемы плавного пуска, ограничивающей ток нагрузки при включении изделия после перерыва, приводящего к полному разряду накопителя передатчика.

Последовательное и параллельное

Для получения источника большой мощности производители рекомендуют параллельное подключение стандартных DC/DC. Подобную техническую возможность предлагают многие фирмы-изготовители, в том числе компания VPT. Более того, для снижения помех все DC/DC-преобразователи способны работать синхронно, и ШИМ-контроллеры могут быть объединены в одну сеть. Тогда один из преобразователей становится Master, а остальные Server. Применение параллельного включения преобразователей позволяет получить практически любую заданную мощность.

Другое интересное включение DC/DC-преобразователей — последовательное — позволяет получить практически любое выходное напряжение. В качестве примера приведем описанное выше техническое решение системы питания передатчика с выходным напряжением 54 В.

Для получения блока питания мощностью 200 Вт были взяты два DC/DC-преобразователя производства VPT на 100 Вт с выходным напряжением 28 В, включенных последовательно (рис. 3).

Рис. 3. Схема последовательного включения модулей

Возможность подстройки выходного напряжения позволила получить заданное выходное напряжение с высокой точностью и стабильностью. Особенность этих преобразователей в том, что они прекрасно управляются и стабильно запускаются даже при критических входных условиях.

На рис. 4. видно, что один из преобразователей включается с незначительной задержкой, в момент включения ему не хватило энергии для запуска, поскольку всю энергию принял на себя первый модуль. При этом выходное напряжение обоих модулей нарастает стабильно и равномерно. Выход в рабочее состояние у них произошел одновременно, и задержка второго преобразователя не оказала влияния на время выхода системы питания в состояние готовности.

Рис. 4. Нарастание выходного напряжения модулей VPT после включения

Для сравнения аналогичную схему собрали с преобразователями другого производителя и провели аналогичные измерения режимов работы преобразователей.

На рис. 5 видно, что включение преобразователей и выход в рабочий режим не столь гладки, как в случае с применением продукции VPT. Нарастание выходного напряжения выполняется неравномерно, а включение второго происходит нестабильно.

Рис. 5. Нарастание выходного напряжения применяемых ранее модулей после включения

Выводы

1. Существенно больший средний КПД у DV200 при работе в циклическом режиме примерно в 1,5–2 раза уменьшает среднее потребление, при этом ощутимо снижается перегрев передатчика и повышается его эксплуатационная надежность.
2. Исключение схемы пуска, балластной нагрузки и упрощение «обрамления» помогает сократить габариты системы ИВЭП примерно в два раза и перейти к распределенной системе электропитания при одновременном существенном снижении стоимости.
3. Вариативность последовательного и параллельного включения DC/DC-преобразователей позволяет строить системы питания практически с любыми заданными характеристиками, при этом такая система будет отвечать самым современным требованиям и одновременно обладать гибкостью и возможностью быстро и легко изменить выходные характеристики в зависимости от требований.