Модульная архитектура электропитания Gaia Converter для гражданской авиации

Введение

Преобразователи напряжения постоянного и переменного тока, используемые для организации питания бортового и наземного авиационного оборудования, должны соответствовать ряду строгих требований международных и национальных отраслевых стандартов. К наиболее распространенным на данный момент стандартам относятся MIL-STD-704/MIL-HDBK-704 («Параметры источников питания летательных аппаратов»), DO-160 («Условия окружающей среды и методика испытаний авиационного оборудования») и EN 2282 («Параметры источников питания воздушных судов»). Кроме того, у крупных авиационных компаний (Airbus, Boeing и т. д.) существуют собственные нормативные документы, например Airbus ABD100 («Требования к электрическим источникам питания») и Boeing 7E7B3-0147 («Требования к качеству источников питания»). Отечественные производители ориентируются на ГОСТ Р 54073-2010 («Системы электроснабжения самолетов и вертолетов. Общие требования и нормы качества электроэнергии»).

Данные стандарты регламентируют допустимые значения питающих напряжений в нормальных и аварийных режимах работы, параметры переходных процессов, длительность спадов напряжения до нуля и амплитуду импульсных выбросов на входе. Значительная часть авиационного оборудования рассчитана на входные напряжения 24, 28 и 270 В по постоянному току или 115 В по переменному току. Разрешенные стандартами параметры некоторых номиналов приведены в таблице 1.

Разрабатываемые источники питания также должны учитывать особенности бортовой сети, иметь собственную защиту от электромагнитных воздействий и в целом не влиять на изменение электромагнитной обстановки. Допустимые уровни излучаемых и кондуктивных электромагнитных помех на заданных частотах, а также оценка устойчивости к ним определяется стандартами MIL-STD-461C/D/E/F (ГОСТ В 25803-91) и DO-160C/D/E/F/G. Одной из главных функций этих стандартов является описание общей методики тестирования, воспроизводимой в любой лаборатории.

Электрооборудование летательных аппаратов в процессе эксплуатации подвергается постоянному воздействию целого ряда неблагоприятных факторов. К ним относятся значительные перепады температуры и давления, ускорения, ударные и вибронагрузки, возможность попадания агрессивных жидкостей. Поэтому обязательным условием применения модулей питания в высоко­надежной авиационной технике становится тестирование их на воздействие жестких условий окружающей среды. Соответствующие методики механических и климатических испытаний описаны в международных стандартах MIL-STD-810 и MIL-STD-202.

Помимо всего прочего, для получения долговременной надежности и удобства применения проектируемого изделия необходимо обеспечить на аппаратном уровне выполнение дополнительных функций: ограничения максимального тока и защиты от перенапряжений на входе, синхронизации для включения нескольких источников на одной и той же рабочей частоте, подстройки выходного напряжения для питания специализированных устройств и т. д.

С учетом совокупности вышеизложенных требований компания Gaia Converter предлагает собственную архитектуру источников электропитания, основанную на использовании типовых блоков, отвечающих за выполнение того или иного функционала [1]. Каждый из выпускаемых модулей адаптирован для совместной работы и занимает определенное место в структуре источника питания. На рис. 1 показана типовая модульная схема для постоянного и переменного тока. Основной частью структуры являются DC/DC-преобразователи с выходной мощностью 4–500 Вт, а также AC/DC-модули, обладающие встроенным ККМ и рассчитанные на мощность 35–350 Вт. Опциональные входные модули обеспечивают соответствие разрабатываемой схемы регламентирующим стандартам, выполняя защиту преобразователей напряжения от импульсных помех, шумов и нестационарных процессов, возникающих во входных шинах питания. К ним относятся ЭМИ-фильтры на токи 2, 10 и 20 А и напряжения до 100 В (серия FGDS), модули защиты от переходных процессов (серии PGDS и LGDS), а также модули поддержания напряжения с выходной мощностью 50–300 Вт (серии HUGD и LHUG).

