Силовая электроника №3'2005

Новые изделия фирмы Interpoint: DC-DC преобразователи напряжения для специальных применений

Виктор Жданкин


Новые модели DC-DC преобразователей напряжения американской фирмы Interpoint (www.interpoint.com) предназначены для применения в системах авиационно-космического и космического назначения. В статье приводятся их основные технические характеристики, перечислены стандарты, требованиям которых соответствуют эти изделия.


В последнее время за рубежом и в нашей стране наблюдается развитие модульного направления источников питания для различных образцов радиоэлектронной аппаратуры [1]. Широкое внедрение в практику модульных принципов построения радиоэлектронных средств военного и специального назначения является основой создания современной номенклатуры источников питания, так как унификация позволяет быстро создавать специальную аппаратуру и сокращать сроки сдачи систем электропитания.

В настоящее время наиболее востребованными радиоэлектронной аппаратурой (РЭА), размещаемой на объектах наземной (стационарной и подвижной), морской, авиационной и космической техники, являются электронные модули питания с выходной мощностью 1,5-120 Вт, частотой преобразования более 200 кГц (360-675 кГц) и КПД 80-88%. При этом современные тенденции развития систем электрооборудования автономных объектов показывают, что только постоянное напряжение 27 В обязательно для всех типов самолетов, так как оно обеспечивает электропитание особо важных потребителей и аварийное [2].

На современном этапе создание новых военных и космических систем не обеспечено в полной мере отечественными электрорадиоизделиями (ЭРИ) и модулями, хотя в этом направлении за последние три года и достигнуты определенные успехи. Это вынуждает разработчиков РЭА для обеспечения заданных тактико-технических характеристик применять ЭРИ и модули питания иностранного производства. Использование элементной базы иностранного производства в вооружении и военной технике в рамках установленных требований и процедур вполне допустимо (в России порядок применения импортной техники регламентирует приказ министра обороны № 41 от 23.01.2001 г. «О порядке применения импортной комплектации в изделиях военной техники»). Применение в военной и специальной аппаратуре любой из развитых стран мира комплектующих изделий иностранного производства — не редкость.

Необходимо также отметить, что принципиально невозможно производить конкурентоспособные на внутреннем и зарубежном рынке модули питания высокого качества в небольших количествах. Только серийное, достаточно крупное производство способно оптимизировать высококачественную технологию.

Фирма Interpoint (www.interpoint.com), которая в настоящее время является подразделением корпорации CRANE Aerospace & Electronics, c 1969 года занимается разработкой и производством высоконадежных изделий энергетической электроники для военных, авиационно-космических и космических применений [3], а также микроэлектронных изделий медицинского назначения (вживляемые дефибрилляторы, кардиостимуляторы, слуховые устройства, нервные стимуляторы, а также насосы для подачи инсулина и других лекарств, вспомогательные системы для левого желудочка сердца и др.).

Центр по снабжению Министерства обороны США в Колумбусе (Defense Supply Center, Columbus — DSCC; www.dscc.dla.mil) сертифицировал производственные мощности фирмы Interpoint как отвечающие требованиям спецификаций MIL-PRF-38534 «Performance Specification, Hybrid Microcircuits, General Specification For» Class K для производства DC-DC преобразователи напряжения и помехоподавляющих фильтров для применений в бортовой аппаратуре космических аппаратов.

Необходимо заметить, что Class K является наивысшим уровнем надежности, который принят DSCC, и представляет собой более высокую ступень по отношению к уровню Class H (стандартный уровень качества для аппаратуры военного назначения). Требования к устройствам Class K включают в себя проверки конструктивного решения и производственного процесса, отбора компонентов, обучение персонала и проведение серии испытаний изделий для применения в бортовых устройствах космических аппаратов (КА). Помимо сертификации, соответствующей Class K, Interpoint гордится внесением фирмы в список предпочтительных поставщиков NASA/Goddard PPL-21 (Preferred Parts List).

