Силовая электроника №2'2008

Контрактная разработка устройств силовой электроники: один из путей генерирования новых идей

Владимир Ланцов

Cаркис Эраносян

Кратко изложены основные представления о контрактных разработках (проектирование на заказ) устройств силовой электроники, в том числе и источников электропитания. Приводятся конкретные примеры разработки уникальных и особо сложных силовых устройств. На их основе сделана попытка сформулировать условия успешного проведения значимых контрактных разработок в силовой электронике. Показано, что контрактные разработки часто приводят к появлению новых направлений и идей в силовой преобразовательной технике.

Под заказной (контрактной) электроникой понимается широкий спектр электронных изделий, начиная от заказных кристаллов, микросхем и кончая электронными системами большой сложности или мощности. Для современного понимания проблематики заказных силовых устройств предварительно дадим краткую ретроспективную информацию о Всероссийской конференции «Разработка электроники на заказ», проводившейся 3 ноября 2005 года в Санкт-Петербурге. Организаторы конференции –— издательский дом (ИД) «Электроника» совместно с ведущими российскими дистрибьюторами электронных компонентов («ЭЛТЕХ», «ПетроИнТрейд», « КОМПЭЛ») и рядом ведущих фирм по разработке отечественной электроники. Одному из авторов довелось быть участником этой конференции. Конференция такого масштаба проводилась в Санкт-Петербурге потому, что центр разработки электроники, по мнению И. А. Покровского, директора ИД «Электроника», в будущем возможно переместится сюда. В Санкт-Петербурге сосредоточен мощный научно-технический потенциал, более дешевая рабочая сила (в Москве зарплата на 30–50% выше). При этом надо учитывать, что имеется реальное дополнение как кадровых, так и иных ресурсов всего Северо-Запада, а также образование свободной экономической зоны и положение «окна» в Европу. Другие центры развития электроники — это Москва, Екатеринбург и Новосибирск [1].

Актуальность этой проблемы, а также определенный застой при решении задач в части контрактных разработок побудили авторов вернуться к этой тематике и проанализировать важные проблемы создания перспективных устройств силовой электроники.

Целью конференции было помочь российским компаниям в решении следующих задач: а) разработка уникальной продукции; б) внедрение новых технологий; в) сокращение выпуска новых, но недостаточно перспективных продуктов на рынок; г) эффективное использование интеллектуального потенциала.

Результаты Всероссийской конференции

В докладах, сообщениях и выступлениях были использованы как отечественные информационные материалы, так и зарубежные. В частности, было указано на восстановление мирового рынка электроники после краха 2000–2001 годов. Отмечено отсутствие ключевого локомотива развития рынка (“killer application”), каким были в свое время аудио- и видеотехника, TV, компьютеры, средства мобильной связи. Стратегия рынка в период восстановления: рост через изучение и овладение «прорывной» информацией, слияние и поглощение, увеличение скорости реагирования на требования клиентов и снижение себестоимости продукции. Тенденции в 2001–2005 годах: увеличение расходов на разработки на 15–20% (до 15% от объема продаж); сокращение сроков разработки новой продукции на 15–20%.

Актуальные проблемы зарубежных компаний: около 55% разработок не осуществляются в планируемые сроки; около 45% разработок не укладываются в планируемый бюджет. Кроме того, не доходят до производства почти 40% разработок. Ключевая функция для преодоления этих недостатков — оптимальный менеджмент и наращивание интеллектуального потенциала. При этом наблюдается парадоксальный вывод: увеличение числа разработок ведет к уменьшению расходов на разработки. Новое заключается в том, что лидеры разработки — инновационные центры (дизайн-центры) — теперь ценятся больше, чем лидеры-производители (контрактные производства). Дизайн-центры (не путать с центрами по художественному проектированию) начинают успешно конкурировать с контрактными производителями (рост первых — до 30–40% в год). Контрактные производители печатных плат (ПП) из-за низкой прибыльности этого бизнеса заводят собственные дизайн-центры не только по разводке ПП, но и по разработке полной документации на них, а также переходят к разработке некоторых электронных устройств. В частности, можно указать на австрийскую компанию AT&S [2], являющуюся одним из лидеров европейского рынка и одним из крупнейших в мире производителей ПП. Среди отечественных фирм известны следующие контрактные производители электроники: «Микролит» (Зеленоград), «Фаствел» (Москва), «Эрикон» (Санкт-Петербург), «Элор» (Санкт-Петербург), «ЭЛС» (Тула) и др.

Среди тенденций выделяется оптимизация соотношения «своя разработка — разработка на заказ» (разработка «на стороне»). Прогноз — увеличение доли контрактных разработок. В обзоре ситуации на российском рынке контрактной электроники отмечено, что государство, в первую очередь Министерство обороны, не удовлетворено существующим положением дел на рынке заказной электроники.

Рынок контрактных производств развивается бурно — не менее 100% в год, начиная с 2004 года. Был провозглашен тезис: «Ставка на контрактную разработку — судьба России!» Это связано как с исторической нацеленностью научно-технических работников (НТР) на разработку, так и со сложившейся еще в СССР практикой управления проектами. Высказанный тезис коррелируется с другим лозунгом президента России В. В. Путина — «Россия должна быть страной высоких технологий!»

Конечно, все это нуждается в переосмыслении и введении новых технологий управления. В настоящее время потенциал российского рынка электроники характеризуется следующими показателями: общий объем продаж около млрд, из которых потенциал разработки — около 15%, причем ≈20% из них приходится на электронные компоненты. Развитие рынка услуг, прежде всего, — это разработка электроники на заказ.