Рис. 1. Модульная схема электропитания для входного напряжения постоянного и переменного тока

ЭМИ-фильтры

Фильтры серии FGDS служат для подавления электромагнитного излучения во входных цепях импульсных источников питания и позиционируются для совместного применения с DC/DC-преобразователями напряжения серий MGDS, MGDD и CGDM. Использование модульного подхода позволяет подобрать экономически целесообразное для конкретной задачи решение, исходя из руководящих документов, регламентирующих допустимые типы и уровни паразитных воздействий. Серия рекомендована производителем для обеспечения требований по электромагнитной совместимости стандартов DO-160 (версии C, D, E, F и G) и MIL-STD-461 (C, D, E и F). Помимо защиты от наведенных и излучаемых кондуктивных помех, создаваемых в цепях коммутации постоянного тока, компоненты данного семейства выполняют очень важную роль в ослаблении возникающих на входной шине питания импульсных выбросов напряжения. Все фильтры Gaia Converter способны выдерживать броски напряжения до 80 В/100 мс (по стандарту MIL-STD-704A/D/E/F) и до 100 В/50 мс (по MIL-STD-1275A/B/C/D).

Типовые модули, рассчитанные на два диапазона входных напряжений (9–50 и 4,5–100 В DC), обладают выходной мощностью до 300 Вт и рабочими токами в пределах 2–20 А (табл. 2). Предлагаемые изделия предназначены для эксплуатации в диапазоне рабочих температур –40…+105 °C. Кроме того, доступны дополнительные модификации с допустимой температурой эксплуатации от –55 °C (суффикс /T в наименовании), а также прошедшие выходные испытания по методам, изложенным в стандарте MIL-STD-883C (суффикс /S).

Все функциональные узлы фильтров размещаются в корпусах, предназначенных для сквозного монтажа. Анодированные металлические корпуса, герметизированные компаундом, обеспечивают защиту элементов от механических повреждений, а также эффективный отвод тепла во внешнюю среду. Значение среднего времени наработки на отказ (MTBF), вычисленное для различных условий эксплуатации по стандарту MIL-HDBK-217F, может достигать 27 млн ч. Типовая схема включения на примере модуля FGDS-12A-100V приведена на рис. 2.

Рис. 2. Типовая схема применения модуля FGDS-12A-100V

Модули защиты от переходных процессов

Данная группа продукции представлена высоконадежными устройствами серий PGDS и LGDS (табл. 3). Входные модули серии PGDS-50 оптимизированы для получения высокого КПД (до 96%) в диапазоне мощностей 4–50 Вт. В рамках серии выпускаются две модификации: первая способна функционировать при просадках напряжения до 10 В в течение 30 с и гарантирует подавление переходных процессов с амплитудой 80 В и длительностью 100 мс, вторая работает с аналогичными параметрами 6 В/1 с и 100 В/50 мс. Также они различаются диапазонами выходных напряжений: 16–40 и 9–36 В соответственно. Просадки напряжения компенсируются встроенной «бустерной» схемой, поддерживающей необходимый уровень напряжения и подключающейся при уменьшении напряжения на входе ниже заданного порога. Модули PGDS-50 предназначены для эксплуатации в диапазоне температур –40…+105 °C (опционально –55 °C), конструктивно выполнены в металлических анодированных корпусах, имеющих габариты 40×26×8 мм. Из дополнительных особенностей можно отметить наличие вывода дистанционного управления (On/Off) и вывода V_imes, служащего для измерения уровня входного напряжения.

Малогабаритные входные модули с функцией подавления переходных процессов и импульсных помех LGDS-100 и LGDS-300 рассчитаны на максимальную выходную мощность 100 и 300 Вт соответственно. Они рекомендованы для ограничения импульсов с параметрами 202 В/350 мс (стандарт DEF-STAN 61-5, часть 6), 100 В/50 мс (MIL-STD-1275A/B/C/D) и 80 В/100 мс (MIL-STD-704A/D/E/F, EN2282, AIR2021E и DO160). Корпусное исполнение и рабочие температуры соответствуют модулям серии PGDS-50, металлический корпус размером 40,3×26,3×12,8 мм заливается двухкомпонентным теплопроводным компаундом и не требует применения дополнительного радиатора. Максимальный уровень рассеиваемой мощности достигает 1,55 Вт при номинальном входном напряжении и токе выхода 10 А. Интегрированные схемы защиты от пониженного напряжения на входе (UVLO, Under Voltage Lock-Out), превышения максимального тока выхода (OCP, Over Current Protection), перегрева (OTP, Over Temperature Protection) и ограничения пускового тока (ICL, Inrush Current Limitation) обеспечивают безопасность функционирования. При их срабатывании запускается аварийный режим работы, и модуль блокируется до устранения соответствующих причин возникновения.

Модули поддержания напряжения

Как следует из названия, специализированные модули данного типа должны гарантировать наличие выходного напряжения при кратковременном снижении или даже пропадании входного. В настоящее время доступны устройства серий HUGD-50, HUGD-300 и LHUG-150, обеспечивающие контроль напряжения на заданном уровне, выдачу аварийных и информационных сигналов и ограничение входного тока.

Модули HUGD-50 и HUGD-300 с максимальным выходным током 5,6 и 30 А соответственно позиционируются для применения в источниках питания с суммарной выходной мощностью до 300 Вт. Первый из них оптимизирован для совместной эксплуатации с DC/DC-преобразователями с диапазонами рабочих напряжений 9–36 и 16–40 В, второй подходит для устройств с входными рабочими напряжениями 9–45 В и 16–80 В. Обладающие КПД не менее 98%, модули данных серий изготавливаются в металлических герметизированных низкопрофильных корпусах с размерами 40,2×26,2×8,0 и 40,2×26,2×12,8 мм (табл. 4). Модули LHUG-150, помимо основного назначения, обеспечивают устранение влияния переходных процессов согласно MIL-STD-704A/D/E/F, MIL-STD-1275A/B/C/D/E и MIL-STD-461. Дополнительные выходы синхронизации позволяют организовать работу нескольких
DC/DC-преобразователей серии MGDD.

Согласно типовой схеме применения модули данной группы подключаются между шиной питания и DC/DC-преобразователями. Для примера на рис. 3 приведена схема включения модуля HUGD-300. Принцип работы устройства заключается в зарядке внешнего накопительного конденсатора до повышенных по сравнению с рабочими значений напряжения и дальнейшем использовании накопленной энергии для питания преобразователей напряжения постоянного тока. Накопительный конденсатор подключается к выводу V_c, его номинал определяется из формулы:

где P — выходная мощность, h — КПД преобразователя, Dt — время поддержания (в секундах), V₁ — начальное напряжение на конденсаторе, V₂ — минимальное входное напряжение преобразователя.

Рис. 3. Типовая схема подключения модуля HUGD-30

Процесс зарядки осуществляется при помощи интегрированной схемы и запускается при повышении напряжения шины питания до порога, величина которого эквивалентна напряжению аварийного отключения V_th. Значение V_th задается при помощи внешнего резистора R_th и регулируется в пределах 6–20 В. Максимальное напряжение, до которого можно зарядить накопительный конденсатор (31–80 В), настраивается при помощи резистора R_set, подключаемого к выводу V_cset. Внутренняя схема контроля отслеживает состояние буферного конденсатора. В зависимости от его статуса на выводах с открытым стоком (CC, CD и PF) устанавливаются активные флаги, которые могут быть использованы на системном уровне для управления питанием. Например, при достижении заданного порога на выводе СС появляется активный сигнал «конденсатор заряжен» и модуль переходит в нормальный рабочий режим, в котором для поддержания буферного конденсатора в заряженном состоянии потребляется менее 1 Вт.

AC/DC-преобразователи

Группа AC/DC-преобразователей производства компании Gaia Converter, предназначенная для построения систем электропитания устройств авиационной радиоэлектроники, представлена четырьмя устройствами (табл. 5). Модули HGMB-35 и HGMB-50, рассчитанные на максимальную выходную мощность 35 и 50 Вт соответственно, относятся к изолированным преобразователям со встроенным корректором коэффициента мощности. Они полностью соответствуют требованиям стандартов DO-160E, ABD100, AMD-24 и MIL-STD-704F. Предназначены для работы с входной шиной 115 В/400 Гц, диапазон питающего напряжения составляет 95–140 В переменного тока при частоте 320–800 Гц.

Значение коэффициента мощности меняется от 0,9 при четверти нагрузки до 0,99 при полной (рис. 4). Два выходных канала с номинальным напряжением 17 В могут использоваться независимо либо быть объединены последовательно или параллельно, при этом уровень выходного шума не превышает 200 мВ (п-п). Из функциональных особенностей стоит отметить наличие схемы плавного запуска для ограничения пускового тока, вспомогательного вывода включения/выключения, защиты от короткого замыкания (SCP) и перенапряжения на входе (OVP). Конструктивно выполнены в металлическом анодированном корпусе с габаритными размерами 82,5×42,5×12,5 мм.

Рис. 4. Зависимость коэффициента мощности от величины нагрузки для модуля HGMB-35

Модули HGMS-150 и HGMS-350 также обладают встроенным ККМ, но у них нет гальванической изоляции. На выходе они обеспечивают постоянное напряжение 375 В, необходимое для работы изолированных DC/DC-преобразователей Gaia Converter с аналогичным номиналом входного напряжения. Точность установки выходного напряжения составляет ±3%, КПД не менее 90%, а общая нестабильность выхода по сети и нагрузке, а также при изменении температуры не превышает 1%. Модули имеют в своем составе LC-фильтры для ограничения влияния электромагнитных помех, схемы защиты от короткого замыкания, от перегрузки по мощности (OPP) и превышения рабочей температуры (OTP), срабатывающей при +115 °C. Из дополнительных особенностей нужно отметить возможность использования низковольтного выхода 7,5 В постоянного тока в качестве источника питания слаботочных схем (может применяться для устройств мониторинга, перезапуска системы или схем обнаружения неисправностей напряжения питания) и вывода PFCSH, необходимого для параллельного включения модулей. Выпускаются модули в стандартных алюминиевых корпусах форм-фактора 1/2 brick (60,95×57,9×12,7 мм). Также для заказа доступна модификация AC/DC-преобразователя HGMS-350 с расширенным входным диапазоном (85–265 В), подходящая для применения в сетях переменного тока с напряжением 115 или 220 В. Выходное напряжение данной модели составляет 420 В DC.

DC/DC-преобразователи

Изолированные DC/DC-преобразователи авиационного назначения рассчитаны на максимальную выходную мощность 4–500 Вт и предназначены для эксплуатации в диапазоне рабочих температур –40…+105 °C. Отличительными особенностями разработанных инженерами Gaia Converter модулей являются: широкий диапазон входных напряжений, КПД порядка 90%, высокостабильные выходные напряжения и низкопрофильные корпуса, предназначенные для установки непосредственно на печатную плату. Погрешность выхода при изменении питающего напряжения для данных изделий не превышает ±0,5%, а уровень пульсаций составляет 40–60 мВ (п-п) для любых значений выходного напряжения. Отдельно следует отметить наличие специализированных вариантов модулей, прошедших дополнительные температурные испытания при –55 °С (опция /T) и ряд расширенных отбраковочных тестов по методам, изложенным в стандарте MIL-STD-883C (опция /S): термоэлектротренировку в течение 96 ч при T = +105 °С, 30 циклов термоциклирования (–40…+105 °С с шагом 3 °С/мин), испытания на принудительный отказ в течение 160 ч при T = +85 °С и полной нагрузке, а также проверку теплостойкости при воздействии температуры +85 °С. Все доступные для заказа модули имеют 1–3 выходных канала, необходимых для получения постоянных одно- или двухполярных напряжений различного номинала (табл. 6). Базовая гальваническая изоляция вход/выход составляет 1500 В постоянного тока. Интегрированные входные LC-фильтры обеспечивают защиту от паразитных кондуктивных помех со стороны питающей сети согласно требованиям по электромагнитной совместимости EN 55022. Благодаря высоким показателям надежности устройства Gaia Converter активно эксплуатируются в проектах всемирно известных компаний, в качестве примера можно привести Airbus, Boeing, Bombardier и Embraer. Богатый набор защитных и вспомогательных функций, которые присутствуют у тех или иных семейств, гарантирует безопасность и гибкость функционирования. Встроенные схемы защиты от перенапряжения на выходе (OVP, Output Overvoltage Protection), короткого замыкания (SCP, Output Short Circuit Protection), перегрузки по току (OCP, Over Current Protection), превышения температуры (OTP, Over Temperature Protection), а также цепи плавного запуска (Soft-start) для устранения бросков пускового тока при включении, блокировки при пониженном (UVLO, Input Undervoltage Lock-out) и повышенном (OVLO, Input Overvoltage Lock-out) входном напряжении, дистанционного управления (On/Off), регулировки выходного напряжения (Trim), компенсации падения напряжения на соединительных проводах (Sense) и синхронизации нескольких устройств (Sync) могут быть полезны в определенных режимах работы преобразователей.

Серии MGDх-04, MGDх-10, MGDх-20, MGDх-25 и MGDх-35 выгодно отличаются большим количеством моделей и состоят из модулей, имеющих от одного до трех выходных каналов. Выходные напряжения — стандартные, из ряда 3,3, 5, 12 и 15 В, у двух- и трехканальных версий номиналы выхода образуются путем сочетания этих значений. Несколько диапазонов входных напряжений идеально подходят для работы с шинами питания 12, 24, 28 и 48 В. Высокая частота преобразования (до 480 кГц) способствует минимизации уровня выходного шума, составляющего 50–150 мВ (п-п) для любых значений выходного напряжения и любых моделей. Погрешность выхода при изменении питающего напряжения лежит в пределах от ±1 до ±1,5%, и не превышает ±2,5% при изменении тока нагрузки. Модули данных серий содержат ограниченный комплект схем защиты и выпускаются в металлических низкопрофильных корпусах с высотой 7,5–12,7 мм, предназначенных для монтажа в отверстия.

Основное отличие устройств серий MGDD-20 и MGDD-60 — сверхширокий динамический диапазон входных напряжений (12–160 В), позволяющий создавать универсальные источники, работающие при значительных отклонениях внешнего питающего напряжения от номинала и высоком уровне импульсных помех. Модули рассчитаны на выходную мощность 20 или 60 Вт и максимальный ток нагрузки 5 А. Они имеют два индивидуально изолированных выходных канала с номинальными напряжениями 5, 12, 15 или 24 В, погрешностью установки каждого не более ±2% при комнатной температуре и 75% нагрузке и возможностью подстройки в пределах –20…+10% от номинала при помощи вывода Trim. Путем их параллельного, последовательного или симметричного объединения можно реализовать различные схемы питания, например получить одно­канальные источники с выходным напряжением 5–48 В, двухканальные одно- и двухполярные с выходными напряжениями ±15 В или 2×24 В с мощностью каждого канала, равной половине номинальной. Для оптимального рассеивания мощности металлические корпуса промышленного стандарта герметизированы при помощи двухкомпонентного теплопроводящего состава. Гальваническая изоляция между входом и выходом составляет более 1500 В постоянного тока, между двумя выходными каналами не менее 300 В постоянного тока.

Серии повышенной мощности представлены одноканальными моделями с положительным выходным напряжением из ряда 3,3; 5; 12; 15; 24; 26 и 28 В. Преобразователи с максимальной мощностью 75–500 Вт характеризуются суммарной нестабильностью по сети, нагрузке и температуре не более 1%, а также полным набором интегрированных защитных и сервисных схем. Предназначены для работы с шинами питания с номиналами 24, 28, 48 и 270 В. Выполненные с использованием прямоходовой топологии, они обладают КПД до 93% (рис. 5). Регулировка выходного напряжения, которая обеспечивается подключением внешнего резистора, позволяет менять его в диапазоне ±10% от номинального значения.

Рис. 5. Эффективность преобразования модуля MGDS-155-S-F

Модули могут быть синхронизированы между собой для работы на одной общей частоте или же подключены к внешнему источнику тактовой частоты. Также существует возможность дистанционного включения/выключения и использования внешней обратной связи с целью корректировки падения напряжения на проводах, соединяющих источник питания с удаленной нагрузкой. Конструктивно они выполнены в металлических корпусах промышленных форм-факторов “1/4 brick” (MGDS-75, MGDS-155, MGDS-160, MGDS-205, MGDS-250), “1/2 brick” (MGDS-150, MGDS-500) и 2«×3« (MGDS-100, MGDS-200). Их внешний вид показан на рис. 6.

Рис. 6. Внешний вид мощных DC/DC-преобразователей Gaia Converter

Заключение

Линейка модулей производства компании Gaia Converter обладает широкими функциональными возможностями, хорошей технической поддержкой и изготавливается с учетом требований отраслевых стандартов. Построенные на их основе высоконадежные системы электропитания устойчивы к колебаниям входного напряжения, стабильно функционируют в жестких условиях окружающей среды и могут применяться совместно с различным оборудованием авиационного назначения.