Другими свидетельствами признания компании и качества ее изделий являются внесение Interpoint в квалификационный перечень производителей (Qualified Manufacturers List — QML) по MIL-PRF-38534 и сертификация по ISO 9001. Перечень стандартов, требованиям которых отвечает производство Interpoint, приведен в таблице 1.

Таблица 1. Квалификация производства фирмы Interpoint
Таблица 1. Квалификация производства фирмы Interpoint

В данной статье представлены перспективные модули питания для военных применений и радиационно-стойкие модули питания для космических применений фирмы Interpoint, поставки которых начнутся в 2005-2006 годах. Современная номенклатура радиационно-стойких изделий энергетической электроники фирмы Interpoint, методы повышения эксплуатационной надежности этих изделий, в том числе и обеспечение стойкости к воздействию ионизирующих излучений, представлены в других работах автора [4, 5].

Новые стандартные изделия DC-DC преобразователей напряжения для военных применений

DC-DC преобразователи напряжения серии MPE

DC-DC преобразователи напряжения серии MPE по габаритным размерам (37,08x28,7x8,38 мм для исполнения без фланцев, 50,93x28,7x8,38 мм для исполнения с монтажными фланцами) и расположению выводов полностью идентичны изделиям популярной серии MHF+ (рис. 1). Для моделей с низковольтными выходными напряжениями и большими значениями тока нагрузки выводы корпуса имеют диаметр 1 мм. Вместо оптоэлектронной электрической изоляции (развязки) в цепи обратной связи применяется трансформатор. Преобразователи напряжения характеризуются большей выходной мощностью и КПД (до 88%) по сравнению с существующими моделями серии MHF+ и изделиями конкурентов. При этом зависимость КПД от нагрузки (выходной мощности и входного напряжения) является чрезвычайно плоской, то есть модули питания способны работать с максимальным КПД, рассеивать допустимую мощность, и их надежность близка к максимальному значению во всем диапазоне мощностей. Зависимость КПД от выходной мощности показана на рис. 2. Учитывая тенденцию по снижению напряжения питания, разработаны модели с выходными напряжениями 1,8 В (c возможностью понижения до 1 В). Режим мягкого восстановления напряжения позволяет исключить выход за установленные пределы при частом переходе в дежурный режим, перерыве в подаче питания или при перегрузке. Преобразователи напряжения характеризуются низким уровнем пульсации выходного напряжения: типовое значение составляет 0,5% от номинального напряжения (при измерении осциллографом с полосой до 20 МГц). В модулях питания серии MPE использована однотактная прямоходовая структура преобразователя напряжения с резонансным переключением. Это решение увеличивает эффективность использования силового трансформатора.

Рис. 1. Внешний вид DC/DC-преобразователя серии MPE283R3S (исполнение без крепежных фланцев)
Рис. 1. Внешний вид DC-DC преобразователей напряжения серии MPE283R3S (исполнение без крепежных фланцев)
Рис. 2. Зависимость КПД от выходной мощности
Рис. 2. Зависимость КПД от выходной мощности для одноканальных моделей DC-DC преобразователей напряжения серии МРЕ с номинальными выходными напряжениями 1,8 и 2,5 В

Перечень моделей DC-DC преобразователей напряжения серии MPE представлен в таблице 2. Технические характеристики некоторых одноканальных и двухканальных DC-DC преобразователи напряжения серии MPE приведены в таблице 3 и таблице 4. Экспериментальные партии образцов этих преобразователей напряжения были представлены в марте 2004 года, квалификационные испытания завершены в июле 2004 года. Серийное изготовление планируется начать в 2006 году.

DC-DC преобразователи напряжения серии MWR

Преобразователи напряжения серии MWR c тремя выходными каналами питающих напряжений разработаны для замены весьма популярных в настоящее время изделий серий MHV и MTR. Первоначально эти преобразователи напряжения разрабатывались для BAE (программа разработки летательного аппарата F-35 Joint Strike Fighter — JSF).