Даже зарубежные фирмы (Analog Devices, например) беспокоятся, что все меньше становится знающих и опытных специалистов, которые смогут работать с новыми поколениями аналоговых микросхем высокой степени интеграции. Примерно такое же положение обстоит с разработкой наиболее перспективных, особенно мощных, источников вторичного питания (ИВЭ). Условия возникновения заказа на разработку определяются тем, что нет (или мало) своих ресурсов или необходимо существенно ускорить процесс разработки. Типовой заказчик разработки – это продавец, изготовитель, не имеющий профильной команды разработчиков, фирма с нехваткой своих ресурсов для проектирования. Иными словами, это компания, работающая по «модульной» (то есть подразумевающей синтез аппаратуры на основе функционально законченных устройств) стратегии разработок.

Наряду с разработкой подробных технических требований, очень важными являются коммерческие требования: стоимость выполнения разработки, сроки и прогнозируемая цена конечной продукции. Минимизация риска при заказе зависит от знания рынка и опыта команды заказчиков. Виды (особенности) проектов: фиксированная цена, фиксированное время или комбинированный вариант.

На конференции были рассмотрены основные принципы и особенности разработчика-соисполнителя, принципиально знакомые нам по ЕСКД «Порядок проведения НИОКР», но с учетом особенностей работы фирм в условиях рыночной экономики (ПА «Контракт-Автоматика», Москва). НТЦ «МОДУЛЬ» (Москва) представил конкретный пример разработки на заказ и последующего производства одной из систем на кристалле. Участие в международном разделении труда позволило этой фирме воплотить все наиболее интересные тенденции в сфере высоких технологий. Использовались и разработки на заказ, переданные для исполнения зарубежным компаниям: специалисты из Англии по заказу «МОДУЛЯ» разработали высокоскоростной (600 Мб/c) АЦП для системы на кристалле 1870ВМ3. Благодаря сотрудничеству с дизайн-центром фирмы Fujitsu, НТЦ «МОДУЛЬ» имеет доступ к полупроводниковым технологиям от 0,09 до 0,35 мкм. Участие в международном разделении труда в настоящее время не имеет альтернативы ни для индустриально развитых стран, ни для интенсивно развивающихся стран с переходной экономикой — так называемые БРИК (Бразилия, Россия, Индия, Китай).

Заметим, что контрактная разработка электроники в России действительно начинает развиваться. В журнале [3] открыт специальный раздел «Контрактная разработка», в котором помещена реклама некоторых фирм, работающих в этой области. В частности, инновационная компания Promwad [4] предлагает разработку:

  • электроники в аппаратуре встраиваемых систем;
  • программного обеспечения для встраиваемых систем;
  • дизайн корпуса и пользовательского интерфейса.

Тенденции развития контрактного производства (КП) электроники обозначены в статье [5]. Как видно из этой статьи, причина роста КП обусловлена как склонностью европейского рынка к уменьшению партий собираемых плат при повышении их сложности, так и снижением рентабельности их производства в Юго-Восточной Азии, когда речь идет о небольших и средних партиях. Важным критерием «живучести» контрактной компании является выработка продукции на одного работника. В западных компаниях она составляет от 120 до 180 тысяч евро в год. Руководители КП в России стремятся к повышению выработки на одного работающего, так как сегодня этот объем в несколько раз меньше среднеевропейского. Один из путей увеличения выработки — это достижение большего времени загрузки установленного дорогого оборудования и оптимальной схемы размещения высокопроизводительных машин.

Необходимо отметить, что КП в России в основном сосредоточено на производстве, монтаже и сборке печатных плат, а также опытном и серийном изготовлении моточных изделий. В связи с этим представляет интерес анонс нового предприятия на рынке контрактной сборки [6]. Речь идет о ЗАО «Связь инжиниринг», которое приняло решение о строительстве нового производственного комплекса площадью в 27 000 м2. При этом, кроме известного спектра услуг КП, эта компания предлагает услуги по выполнению разработок «с нуля» по ТЗ заказчика. По мнению автора статьи [6], отделы фирмы, которые занимаются разработкой электронных схем, «обладают потенциалом, позволяющим осуществлять контрактную разработку электронных изделий любой сложности по техническому заданию заказчика».

Анализируя изложенное, отметим, что в принципе все это — некоторое переосмысление известных со времен СССР фактов с попыткой выделить основные черты, полезные в новых рыночных условиях. Но поскольку это относится к проблемам всей электроники, а примеры приводятся для интегральных микросхем, микропроцессорной техники и т. п., то представляет интерес рассмотрение аспектов этой проблемы для силовых устройств в современных условиях. На наш взгляд, для лучшего понимания всего комплекса проблем целесообразно рассмотреть на конкретных примерах практику проведения заказных разработок, которые имели место в прежние времена в Советском Союзе.

Немного истории

В Советском Союзе была достаточно широко развита практика заказных разработок, особенно на предприятиях военно-промышленного комплекса. Речь идет, конечно, о разработках высокой сложности, а в ряде случаев и уникальных. В первую очередь имеются в виду директивные «заказы» ВПК, которые были подкреплены постановлениями ЦК КПСС и Совета Министров в области новых видов ракетной техники, авиации, подводного флота и т. п. Над крупными проектами работали десятки и сотни научно-исследовательских отраслевых институтов (НИИ), институтов Академии наук СССР и союзных республик, лучших вузов, конструкторских бюро (КБ) и заводов. Характерные черты таких крупных заказов:

  1. значительное (порой неограниченное) финансирование разработок;
  2. чрезвычайно сжатые сроки выполнения проекта и жесткий контроль выполнения, в том числе и по этапам работы (для справедливости заметим, что по известным причинам, с 1980-х годов этот контроль стал ослабевать);
  3. возможность получения закрытой, особо важной информации по аналогичным, не только отечественным, но и зарубежным разработкам. Возможность закупки новейших образцов электронных компонентов, а также различных устройств и приборов;
  4. широкая возможность привлечения, например, для консультаций, высококвалифицированных специалистов;
  5. качественное выполнение поставленных задач могло подкрепляться как престижной работой, так и быстрым техническим ростом и продвижением по службе, высокими категориями окладов, включая премии на этапах разработки и т. д.;
  6. возможность оперативного доступа к экспериментальной производственной базе для быстрой проверки вариантов технических решений;
  7. институт (организационная структура) главных конструкторов по классам систем и устройств, в том числе и по отдельным отраслям техники.

