Решения Vicor для построения AC/DC источников питания для жестких условий эксплуатации

Введение

Если при выборе AC/DC источников питания класса Commercial для разработчика основными задачами являются поиски фирмы-производителя и сравнение цен на источники питания, то подобрать источники питания исполнения Industrial или Military с рабочей температурой -40 °С или -55 °С для жестких условий эксплуатации достаточно сложно. Основное количество AC/DC источников питания мощностью более 100 Вт, которые выпускаются азиатскими, европейскими и американскими компаниями, изготавливается в открытом исполнении и, как правило, рассчитано на температуру эксплуатации выше -10 °С. Это связано с тем, что для низких рабочих температур необходимо применять более сложные технологические решения. Кроме того, для источников питания отрицательного температурного диапазона действуют другие стандарты по электробезопасности. И, наконец, источники питания для жестких условий не являются массовой продукцией, поэтому их разработка и производство для большинства фирм-производителей экономически невыгодны.

Фирма Vicor традиционно специализируется на разработке и поставке компонентов для построения высоконадежных источников питания. Следуя идеологии конструирования источников питания из отдельных функционально законченных узлов (модулей), компания Vicor предлагает решения для всех температурных диапазонов, включая Military, с мощностью от десятков ватт до нескольких киловатт. Модули питания производятся серийно, поэтому их цена достаточно привлекательна для изделий такого класса. По совокупности параметров «плотность мощности», «надежность», «температурный диапазон» решения Vicor не имеют аналогов на рынке источников питания.

Обзор продукции

Большинство источников питания состоит из одного или нескольких узлов, которые выполняют определенные функции. К ним можно отнести:

• • Выпрямители сетевого переменного напряжения.В таком качестве может выступать диодный выпрямитель или более сложное устройство — выпрямитель + корректор коэффициента мощности (ККМ).
• Фильтры для обеспечения норм ЭМС (электромагнитной совместимости), подавляющие помехи, которые неизбежно возникают при работе DC/DC-преобразователей напряжения и влияют на нормальное функционирование расположенных поблизости устройств и приборов.
• Элементы защиты от сетевых импульсов перенапряжений и коммутационных помех.
• DC/DC-преобразователи напряжения, являющиеся ключевыми элементами источников питания и выполняющие три основные функции: преобразование уровня входного напряжения, гальваническую развязку (вход — выход) и стабилизацию выходного напряжения.

Для применения в AC/DC источников питания фирма Vicor выпускает серии DC/DC-конвертеров VI-6xxx/VI-7xxx первого поколения с номинальными входными напряжениями 300 и 150/300 (100-375) В постоянного тока соответственно, а также V300/V375 второго поколения с номинальными входными напряжениями 300 и 375 В постоянного тока. Выходные напряжения можно выбирать от 1 до 95 В, мощность конвертеров — от 25 до 600 Вт на один корпус. DC-DC конвертеры Vicor обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с продукцией других производителей. Главными из них являются частотно-импульсный метод преобразования мощности и переключение силовых элементов при нулевом значении тока (ZCS — Zero Current Switch) или при нулевом значении напряжения (ZVS — Zero Voltage Switch). Такое техническое решение позволяет поднять частоту переключения до 1,5 МГц, уменьшить массо-габаритные характеристики модулей питания, снизить уровень шумов и помех по сравнению с ШИМ-преобразователями.

Практически все модули питания выпускаются компанией Vicor в трех исполнениях в зависимости от условий эксплуатации: С — Commercial (температура использования от -25 до +100 °С); I, H — Industrial (от-40 до +100 °С); M — Military (от -55 до +100 °С). Размеры модулей питания: 117×56×12,7 мм — «кирпич»; 58×56×12,7 мм— «полкирпича»; 56×37×12,7 мм— «четверть кирпича» (с возможными опциями для выводов и крепежных отверстий). Компоненты модулей питания залиты специальным силиконовым компаундом, который выполняет сразу несколько функций: защиту от внешней среды, жесткое механическое крепление элементов, отвод тепла. Именно сложность подбора компаунда, удовлетворяющего всем предъявляемым требованиям, а также технология его заливки в значительной мере определяют различие в стоимости модулей питания различного исполнения. Модули питания Vicor можно монтировать на печатную плату или на основание — радиатор, с которого осуществляется отвод избыточного тепла.

Входные модули питания

Ниже рассматриваются модули питания, осуществляющие выпрямление и фильтрацию сетевого переменного напряжения.

ARM (Auto ranging Rectifier Module) содержит микроконтроллер, который постоянно отслеживает уровень напряжения на входе и в соответствии с ним переключает выпрямительные диоды со схемы удвоителя напряжения при напряжении сети ~ 90-132 В на схему мостового выпрямителя при напряжении сети ~180-264 В. Функциональная схема модуля питания ARM приведена на рис. 1. Конденсаторы фильтра С1, С2 (рис. 2) соединены последовательно и расположены между выводами +Uвых и –Uвых со средней точкой, подключенной к выводу St(strap). Такое техническое решение позволяет использовать конденсаторы с меньшим рабочим напряжением (200 В) и благодаря этому уменьшить высоту сборки модуля питания. Емкость конденсаторов выбирается исходя из требуемой мощности преобразователя, допустимого уровня пульсаций выходного напряжения и времени поддержки выходного напряжения (hold-up time), обычно составляющего 5-20 мс. Таким образом, для сетей ~115 В и ~220 В на выходе модуля питания формируется напряжение постоянного тока 200-400 В, которое находится в рабочем диапазоне DC-DC конвертеров серий VI-26x, VI-27x, V300, V375.

Рис. 1. Функциональная схема ARM

Рис. 2. Типовая схема включения FARM (ARM)

На выводе En (Enable) модуля питания формируется сигнал запрета включения конвертеров до момента времени, когда нарастающее напряжение на конденсаторах превысит уровень срабатывания защиты DC-DC конвертера по низкому входному напряжению.

Ограничитель пускового тока (ограничитель тока заряда конденсаторов) представляет собой коммутируемый терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления, который подключается последовательно с конденсатором и шунтируется при достижении напряжения на выходе 235 В. Этот резистор также подключается (ключ находится в разомкнутом состоянии) в случае падения напряжения на выходе до 180 В при перегрузке или неисправности в системе.

С вывода BOK (Bus OK) снимается информация о состоянии модуля питания (вкл./выкл.).

Размеры модулей питания составляют «четверть кирпича».

Модуль питания FARM (Filter Auto Ranging Module) является дополнением к модулю питания ARM и содержит фильтр электромагнитных помех для удовлетворения требованиям стандарта EN55022A по электромагнитной совместимости. В состав этого фильтра входят индуктивный фильтр синфазных помех, два Y-конденсатора (Line — Ground) и два X-конденсатора (Line — Line) (рис. 3).

Рис. 3. Входной фильтр FARM

Элементы ARM и FARM электрически изолированы от основания с помощью трансформатора, вход и выход гальванически связаны. Это обстоятельство необходимо учитывать для обеспечения безопасности и при подключении измерительных приборов.

Модули питания AIM (Alternative Input Module) выполняют те же функции, что и FARM, но предназначены для применения совместно с DC/DC-конвертерами Vicor первого поколения с мощностью до 250 Вт.

Модули питания группы ККМ имеют у фирмы Vicor обозначение HAM (Harmonic Attenuator Module), что можно перевести как «подавитель гармоник» тока. Такое толкование термина ККМ связано с тем, что в соответствующих нормативных документах для импульсных источников питания нормируется не разность фаз между напряжением и током, а допускаемые наличие и величина гармонических составляющих тока.

Необходимость применения ККМ для источников питания с мощностью свыше 200 Вт определяется соответствующими нормативами по электромагнитной совместимости электронных устройств. В обычных сетевых преобразователях со сглаживающим конденсатором ток из сети потребляется короткими импульсами. Длительность этих импульсов меньше длительности сетевого полупериода, поэтому в спектре появляются гармоники, кратные основной частоте. При этом вклад в передачу мощности вносит только основная гармоника, а остальные составляющие циркулируют в контуре, не совершая полезной работы. Именно амплитуда этих паразитных гармоник и регламентируется соответствующими нормативами. Наличие гармонических составляющих является причиной значительных ошибок при измерении мощности, потребляемой из сети, с помощью обычных измерительных приборов. Модули питания группы ККМ обеспечивают форму тока, близкую к форме синусоиды напряжения питающей сети.

Модуль питания HAM состоит из мостового выпрямителя, повышающего импульсного стабилизатора, работающего в режиме переключения силового элемента при нуле тока (топология ZCS), схемы управления, активного ограничителя пускового тока и схемы защиты от короткого замыкания. Две последние опции обычно не встречаются в ККМ других производителей. На выходе HAM формируется постоянное напряжение, величина которого составляет 260 В при Uвх 85-150 В переменного тока. При значении Uвх 150-264 В переменного тока уровень выходного напряжения выше выпрямленного входного на 46 В, что достаточно для обеспечения КМ 0,95. Специально для использования совместно с модулями питания HAM фирма Vicor поставляет DC/DC-конверторы серии V375 с входным напряжением от 250 до 425 В. На вход модулей питания HAM можно подавать и постоянное напряжение в диапазоне 85-380 В. Максимальная выходная мощность HAM составляет 675 Вт, поэтому при использовании комбинации «HAM + V375 (600 Вт) + входной сетевой фильтр» можно получить мощный малогабаритный AC/DC источник питания, состоящий из двух модулей питания и удовлетворяющий всем нормам по электромагнитной совместимости.

Для наращивания мощности модули питания HAM можно включать параллельно. В HAM (как и в DC/DC-конвертерах Vicor) используется частотно-импульсный метод (ЧИМ) управления ключевым элементом с переключением при нуле тока, то есть передаваемая мощность определяется количеством одинаковых по длительности и амплитуде импульсов электрической энергии за единицу времени. При параллельном соединении модулей питания один из них берет на себя роль ведущего, остальные становятся ведомыми и подстраивают свою частоту преобразования. Такой метод синхронизации обеспечивает равномерное (с погрешностью менее 5%) распределение мощности по модулям питания. Коэффициент мощности, определяемый как отношение активной мощности к полной мощности, составляет 0,95, рабочие температурные диапазоны — C, I, M. Типоразмер модулей питания HAM — «кирпич».

Еще одним решением выпрямительного блока является система из двух модулей питания FARM и пассивного аттенюатора гармоник тока — MiniHam. Как было сказано выше, нормами и стандартами регламентируется наличие и величина этих гармоник. Модуль питания MiniHam содержит только пассивные индуктивные элементы в цепи постоянного тока, поэтому, в противоположность активным корректорам мощности, не генерирует паразитные электромагнитные колебания, что существенно упрощает и уменьшает систему фильтров. Этот модуль питания меньше по размерам («полкирпича») и значительно более надежен за счет отсутствия активных компонентов. Мощность «тандема» FARM + MiniHam составляет до 575 Вт при значении Uвх 230 В. По подавлению гармонических составляющих тока модуль питания удовлетворяет стандарту EN61000-3-2. Характеристики модулей выпрямителей приведены в таблице 1.

Модули питания IAM (Input Attenuator Modules), FIAM (Filter Input Attenuator Modules), M-FIAM на рабочие напряжения 24, 48, 300 В постоянного тока осуществляют фильтрацию шумов и помех, возникающих при работе DC/DC-конвертеров. Также входные фильтры защищают DC конвертеры от выбросов и импульсов перенапряжений, присутствующих в питающей сети. Более подробно назначение, принципы функционирования и номенклатура входных фильтров рассмотрены ранее [1].

Таким образом, разработка AC/DC источников питания сводится к подбору соответствующих модулей питания, удовлетворяющих тем или иным требованиям технического задания.

Сконфигурированные источники питания

Компания Vicor серийно производит несколько семейств AC/DC источников питания, в которых используется та или иная конфигурация вышеперечисленных модулей питания. Основные параметры сконфигурированных источников питания представлены в таблице 2.

Конфигурация источников питания и различные доступные опции (температурный диапазон использования, защита по току и напряжению, пониженные пульсации Uвых., подстройка Uвых.) определяются заказчиком.

Фирма Mission Power Solutions (США), работающая в кооперации с Vicor и использующая модули питания Vicor в своих изделиях, серийно производит AC/DC источники питания серий Badjer и Javelin. Эти источники разработаны специально для применения в жестких условиях эксплуатации, а также в устройствах, к которым предъявляются повышенные требования по устойчивости к воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды — например, в военной технике: на кораблях, самолетах, автомобилях, ракетных установках или в промышленности — на плавучих нефтедобывающих платформах. Основные характеристики источников приведены в таблице 3, внешний вид показан на рис. 4.

Рис. 4. Источники питания:
a) Javelin;
б) Badger

Возможности приборов  Mission Power Solutions:

• коррекция коэффициента мощности;
• рабочая температура: от -55 до +45 °С (полная мощность), от -55 до +60 °С (1/2 полной мощности);
• функция дистанционного включения и выключения; возможность последовательного включения и выключения каналов;
• защита от воздействия окружающей среды удовлетворяет стандартам MIL-STD-461E, 704E, 810E;
• защита для каждого канала: от перенапряжения по Uвх., превышению выходного тока, перегреву;
• специальное влагостойкое покрытие (опция).