Габаритные размеры (49,53Ч34,29Ч10,29 мм — исполнение без фланцев; 69,09Ч34,29Ч10,29 мм — исполнение корпуса с крепежными фланцами) идентичны размерам корпуса популярных трехканальных преобразователей напряжения серии MHV. В новых преобразователях напряжения использована однотактная обратноходовая структура с двумя контурами сигнала обратной связи и трансформаторной электрической изоляцией (развязкой) сигналов управления. Изделия характеризуются высокими значениями номинальной суммарной выходной мощности (до 35 Вт) и КПД (85%). Фазы двух параллельных силовых контуров, работающих на одной частоте, сдвинуты относительно друг друга на 120 °C [6]. Путем сдвига двух фаз достигается высокий уровень подавления пульсации выходного напряжения. Зависимость КПД от выходной мощности является чрезвычайно плоской, то есть модули питания работают с максимальным КПД в широком диапазоне выходных мощностей (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость КПД от нагрузки (выходной мощности) DC/DC-преобразователя серии MWR
Рис. 3. Зависимость КПД от нагрузки (выходной мощности) DC-DC преобразователя напряжения серии MWR

Режим «мягкого» восстановления напряжения позволяет исключить перерегулирование при частом переходе в дежурный режим, перерыве в подаче питания или при перегрузке. Преобразователи напряжения характеризуются низким уровнем пульсации выходного напряжения: типовое значение составляет 0,5% от номинального напряжения (при измерении осциллографом с полосой до 20 МГц).

Технические параметры преобразователей напряжения серии MWR приведены в таблице 6. Внешний вид трехканальной модели MWR28515T (исполнение без крепежных фланцев) представлен на рис. 4.

Рис. 4. Внешний вцц DC/DC-преобразователя MWR28515T
Рис. 4. Внешний вид DC-DC преобразователя напряжения MWR28515T

Опытные образцы модели MWR28515T были представлены в декабре 2003 года. Экспериментальные образцы изготовлены в марте 2004 года. Серийное производство планируется начать в 2006 году.

В таблице 7 приведены модели DC-DC преобразователей напряжения серии MWR с двумя каналами выходных напряжений, планируемые к выпуску в ближайшей перспективе.

Таблица 7. Модели DC/DC-преобразователей серии MWR с двумя выходными каналами питающих напряжений
Таблица 7. Модели DC-DC преобразователей напряжения серии MWR с двумя выходными каналами питающих напряжений

Помехоподавляющий фильтр FMT-461

Для уменьшения помех, распространяющихся по цепям питания, устранения высокочастотных связей, подавления широкополосных помех и защиты устройств, чувствительных к помехам, фирма Interpoint предлагает для применения с сериями MPE и MWR новую модель помехоподавляющего фильтра FMT-461, основные параметры которого приведены в таблице 8. Фильтр снижает кондук-тивные помехи, возникающие при работе DC-DC преобразователей напряжения; вносимое затухание на частоте 1 МГц равно 70 дБ. Дроссели фильтра выполнены из бескаркасных ферритовых сердечников, температура их перегрева не превышает 20 °С, что определяет высокие параметры и технические характеристики изделий, такие, например, как надежность, долговечность, устойчивость к воздействию внешних климатических и механических нагрузок. Конструкция помехоподавляющего фильтра FMT-461 приведена на рис. 5.

Рис. 5. Конструкция помехоподавляюшего фильтра FMT-461 (крышка снята)
Рис. 5. Конструкция помехоподавляюшего фильтра FMT-461 (крышка снята)
Таблица 8. Технические характеристики помехозащитного фильтра FMT-461 (при25°С)
Таблица 8. Технические характеристики помехозащитного фильтра FMT-461 (при25°С)

Новые изделия для бортовой аппаратуры космических аппаратов

Важнейшую роль в обеспечении длительной и безотказной работы РЭА в космических условиях играет стойкость ее элементов и материалов конструкции к воздействию факторов космической среды.

Радиационная стойкость — одна из важнейших характеристик РЭА, предназначенной для применения в составе бортовой аппаратуры (БА) космических аппаратов. Радиационная стойкость аппаратуры определяет в основном срок ее активного существования.