Надо отметить, что организация важных заказных разработок в промышленности, по существу, в основных чертах повторяла описанную выше систему для предприятий ВПК, но, к сожалению, без таких широких финансовых возможностей.

Отметим также, что вначале в СССР была принята «горизонтальная» структура, при которой независимо друг от друга существовали НИИ, КБ и заводы. Объединение их, с точки зрения единой технической политики и выпуска необходимой новой продукции, обеспечивали отраслевые министерства.

На Западе, наоборот, были приняты преимущественно замкнутые «вертикальные» структуры. В компании были и завод, и КБ, и центр по разработке и исследованиям.

Начиная с конца 1960-х годов в Советском Союзе начали ускоренно создаваться научно-производственные объединения (НПО), включающие НИИ, КБ и завод. С одной стороны, была надежда, что это несколько сократит управленческий персонал, уменьшит роль бюрократических барьеров, приблизит разработки к производству, ускорит внедрение продукции. С другой стороны, как и многие другие новации в СССР, эта идея приняла характер «компанейщины», порождая часто необоснованные случаи слияния или разъединения организаций и предприятий.

Кроме того, в ряде случаев имели место такие негативные процессы, как сокращение объемов научно-исследовательских работ (НИР), что приводило к уменьшению научных заделов, сокращению и даже ликвидации экспериментальных производств и т. п. Иными словами, везде надо соблюдать «золотую» середину, то есть «чем ближе к крайностям, тем дальше от истины!»

Примеры заказных разработок силовых устройств

Приведем некоторые конкретные примеры сложных разработок на заказ, известных авторам в этой области. Авторы полагают, что примеры удачных и не совсем удачных разработок будут и поучительны, и интересны, особенно для молодого читателя. Кроме того, они позволят наглядно показать особенности серьезных разработок на заказ силовых устройств.

Пример 1. Разработка малогабаритного сварочного генератора для проведения экспериментальных работ в космических объектах.

Один из авторов в конце 1960-х и начале 1970-х годов был ознакомлен с силовой платой, в которой было осуществлено по существу параллельное соединение 1000 (тысячи) германиевых транзисторов типа МП-26. Параметры транзистора: максимальное напряжение на коллекторе Uк = –70 В при окружающей температуре +70 °C, а ток коллектора в режиме насыщения Iк.нас. = 400 мА. Собственно задача, которая была поставлена перед разработчиками, состояла в том, чтобы сделать силовой электронный ключ на 100 А с малыми потерями мощности и высокими параметрами надежности. Этот силовой ключ требовался для сварочного прибора, который предназначался для проведения сварочных экспериментов на космическом объекте в условиях невесомости. Для реализации этого проекта было найдено нестандартное, оригинальное техническое решение. Работа проводилась группой специалистов под руководством замечательного ученого, который потом стал заместителем директора по научной части, — Ю. И. Драбовича в Институте электродинамики Академии наук Украинской ССР [7]. В этой работе принимали участие и специалисты из других предприятий. Благодаря проведенным исследованиям был разработан новый метод обеспечения высокой надежности силовых ключевых устройств (метод глубокого секционирования). Суть этого метода заключается в искусственном расчленении функционального элемента, например, транзистора, на большое количество параллельно включенных секций. В процессе работы было доказано, что для увеличения надежности устройства исключительно выгодно увеличивать глубину секционирования, то есть, в нашем случае, увеличивать число параллельно включенных транзисторов. Естественно, что при параллельном соединении транзисторы должны быть защищены предохранителями, обеспечивающими отключение секции при пробое любого из их переходов.

Таким образом, в результате контрактной разработки было найдено такое успешное решение, которое не только позволило получить экономичный, сверхнадежный, «плоский и легкий» силовой электронный ключ, но и открыло новое направление для синтеза мощных силовых ключей. Подтверждением этому служит разработка мощного модуля, выполненная в конце 1970-х годов под руководством доцента кафедры электротехники ЛИТМО В. В. Тогатова (впоследствии профессора). Это был силовой ключ на основе параллельного соединения кристаллов транзисторов с температурным ограничением для выравнивания токов через каждый кристалл. Электрические параметры мощного модуля: максимальный ток 250 А, максимальное напряжение закрытого ключа 120 В, напряжение в открытом состоянии ≤0,7 В. Модуль нечувствителен к токовым перегрузкам и имеет автоматическую тепловую защиту. Работа выполнена отраслевой лабораторией ППТ ЛИТМО по заданию ВЭИ им. В. И. Ленина.

Пример 2. Разработка мощного высоковольтного источника питания с высокой стабильностью напряжения на основе высокочастотного преобразователя.

Рассмотрим эту разработку несколько подробнее, поскольку ее особенности, во-первых, наглядно характеризуют некоторые из главных условий разработок на заказ устройств высокой сложности, а во-вторых, одному из авторов статьи пришлось быть рецензентом этой работы, и поэтому все детали разработки доподлинно известны.

В 1970-80 годах одно Ленинградское НПО в числе прочей аналитической аппаратуры выпускало большими партиями (100 и более штук в год) рентгеновские аппараты (РА) для структурного анализа веществ — дифрактометры типа ДРОН (ДРОН-3, ДРОН-4 в различных исполнениях). Неотъемлемой частью этих аппаратов является мощный (1–3 кВт) высоковольтный (до 50–60 кВ) источник питания (ВвИП) рентгеновской трубки (например, БХВ-6). Такой ВвИП имеет регулируемые в широком диапазоне параметры выхода как по высокому напряжению (), так и по анодному току (Ia). Этот блок должен обладать высокой стабильностью поддержания параметров (сотые – десятые доли процента) по и Ia. Первоначально использовался покупной низкочастотный (50 Гц) ВвИП типа ИРИС-М, ИРИС (ПО «Научприбор», г. Орел), имеющий большие габариты и массу от 450 до 640 кг. Этот ВвИП обеспечивал следующие параметры: = (–2...–60) кВ, Ia = (2...60) мА и нестабильность порядка ±0,01...±0,2% (за 12 ч работы при всех дестабилизирующих факторах). По электрическим параметрам он полностью удовлетворял всем требованиям рентгеновских аппаратов. Но габаритные размеры и масса были недопустимо велики. Понятно, что использование такого крупногабаритного ВвИП резко снижало конкурентоспособность РА типа ДРОН-4 и последующих поколений. В связи с этим, с середины 1980-х годов остро возник вопрос о замене блока ИРИС-М на малогабаритный ВвИП, построенный на основе высокочастотного (ВЧ) преобразователя. Это позволило бы также значительно уменьшить объем трансформаторного масла в высоковольтном блоке (генераторном устройстве — ГУ), применяемого для охлаждения высоковольтного трансформатора и умножителя напряжения. Подобные высоковольтные источники уже давно выпускались за рубежом.

При определенном исполнении ВвИП с ВЧ-преобразователем его можно было применять также и в других РА. Например, в рентгенолюминесцентных сепараторах алмазосодержащего или другого ценного минерального сырья [8]. Однако поставщик блока ИРИС-М технически не мог выполнить такую разработку. К сожалению, не удалось найти и других предприятий, которые взялись бы за полномасштабную разработку требуемого преобразовательного ВвИП.

В этих условиях руководство НПО приняло «соломоново» решение: одной из кафедр Томского политехнического института была заказана НИР о возможности разработки мощного преобразовательного ВвИП (структура, схемные решения на отечественных компонентах, соображения по обеспечению устойчивости работы и т. п.). С целью облегчения разработки при поддержке Министерства приборостроения НПО был приобретен зарубежный аналог — ВвИП типа Kristalloflex 710H (Siemens, Германия). Вместе с образцом было получено подробное техническое описание с приложением основных схем. Этот блок в НПО был исследован для уточнения схемотехнических решений, режимов электронных компонентов и конструктивных решений. Таким образом, заказчиком было министерство, так как финансирование разработки происходило из госбюджета. ВвИП типа Kristalloflex 710H выполнен с преобразованием на частоте (20 кГц) и имеет следующие параметры: = (20...55) кВ; Ia = (5...60) мА; Рвых. макс = 2,7 кВт; нестабильность не более ±0,02% при работе от однофазной сети ~220 В, 50 (60) Гц. Габаритные размеры 438q253q704 мм; масса 75 кг (сравните с 450 кг).

Упрощенно структура синтеза канала высокого напряжения этого ВвИП включала:

  • Сетевой фильтр помех.
  • Управляемый регулятор напряжения питания Uп = (200...400) В для ВЧ-преобразователя высокого напряжения, включающий управляемый выпрямитель, удвоитель на двух тиристорах и двух конденсаторах.
  • Мостовой инвертор на транзисторах BUV98A (Philips) — 2 штуки параллельно в плече. Резонансный характер нагрузки инвертора обеспечивает минимальные коммутационные потери мощности в транзисторах в момент их выключения.
  • Высоковольтный блок, состоящий из трансформатора, умножителя напряжения по диодно-мостовой псевдосимметричной схеме, а также датчиков обратной связи по , Ia и различных защитных элементов.

Высоковольтный блок выполнен в металлическом кожухе, заполненном трансформаторным маслом, и имеет устройство воздушного охлаждения.

Рассмотрим компоненты зарубежного ВвИП, замену которых на отечественные предстояло решать при разработке нового блока. Параметры мощного биполярного транзистора BUV 98A [9]:

Параметры быстродействия: ton = 0,8 мкс; время рассасывания неосновных носителей (ts, мкс.); ts = 0,8 мкс.

Высоковольтный трансформатор выполнен на сердечнике из четырех П-образных ферритов (ПП90×80×30). Между кернами сердечников есть воздушный зазор для снижения эффекта подмагничивания и одновременно для охлаждения магнитопровода.

Обмотки расположены на одном керне. Первичная обмотка - бескаркасная прямоугольная, ближайшая к керну. Вторичная обмотка — бескаркасная трапециидальная, выполненная виток к витку. Высоковольтная обмотка имеет барьерную изоляцию от второго керна. В умножителе использованы малогабаритные высоковольтные диоды АSSY (всего 26 штук), соединенные последовательно по 2 и 3 штуки. Малогабаритные конденсаторы 10 нФ, 8 кВ (всего 66 штук) фирмы Siemens соединены последовательно-параллельно с увеличением количества конденсаторов по мере удаления от низкопотенциальной ступени умножения.

Были рассмотрены следующие возможные замены компонентов, реально осуществимые в то время. Для полной замены каждого транзистора необходимо было использовать 5 транзисторов типа КТ840А, КТ841А или 4 транзистора КТ872А параллельно. При этом необходимо:

  1. включать специальные (симметрирующие) резисторы;
  2. производить отбор (подбор) транзисторов, например, избегая использования образцов транзисторов с аномально хорошими параметрами, значительно лучшими, чем средний уровень. Сложнее обстояло дело с подбором высоковольтных диодов, так как в наличии были только маломощные столбы типа КЦ106Г с параметрами: URRM = 10 кВ, IF = 10 мА, ƒmax = 20 кГц. Для обеспечения тока порядка 50 мА необходимо параллельно включить 7–8 штук таких столбов (всего более 150 штук). При этом необходимо было строго отбирать их по величине прямого падения напряжения.

Наибольшую сложность представляло проектирование высоковольтного трансформатора, как из-за отсутствия отечественных ферритов с параметрами, близкими к зарубежным, так и по причине недостаточного опыта проектирования таких мощных высоковольтных трансформаторов.

Поэтому если сразу начать разрабатывать прямой аналог ВвИП типа Kristalloflex 710H, то, скорее всего, получился бы ненадежный и не серийноспособный блок.

Наиболее реально было бы начать разрабатывать преобразовательный ВвИП с мощностью 1–1,5 кВт, тем более что для некоторых модификаций ДРОН требовались облегченные режимы работы блока: 30 кВ — 30 мА; 40 кВ — 25–30 мА; 50 кВ — 20–25 мА. Далее, приобретя необходимый опыт, можно было перейти к более мощному (2–2,5 кВт) ВвИП.

Так и поступили. К сожалению, уже в это время остро ощущался недостаток квалифицированных кадров. В рабочей группе из 4-х человек только один разработчик имел соответствующую квалификацию в области высоковольтной преобразовательной техники, так как раньше имел опыт работы с мощными высоковольтными импульсными источниками питания. Но в них не требовалась высокая стабильность, много разновидностей защиты от перегрузок и т. п. Остальные работники, включая конструктора – «высоковольтника», имели лишь опыт проектирования маломощных преобразовательных ВвИП. Все эти обстоятельства, плюс дефицит времени привели к тому, что макет ВЧ преобразовательного ВвИП часто выходил из строя и работал неустойчиво.

В 1992 году было принято волевое решение сосредоточиться на разработке преобразовательного ВвИП на средней частоте 2–3 кГц с мощностью 1,5–2 кВт уже для другого класса РА — люминесцентных сепараторов.

В этом ВвИП инвертор был выполнен на быстродействующих мощных тиристорах, в умножителе использовались более сильноточные столбы типа КЦ20Х, способные работать на этих частотах. В 1994–96 годах было выпущено несколько десятков таких ВвИП. Однако по финансовым и другим соображениям, например, требованиям к простоте обслуживания и ремонта было принято следующее решение.

Основной заказчик (горно-обогатительные комбинаты компании «АЛРОСА», Якутия) попросил вернуться к низкочастотным ВвИП, более простым, чем ИРИС-М [3]. А затем они были заменены на импульсные ВвИП [8].

Что касается аппаратов типа ДРОН-4, ДРОН-6, то они по-прежнему комплектовались громоздкими низкочастотными ВвИП типа ИРИС-М.

В 2001 году было принято решение о приобретении импортного преобразовательного ВвИП типа Compact 3K5 компании Ital Structures (Италия). Электрические параметры этого блока практически аналогичны ВвИП Kristalloflex 710H, но он более совершенен по конструкции и выполнен на современных компонентах (IGBT, драйверы) Так, в конечном счете, с малым результатом закончилась разработка мощного преобразовательного ВвИП, хотя в процессе работы были получены некоторые положительные промежуточные результаты.

Основные причины неудачного опыта разработки мощного преобразовательного ВвИП, по мнению авторов, следующие:

  • как уже упоминалось, рабочая группа фактически не была укомплектована квалифицированными разработчиками в области высоковольтной преобразовательной техники (по существу был только один);
  • не было оптимального управления со стороны руководства ходом разработки принципиально нового для фирмы ВвИП, слабое внимание уделялось возникающим трудностям (кадры, дополнительное макетирование устройств, снабжение электронными компонентами и т. п.);
  • окончание разработки преобразовательного ВвИП пришлось на первые годы тяжелого времени реформ (форс-мажорный фактор) со всеми вытекающими последствиями: прекращение с конца 1992 года финансирования со стороны госбюджета (министерства), отток кадров, ограничения по услугам производства и другие).

Пример 3. Разработка мощного источника бесперебойного питания оптимальной структуры.

В 1994 году предприятие ЗАО «Электро-Петербург» (Санкт-Петербург), выиграло тендер на оснащение (заказ и поставка) силовым электрооборудованием строящегося здания Санкт-Петербургской Валютной Биржи. Одним из важных этапов этой работы было проведение открытого конкурса на поставку агрегатов бесперебойного питания (ИБП) для нужд вычислительного центра, расположенного в здании Валютной Биржи. Для повышения качества при отборе и анализе представленных на конкурс различными фирмами изделий (ИБП различной мощности) было предварительно проведено маркетинговое исследование различных типов блоков бесперебойного питания, серийно выпускаемых как отечественными, так и зарубежными производителями.

Проведенный анализ рынка и номенклатуры изделий и систем бесперебойного питания показал, что при правильном выборе номинальной мощности ИБП, а также при получении лучшего соотношения цена/качество для ряда важнейших технических параметров блока возможна рентабельная разработка нового оригинального изделия этого класса для отечественного серийного производства. Этому решению способствовал также факт, что в это же время несколько отечественных компаний, таких как НПО «Аврора», обратились к ЗАО «Электро-Петербург» по поводу разработки мощных (2 кВт и более) источников бесперебойного питания оптимальной структуры.

Однако финансировать разработку нового ИБП они не смогли, но обещали при внедрении у них выплатить стоимость разработки (с учетом прибыли). В результате, «Электро-Петербург» выполнил разработку принципиально нового ИБП, практически полностью за счет своих средств. Один из авторов был научным руководителем и непосредственным разработчиком оригинальных решений по структуре ИБП, основных схемотехнических решений и алгоритма функционирования. Новый подход к синтезу ИБП, обобщающий результаты проделанной работы, описан в статье [10].

Основные характеристики разработанного ИБП: = 1800 ВА, КПД η = 0,82 в режиме работы on-line, КПД η = 0,86 в режиме работы от аккумуляторной батареи, габариты — 500×440×610 мм, вес около 120 кг вместе с аккумуляторной батареей.

Структура ИБП имеет специальный интерфейс, который позволяет пользователю выбирать один из четырех режимов работы блока для оптимизации режима потребления электроэнергии с учетом конкретных параметров аппаратуры, которая является по существу нагрузкой системы бесперебойного питания. Силовой конвертор ИБП состоит из трех типовых силовых модулей, выполненных на основе квазирезонансного преобразователя, оптимизированного по частоте работы. Это позволило значительно повысить надежность блока и увеличить его КПД.

ИБП обладает также и другими достоинствами в части системы отображения нужной для пользователя информации, например, при работе от аккумуляторной батареи выводится оставшееся время штатной работы для текущего режима работы комплекса аппаратуры. В схеме использованы силовые электронные компоненты исключительно отечественного производства.

В результате проведенной работы был разработан и изготовлен опытный образец, который успешно прошел испытания на соответствие электрических параметров требованиям ТЗ. Разработка проведена в период с января 1995 года по декабрь 1996-го и стоила порядка 000. Несмотря на положительные результаты испытаний образца ИБП, а также продекларированные намерения и обещания, номинальные заказчики не смогли выделить средства на корректировку документации, чтобы подготовить внедрение и выпуск разработанного изделия. Даже фирма «Инвертор» (г. Оренбур) на правах долевого участия в разработке не смогла найти сумму 000, которая была необходима для корректировки рабочей документации и изготовления нового опытного образца. Следует заметить, что фирма «Инвертор» находилась тогда в тяжелом финансовом состоянии.

Таким образом, в минувшем десятилетии и сейчас, как будет показано в следующем примере, существует проблема «обеспеченного» заказчика, способного финансировать уникальные и сложные разработки силовых устройств, в частности, мощных импульсных ИВЭ различных классов. Но потребность в таких устройствах объективно существует.

Пример 4. Предложение авторам статьи от ОАО «НПП “Трубопровод”» (г. Волгодонск) в конце 2006 года о заказной разработке линейки специальных импульсных ИВЭ на мощность 1, 3 и 5 кВт. Позже выяснилось, что источники предназначались для катодной защиты металлических трубопроводов (подземных конструкций) от коррозии.

Этот пример был подробно изложен в статье [11].

Здесь авторы повторно возвращаются к нему, чтобы наглядно показать: а) потребность в заказных силовых устройствах высокой сложности реально существует; б) заказчик часто не представляет сложности таких разработок и, соответственно, их реальную стоимость.

Для иллюстрации кратко остановимся на техничеcких характеристиках заказных импульсных ИВЭ. Мощность ИВЭ — 1, 3 и 5 кВт. Для самого мощного ИВЭ по первому варианту Uвых = 50 В (100 A) и по второму — Uвых = 100 В (50 A). Важное требование — наличие плавной регулировки выходного напряжения от нуля до максимального значения (точность — не хуже 0,5%). Требования к величине пульсаций выходного напряжения — не жесткие (не более 3%). Остальные требования авторам пришлось не только буквально «вытягивать» из заказчика, но и одновременно изучать параметры существующих устройств катодной защиты.

В итоге выяснилось, что эти заказные ИВЭ, которые установлены на станциях катодной защиты, работают в условиях эксплуатации при окружающей температуре от –45 до +45 (50) °С. Питающая сеть для ИВЭ — однофазная 180–250 В, 50 Гц.

По мнению авторов, сначала необходимо разработать базовую модель на 3 кВт (50 В, 60 А или 100 В, 30 А). Изучение аналогов показало, что в настоящее время выпускаются низкочастотные (50 Гц) трансформаторные источники питания диодно-тиристорного типа для станций катодной защиты. Эти устройства имеют высокие параметры: срок службы — не менее 20 лет, технический ресурс — не менее 100 000 ч (с учетом ЗИП). Источники должны размещаться в пыле-, брызго- и влагонепроницаемом корпусе повышенной прочности («вандалоустойчивом») и т. п. Масса аналогов большой мощности (>2 кВт) составляет сотни килограмм. Особенность устройств катодной защиты в том, что фактически они представляют собой стабилизированные усилители постоянного тока большой мощности, управляемые от специального, например, платинового электрода. Потенциал этого электрода изменяется в зависимости от свойств электрохимической среды, в которую он помещен.

После уточнения назначения и технических требований заказчик предложил разработать схему, конструкцию и изготовить 3 опытных образца (или полномасштабных макета) за 6 месяцев, и на них провести испытания. Форма оплаты обещана любая (но о стоимости разработки — ни слова). В то же время, заказчик хотел заранее оценить стоимость компонентов, исходя из выпуска 1000 образцов в год.

Поэтому авторам пришлось указать заказчику, что при простом промышленном исполнении удельная стоимость единицы мощности составляет 0,7–1,2 евро/Вт, а для специального исполнения, например, более для жестких (полевых) условий — порядка 2,5–4 евро/Вт. Соответственно этому можно определить диапазон стоимости заказной разработки. После ориентировочной оценки исполнителями стоимости разработки заказчик взял паузу на принятие решения. Этот пример показывает, что в ряде случаев заказчик неадекватно оценивает как сложность, уникальность разработки аппаратуры, так и возможную ее стоимость.

Подводя итоги, отметим, что в настоящее время во всем мире разрабатывается и выпускается огромное количество силовых устройств различного назначения и мощности: систем электропривода, источников вторичного электропитания, в том числе и для применения в гальванике, сверхмощных комплексов импульсного и постоянного регулируемого напряжения, предназначенных для устройств ускорителей элементарных частиц и другой сложной аппаратуры, например, для проведения опытов в области экспериментальной физики. Кроме того, во всех областях и видах объектов и систем оборонного назначения: — авиационного, морского, космического и наземного применения — используются радиоэлектронные комплексы. Во всех этих аппаратах, практически в каждом, используются системы бесперебойного питания, а также источники питания, силовые электронные ключи и системы электропривода для приведения в действие различных механических устройств.

В основном, в перечисленных системах и устройствах с успехом применяются изделия, которые можно приобрести на мировом рынке, причем они используются по их прямому назначению. В ряде случаев заказчик может применять параллельное соединение готовых единиц, например, для получения требуемой величины выходной мощности. Однако всегда есть такие требования к изделию, которым не удовлетворяет ни одно из имеющихся на рынке устройств.

Например, необычный режим работы силового устройства, связанный со спецификой технологического процесса, который имеет место в ряде типов производств, использующих гальванотехнику. Причем необычность режима подчас осложняется заданием, перестройкой и регулированием выходных параметров блока в очень широких пределах. В других случаях нестандартностью является сверхбольшая выходная мощность, которая задается для систем и установок, требующих для решения своих особых задач, например, генерации токов в десятки тысяч ампер и т. п. Именно в этих случаях возникает потребность в контрактной разработке (КР) по существу уникальных изделий и систем. Такая контрактная работа обычно сопровождается рядом особенностей как положительного характера, так, к сожалению, и с некоторыми отрицательными факторами:

  • неординарность поставленной задачи;
  • уникальность одного или нескольких выходных параметров;
  • возможность работы от разных видов первичных источников энергии;
  • сжатые сроки выполнения разработки;
  • повышенная стоимость выполнения работы, которая объясняется как сложностью решаемой задачи, так и высокой квалификацией персонала коллектива — исполнителя контрактной разработки.

Поясним эти тезисы на других примерах, с которыми имел дело один из авторов.

  1. Задача для фирмы «Электро-Петербург» на разработку оригинального импульсного источника питания с выходными параметрами 12 В, 400 А была поставлена главным энергетиком РМЗ ПО «Киришиоргнефтесинтез». Система была предназначена для гальванического производства. В процессе работы задавались режимы электропитания гальванических ванн: режим положительных импульсов до 150 А, режим отрицательных импульсов до 150 А, режим двухполярных импульсов. Причем необходимо было обеспечивать в широких пределах изменение следующих параметров: задаваемый импульсный ток, длительность импульсов, а также период повторения задаваемого режима. Силовая часть должна быть реализована на новейшей электронной базе, а интерфейс должен быть построен на системе управления с микроконтроллером, который обеспечит установку и контроль параметров режимов работы при минимальном вмешательстве персонала. С целью оценки реализуемости такого блока питания были проведены соответствующие расчеты основных силовых узлов, определены основные комплектующие электронных ключей и силовых диодов. Синтезирована структура ВЧ силового преобразователя, выбран микропроцессор и т. п. После этого, ввиду сложности разработки, заказчику было предложено провести первый этап работы «Разработка технического задания и договора на выполнение работы». Стоимость этого этапа была оценена в 00, причем при составлении основного финансового договора эти средства учитывались. Такая система взаимоотношений (технических и финансовых) позволяет максимально удовлетворить требования заказчика, а также выделить промежуточные контрольные этапы. При этом исполнитель имеет возможность обеспечить выполнение всех технических требований к изделию на высоком техническом уровне. Однако главный энергетик не смог «убедить» руководство «Киришиоргнефтесинтез» в целесообразности заключения договора на разработку и производство нового изделия. В качестве альтернативы, по словам главного энергетика, рассматривалась возможность покупки готового изделия, похожего по параметрам на предлагаемый к разработке блок. Стоимость аналогов итальянского и немецкого производства составляла от 000 до 000. Однако эти блоки не обеспечивали выполнение некоторых требуемых для производства режимов работы.
  2. В заключение отметим, что в настоящее время ООО «Завод низковольтной аппаратуры» (Россия, г. Рассказово Тамбовской обл.) выпускает агрегат выпрямительный тиристорный с водяным охлаждением, реверсивный [12] в новом исполнении с использованием микропроцессоров фирмы Atmel В-ТПЕ–400/400-12. Масса изделия 315 кг. Цена этого агрегата ≈ 200 000 руб. (около 00).

  3. В 2007 г. фирма ООО «НИ Лаборатория преобразовательной техники» обратилась к одному из авторов с предложением оценить возможность разработки системы электропитания для испытания токовых шин. Сверхмощная система электропитания предназначалась для установки управляемого термоядерного синтеза типа «Токамак». Речь шла о специальном стенде, который необходим для испытаний мощных токопроводящих шин, применяемых в аппаратуре комплекса «Токамак».

Выходные параметры системы питания стенда: напряжение максимальное 24 В (регулируется), максимальный ток 70 000 А (тоже может изменяться). Как видно из параметров устройства, максимальная выходная мощность этой системы равна 1680 кВт.

Можно отметить, что для этого случая КР применима идея глубокого секционирования [7], так как реализация такой большой мощности возможна только путем ее синтеза с помощью, например, преобразователей единичной мощности в 35–40 кВт. Их общее число будет 40–50. Разработка такой сложной системы электропитания требует оптимизации частоты единичного преобразователя, особого подхода к топологии его сборки и монтажа. Непросто выполнить на такой мощности и силовой ВЧ-трансформатор преобразователя, кроме того, необходима тщательная разработка системы управления, которая должна быть помехоустойчивой и, конечно, необходима специальная система ее резервирования. Важно создать максимально автоматизированную систему контроля, диагностики и отображения информации и т. п. Можно отметить, что, несмотря на сверхбольшую мощность этого стенда, который, вероятнее всего, будет реализован в одном экземпляре, все-таки в процессе его разработки «придется» создать высоконадежный преобразователь на мощность ~40 кВт, который может найти применение в различных областях техники, например, для гальванического производства. В переговорах по этой работе пока нет прогресса, возможно, заказчик остановился на применении традиционных тиристорно-выпрямительных агрегатов.

Все это свидетельствует о том, что, с одной стороны, спрос на заказные разработки силовых устройств большой мощности реально существует. С другой стороны, очень мало заказчиков, имеющих достаточно свободных средств. Кроме того, дополнительно укажем, что некоторые известные авторам отечественные фирмы по разработке и производству импульсных ИВЭ [11] практически не берутся за такие разработки. Фирмы нашли свои «ниши» на рынке, имеют своих заказчиков и достаточно высокий процент постоянных заказов ИВЭ (в основном малой и средней мощности). Здесь можно указать предприятия, работающие на ВПК, телекоммуникации, связь и др. Выполнение контрактных разработок мощных силовых устройств, о которых было сказано ранее, как правило, связано с повышенным риском, а также с необходимостью участия в работе специалистов высшей квалификации.

Однако именно в таких фирмах ощущается острая нехватка высококвалифицированных специалистов по разработке высокочастотных, особенно мощных импульсных блоков питания.

Выводы

  1. Разработки на заказ (контрактные разработки) уникальных и сложных силовых устройств недостаточно востребованы в настоящее время, но должны быть востребованы в будущем. Прежде всего это относится к силовым устройствам большой мощности, которые уже могут выполняться на силовых интегрированных модулях [13–15]. Интеграция в одном корпусе силовых компонентов (ключей) вместе с драйверами, схемами защиты и управления (по различным законам), интерфейсом и другими узлами — не мечты, а реальность: уже есть опыт в системах электропривода [14].
  2. Широкая потребность в таких разработках сдерживается слабым развитием промышленности, в частности, судостроения, авиастроения, машиностроения, приборостроения. Да и предприятия ВПК, несмотря на все внимание государства, пока не обладают такими финансовыми возможностями, как во времена Советского Союза.

  3. Основными условиями успешного выполнения разработок на заказ, вытекающими из приведенных примеров и материалов Всероссийской конференции, являются следующие:
    • 2.1 Заказчик должен реально представлять новизну и сложность разработки силового устройства при согласовании с исполнителем технических требований (ТТ). Как следует из примера 4, часто превалирует желание получить разработку задешево, пользуясь финансовыми трудностями исполнителя. Эта тенденция «чрезмерной экономии» уходит корнями к началу 1990 годов, несмотря на то, что в настоящее время экономика в России на подъеме. Здесь можно отметить четкую связь между объемом финансирования и возможными сроками разработки. Связь эта нелинейная, и существуют обычно минимальные сроки разработки на заказ порядка 3–6 месяцев после согласования ТТ и предоплаты, например, в виде авансового платежа для выполнения первого этапа работы.
    • 2.2 Фирма-исполнитель работы должна:
      • иметь необходимые научно-практические заделы по заказанной проблематике силовой электроники;
      • обладать достаточным количеством высококвалифицированных специалистов, имеющих практический опыт работы по заказанной проблематике, а при необходимости и привлекать специалистов со стороны.
    • Здесь может пригодиться опыт создания (в конце 1980-х годов) временных творческих коллективов, которые, по существу, опирались на метод проведения сложных разработок в Японии и США [16]. Смысл его состоял в том, что «под» новую разработку набираются специалисты высокой квалификации именно тех направлений техники, которые будут нужны при выполнении нового заказа. После завершения работы творческий коллектив может быть расформирован.

    • 2.3 При контрактной разработке особенно необходим оптимальный менеджмент на всех ее этапах. Он заключается не только в жестком контроле выполнения всех позиций плана-графика работы, но и в реальной помощи при решении всех проблем, возникающих вне и внутри фирмы. К сожалению, у руководства разных уровней во многих средних и особенно крупных фирмах возобладала лишь первая составляющая менеджмента.
  4. Из приведенных примеров контрактных разработок можно увидеть, что при их выполнении часто генерируются новые идеи и подходы, благодаря которым становится возможным создание новых уникальных силовых устройств, а также получение научно-технического задела для новых поколений аппаратуры.
  5. Несмотря на имеющиеся сейчас проблемы и трудности, авторы верят, что контрактные разработки силовых устройств, в частности мощных импульсных ИВЭ, будут расширяться. Этому будет способствовать развитие отечественной промышленности, повышение конкурентоспособности ее продукции, особенно при вступлении России в ВТО.

При этом не надо забывать и о необходимости повышения качества подготовки кадров, а также об улучшении информационной и научной деятельности фирм в России [11].

Литература

  1. Электронные компоненты. 2005. № 11, 12.
  2. AT&S, www.ats.net
  3. Живая электроника России. 2006–2007 гг.
  4. www.promwad.com
  5. Киселев П. Тенденции развития контрактного производства электроники в Европе и влияние европейского опыта на развитие технологической базы российских производителей электроники // Технологии в электронной промышленности. 2007. № 4.
  6. Дудоладов Д. ЗАО «Связь инжиниринг» выходит на рынок контрактной сборки // Технологии в электронной промышленности. 2007. № 6.
  7. Абрамов А. С., Вигдорчик В. Г., Веденеев Г. М., Драбович Ю. И.. Проектирование мощных высоконадежных статических преобразователей. В кн.: Устройства преобразовательной техники, вып. 3. К.: 1969.
  8. Владимиров Е., Ланцов В., Лебедева О. Высоковольтный импульсный источник питания большой мощности с управлением от микропроцессоров // Современная электроника. 2007. № 7.
  9. www.philips.com, www.stmicroelectronics.com.
  10. Эраносян C., Ланцов В. Источники бесперебойного питания: новый подход к синтезу // Силовая электроника. 2007. № 4; 2008. № 1.
  11. Ланцов В., Эраносян C. Успехи, трудности и проблемы на пути развития силовой электроники в России // Силовая электроника. 2008. № 1.
  12. www.zanod-nva.com
  13. Эраносян С. А., Ланцов В. В. Пути развития и архитектура отечественных интегрированных силовых модулей для импульсных источников вторичного электропитания // Электрическое питание. 2005. № 3.
  14. Ланцов В., Эраносян С. Интеллектуальная силовая электроника: вчера, сегодня, завтра // Силовая электроника. 2006. № 1.
  15. Эраносян C., Ланцов В. Разработка интегрированных силовых модулей и их применение в источниках вторичного электропитания // Современная электроника. 2006. № 8.
  16. Григорьев В., Как нам обустроить российский рынок контрактных разработок // Живая электроника России. 2006.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2008_2_4.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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