Создание высокоэффективных надежных структур радиационностойких изделий энергетической электроники является сложной задачей, требующей разработки методов и средств для расчета, моделирования и оптимизации схемотехнических решений, создания и эксплуатации контрольно-измерительного и испытательного оборудования для эффективной отбраковки потенциально дефектных электрорадиоизделий, разработки методик и специальной аппаратуры для исследования последствий воздействия ионизирующего излучения (пострадиационный эффект) и оценки радиационной стойкости изделий по результатам испытаний на радиационных моделирующих установках и т. д.

Эти задачи успешно решены фирмой Interpoint, предлагающей радиационностойкие DC-DC преобразователи напряжения и помехоподавляющие фильтры для применений в бортовой аппаратуре КА при высоком уровне радиационного фона [4].

В настоящее время фирма Interpoint провела опытно-конструкторские работы, направленные на разработку новой серии радиационностойких модулей питания серии SMRT (рис. 6). Многоканальные модули питания специально разрабатываются для организаций, специализирующихся в разработке аппаратуры для космических систем: Orbital Sciences, Boeing, Honeywell Space Systems, JPL, NASA и др.

Рис. 6. Радиационностойкий DC/DC-преобразователь серии SMRT
Рис. 6. Радиационностойкий DC-DC преобразователи напряжения серии SMRT

В результате ОКР достигнуты следующие значения эксплуатационныхпоказателей:

  • Предельная поглощенная доза радиоактивного излучения — до 1 Mрад (Si).
  • Усовершенствованные испытания на воздействие ионизирующего излучения низкой интенсивности — до 0,01 рад/c (Si) в течение более 1000 часов на г-установках с изотопом 60Co, согласно процедуре Method 1019.6 Ionizing Radiation (Total Doze) Test Procedure стандарта MIL-STD-883F.
  • Спецификация показателя радиационных эффектов от воздействия отдельных ядерных частиц (одиночные сбои Single Event Effects — SEEs; Single Event Upsets — SEUs и эффекты защелкивания изделий Single Event Lutchup — SEL). Достигнут показатель Linear Energy Transfers (LET — удельные линейные потери энергии ЛПЭ) 115 MэВ·см2/мг.
  • Возможность работы при чрезмерно низких температурах (до -90 °C).
  • Наличие в серии изделий с одним, двумя, тремя и четырьмя изолированными каналами.
  • Преобразователи напряжения оснащены входными по-мехоподавляющими фильтрами кондук-тивных помех и ограничителями пускового тока.
  • Широкий диапазон напряжений питающей сети: 19-56 В с допусками в соответствии с MIL-STD-975M. Необходимо заметить, что расширение предельного рабочего напряжения в сторону высоких значений позволит применять эти преобразователи напряжения с промежуточной шиной Space European Bus и принятой в Японии шиной источника входной электроэнергии КА.
  • Выходные напряжения с низким уровнем пульсаций (примерно десятки мВ, максимум 120 мВ от пика до пика, измеряемых осциллографом с полосой до 20 МГц). Уровень пульсаций выходных напряжений соответствует требованиям стандарта MIL-STD-461E, условие CE03.
  • Диапазон выходных мощностей от 30 до 50 Вт (в зависимости от конфигурации). В настоящее время трехканальная модель характеризуется выходной мощностью 40 Вт.
  • Две группы изолированных выходных каналов питающих напряжений могут быть сконфигурированными следующим образом: только один канал; один канал и два симметричных (дополнительные «+» и «-») канала; два симметричных канала питающих напряжений.
  • Три уровня оценки по качеству: O, H, K.

Конструкторские решения преобразователей напряжения

Преобразователи напряжения серии SMRT созданы с применением технологии удвоения фазы и сдвига фазы на 180° [6]. В контурах обратной связи для изоляции сигналов управления применяются трансформаторы, при этом все выходные каналы изолированы друг от друга и от шин источника входной электроэнергии. Применение метода широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с постоянной рабочей частотой, обратной связью по напряжению и дополнительной обратной связью по току дросселя позволяет получить высокий КПД при низких уровнях напряжения. Каждый из двух преобразователей напряжения, размещенных внутри герметизированного корпуса, может быть сконфигурирован на один или два выходных канала. Таким образом, каждый из обратноходовых преобразователей может реализовать однока-нальную, двухканальную, трехканальную или четырехканальную структуру. Применение двух контуров обратной связи позволяет исключить перекрестные влияния между основным и дополнительными каналами выходных напряжений. Ограничение тока в случае отказа на одном выходе (группе выходов) происходит независимо от других каналов и без влияния на них. Еще одним достоинством преобразователей напряжения серии SMRT является отсутствие ограничений на минимальное значение тока нагрузки, которое является важным показателем надежности системы. Конструкция модулей питания предусматривает возможность расширения диапазона входного напряжения до 100 В, а также интеграцию ограничителя пускового тока.

Отдельной задачей является снижение производственных затрат при изготовлении модулей питания посредством минимизации доли ручных сборочных операций и оптимизации организации производства. Технологичность изделий обеспечивают: отсутствие многослойных покрытий, минимальное количество резистивных паст (до 3), исключение пайки оплавлением припоя, крепление подложки посредством одной операции, применение соединительных проводников одного размера и компонентов для поверхностного монтажа, исключение без необходимости промежуточных операций по сборке магнитных компонентов, закрепление магнитных компонентов сваркой, применение новых паст, не содержащих кадмия, и др.

В производстве модулей питания фирмы Interpoint используются или планируются к применению следующие новшества:

  • применение плоских проводников внутри корпуса для проволочных соединений;
  • применение в качестве покрытия никеля вместо золота;
  • применение новых фиксирующих эпоксидных материалов;
  • использование сварки сплошным швом при установке кристаллодержателя на поверхность с гальванически нанесенным слоем никеля;
  • применение планарных магнитных компонентов.

Заключение

Новые DC-DC преобразователи напряжения для авиационных применений и радиационно-стойкие преобразователи постоянного напряжения фирмы Interpoint создаются на основе высокочастотных структур (рабочие частоты преобразования от 360 до 550 кГц), в которых используется двухфазовая схема, работающая со сдвигом по фазе на 120° или 180°, а также оригинальное решение для размагничивания магнитопровода силового трансформатора [7], что позволяет уменьшить массогаба-ритные показатели, улучшить энергетические характеристики, снизить уровни электромагнитных помех.

Применение новых материалов и современных компонентов, а также оптимизация технологических процессов изготовления позволяют значительно снизить производственные затраты и повысить качество изделий.

Литература

1. Исаев В. М. Тенденции развития источников вторичного электропитания специального назначения // Устройства и системы энергетической электроники. Тезисы докладов научно-технической конференции УСЭЭ-2000. M: НТФ ЭНЭЛ, 2000.

  1. Ермошин В. М., Конев Ю. И., Соловьев И. Н. Системы электрооборудования автономных объектов // Устройства и системы энергетической электроники. Тезисы докладов научно-технической конференции УСЭЭ — 2000. М.: НТФ ЭНЭЛ, 2000.
  2. Жданкин В. К. Вторичные источники питания фирмы Interpoint // Современные технологии автоматизации. 1997. № 4.
  3. Жданкин В. К. Радиационностойкие изделия энергетической электроники фирмы Interpoint// Электрическое питание. 2004. № 1.
  4. Жданкин В. К. Устойчивость гибридных DC-DC преобразователи напряжения к воздействию ионизирующих излучений космического пространства // Современные технологии автоматизации. 2005. № 3.
  5. Jay А. Kuehny, Michelle Manson. New phase technology boosts dc/dc // Electronic Engineering Times. A CMP Publication. August 14, 1995.
  6. Ming L. Chen Kirkland, Jay A. Kuehny. DC-to-DC Converter with Secondary Flyback Core Reset. US Patent Number: 5521 807. Date of Patent: May 28, 1996.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2005_03_64.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо