Новые подходы к проектированию систем электропитания. Твердотельный контроллер мощности

В последнее время разработчики систем электропитания для сложных многофункциональных устройств сталкиваются с многочисленными трудностями при выборе элементной базы для построения качественного, надежного и недорогого изделия. Современная электроника, выполняя все более сложные задачи, требует в процессе своего функционирования огромное количество энергии, при этом требования к ее качеству также становятся все жестче. С увеличением производительности и с повышением быстродействия потребление энергии также растет. Увеличение потребления тока ведет к тому, что для снижения риска различного рода аварий и повышения надежности коммутирующих устройств и соединительных проводов необходимо использовать «умные» устройства, позволяющие контролировать различного рода перегрузки и нештатные ситуации и избегать, таким образом, аварий, что, в конечном счете, ведет к повышению надежности всей системы энергообеспечения в целом. Поэтому в современных системах электропитания все большую популярность приобретают «интеллектуальные» реле — твердотельные контроллеры мощности (Solid-State Power Controller, SSPC). Использование SSPC позволяет:

• защитить нагрузку и токоведущие провода от перегрузок по току и от перегрева в соответствии с мощностной характеристикой I²t;
• осуществлять точный контроль уровня потребляемой мощности;
• строить сложные системы, отслеживающие колебания мощности и реагирующие на произошедшие аварии с целью минимизации ущерба как для нагрузки, так и для самой системы электропитания.

Прародителями современных твердотельных контроллеров мощности являются обычные электромагнитные реле с тепловой защитой, реализованной при помощи биметаллической пластины. Протекание электрического тока через биметаллическую пластину приводит к ее нагреву, и если температура превышает установленное критическое значение, то пластина размыкается, тем самым обеспечивая защиту от перегрузок и перегрева токоведущих проводов. За счет инерционности нагрева биметаллической пластины обеспечивается отсутствие ложных срабатываний защиты при кратковременных бросках мощности или перенапряжениях, возникающих при использовании нагрузок с большой реактивной составляющей, например различного рода двигателей. Однако актуальные требования, предъявляемые к устройствам коммутации, такие как низкий уровень электромагнитных помех, снижение массо-габаритных показателей, энергоемкость управления, возможность иметь различные статусные сигналы о том, в каком состоянии находится реле в данный момент, не позволяют использовать электромагнитные реле для построения современных систем электропитания.

В основе архитектуры твердотельных контроллеров мощности лежит система, основанная на микроконтроллере, с помощью которого реализуются все основные функции SSPC:

• включение/выключение силовых ключей, в качестве которых выступают MOSFET или IGBT-транзисторы с малым уровнем потерь в статическом режиме и требуемыми для реализации соответствующих защит динамическими характеристиками;
• защита от перегрузки по току, реализованная с использованием встроенного токоизмерительного шунта, данные с которого обрабатываются при помощи микроконтроллера;
• защита от перегрева, позволяющая контролировать температуру не только силовых ключей SSPC, но и в месте контакта силовой шины с соединительными проводами;
• ограничение коммутируемого напряжения при кратковременном превышении максимально допустимого уровня, при коммутации индуктивных нагрузок, с целью защиты как самого реле, так и нагрузки, на которую работает данный SSPC.

Согласно структурной схеме, приведенной на рис. 1, твердотельный контроллер мощности состоит из следующих частей:

• встроенный DC/DC-преобразователь, обеспечивающий энергией соответствующие узлы SSPC и реализующий изоляционный барьер между частями устройства, имеющими различный потенциал;
• микроконтроллер, формирующий сигнал включения/выключения для силовых транзисторов, реализующий алгоритм функционирования защиты и формирующий статусные сигналы состояния SSPC;
• драйвер силовых транзисторов, являющийся усилителем-формирователем сигнала управления с микроконтроллера для непосредственного управления силовыми транзисторами SSPC;
• блок оптической развязки, с помощью которого через изоляционный барьер передается сигнал управления и статусные сигналы состояния SSPC;
• силовая часть, состоящая из силовых MOSFET- или IGBT-транзисторов, токоизмерительного шунта и терморезистора, контролирующего температуру силовой части.

Рис. 1. Структурная схема SSPC

Сигнал управления через оптическую развязку поступает на микроконтроллер, который формирует сигнал для включения силовых транзисторов. В зависимости от модификации SSPC сигнал управления не обязательно одиночный, это могут быть два или более сигналов, формирующих необходимый алгоритм управления. К примеру, может быть два входа управления — один прямой, другой инверсный, с помощью которых можно реализовать алгоритм, когда блокирование работы SSPC осуществляется по внешнему сигналу управления, без снятия основного управляющего сигнала.

Микроконтроллер после получения соответствующего сигнала управления, разрешающего работу SSPC, включает силовые транзисторы и начинает контролировать протекающий через них ток. В зависимости от алгоритма функционирования микроконтроллер может формировать статусные сигналы, оповещающие о состоянии SSPC: к примеру, критерием выдачи статусного сигнала может быть протекание тока нагрузки, равного 10% от номинального, что свидетельствует о том, что питание подано.

При превышении током, протекающим через SSPC, номинального значения в течении промежутка времени, определенного алгоритмом функционирования, происходит отключение силовых транзисторов с выдачей статусного сигнала о перегрузке по току. Твердотельные контроллеры мощности спроектированы так, что реализуют характеристику I²t, определяющую значение предельной тепловой мощности, которую должен выдержать SSPC без повреждения силовых транзисторов при наступлении короткого замыкания в нагрузке или долговременном превышении тока, способном привести к повреждению соединительных проводов. Перегрузочная характеристика функционирования SSPC, изображенная на рис. 2, реализует функцию I²t, взятую с аналоговой модели биметаллической пластины, которая осуществляет аналогичную функцию в электромагнитных реле. Преимущества модели биметаллической пластины при реализации защиты по току очевидны:

• Инерционность нагрева биметаллической пластины не позволяет реле реагировать на кратковременные коммутационные выбросы, которые неизбежны при подаче питания на любое реальное устройство, так как добиться использования только резистивной нагрузки очень сложно, и, как правило, любой нагрузке присуща реактивная составляющая.
• Наличие «тепловой памяти» пластины позволяет избегать многократных долговременных перегрузок по току: к примеру, если после восстановления функционирования SSPC после срабатывания защиты по току происходит повторная перегрузка по току, то разрыв цепи коммутации произойдет значительно быстрее, так как биметаллическая пластина уже находится в нагретом состоянии.

Рис. 2. Диапазон перегрузочных характеристик SSPC

По перегрузочной характеристике функционирования токовой защиты, приведенной на рис. 2, видно, что номенклатура SSPC делится на несколько классов: верхняя и нижняя характеристики определяют границы самого распространенного диапазона срабатывания защиты по току, в пределах которого существует еще несколько общепринятых характеристик, определенных в зависимости от типов нагрузок, которые коммутируют при помощи SSPC.

МККТ — отечественный твердотельный контроллер мощности

Пути, которыми шли отечественные разработчики силовых устройств при переходе с электромагнитных на твердотельные реле, несколько отличались от путей ведущих зарубежных разработчиков в этой области. Среди отечественных разработок в сфере полупроводниковых устройств наибольшее распространение получили полупроводниковые реле с защитой по току, алгоритм функционирования которой предельно прост: размыкание реле происходит мгновенно, при любом, даже самом небольшом превышении током, протекающим в нагрузке, уровня уставки срабатывания защиты. Следствием простоты реализации реле подобного типа являются все вышеперечисленные недостатки при мгновенном срабатывании токовой защиты. Поэтому среди отечественных разработок практически невозможно найти устройство, соответствующее принципам построения и функционирующее по алгоритмам, подобным тем, что заложены в твердотельных контроллерах мощности — SSPC. Устройства с алгоритмами функционирования SSPC, разработанные отечественными специалистами, как правило, реализовывались под конкретную единичную систему электропитания и поэтому не являются серийными.

После анализа ситуации, сложившейся на рынке, фирмой ЗАО «Электрум АВ» была проведена разработка устройств, в основу алгоритма функционирования которых были заложены принципы построения твердотельных контроллеров мощности. Разработанное устройство получило название МККТ1 — модуль коммутации и контроля тока. МККТ1 предназначен для применения в составе радиоэлектронной аппаратуры в качестве силового элемента для коммутации постоянного тока со следующими функциями:

• контроль протекания тока в нагрузке в соответствии с характеристикой I²t с защитой силовых транзисторов от перегрузки по току;
• защита от перенапряжения сток–исток на силовых транзисторах;
• защита от перегрева силовых транзисторов;
• выдача статусного сигнала Ст1 при коммутации тока по критерию 10% от номинального;
• выдача статусного сигнала Ст2 при срабатывании защиты по току;
• выдача статусного сигнала Ст3 при перегреве силовых транзисторов и срабатывании защиты по перегреву.

Согласно структурной схеме, приведенной на рис. 3, управление модулем МККТ1 можно осуществлять при помощи двух сигналов управления: «Упр+» — прямого входа управления, и «Упр–» — инверсного входа управления; для разрешения коммутации модулем тока необходимо на вход «Упр+» подать состояние логической единицы, а на вход «Упр–» — состояние логического нуля. Таким образом, можно реализовать сложный алгоритм управления, когда состояние модуля определяется разрешающими сигналами от двух задатчиков.

Рис. 3. Структурная схема МККТ1

Модификация модуля с прямым и инверсным входами управления имеет встроенную схему сброса: при срабатывании защиты разрешение коммутации модуля возможно путем снятия разрешающего сигнала «Упр+» или «Упр–» и повторной его подачи, таким образом возможна реализация модулем ограничения среднего тока на определенном уровне путем регулирования скважности управляющего сигнала.

Также разработана модификация модуля МККТ1 с внешним сбросом — МККТ1А. У модуля МККТ1А отсутствует вход «Упр–», вместо него добавлен вход «Сброс», при подаче высокого логического уровня на который происходит сброс модуля после срабатывания защиты. Это позволяет реализовать алгоритм функционирования модуля, когда будет невозможен его перезапуск по входу «Упр+», а снятие режима аварии будет выполняться только с использованием входа «Сброс».

Согласно диаграмме функционирования МККТ1, приведенной на рис. 4, модуль работает по следующему алгоритму. При подаче на вход «Упр+» логической единицы, а на вход «Упр–» логического нуля, происходит разрешение коммутации модулем силового напряжения U_вых, и через нагрузку начинает протекать ток, величина которого измеряется при помощи встроенного в модуль токоизмерительного шунта. При превышении тока через нагрузку выше уровня I_ст1 включается оптически изолированный статусный сигнал Ст1, который можно использовать для сигнализации протекания тока в нагрузке. При дальнейшем увеличении тока в нагрузке модуль продолжает непрерывно контролировать его до момента превышения величины тока выше уровня I_защ. Когда и это значение будет превышено, произойдет срабатывание защиты модуля по перегрузке с задержкой t_{зад.сраб.защ.}, зависящей от величины перегрузки по току. Если обратить внимание на рисунок 4, то видно, что задержки t_{зад.сраб.защ.1} и t_{зад.сраб.защ.2} не равны друг другу. Происходит это из-за того, что уровень перегрузки по току в случае с t_{зад.сраб.защ.1} ниже, чем в случае с задержкой t_{зад.сраб.защ.2}, но и в том, и в другом случае мощность потерь в соответствии с перегрузочной характеристикой I²t, приводящая к перегреву как самого модуля, так и соединительных проводов, будет одинакова.

Рис. 4. Диаграмма функционирования МККТ1

Для пояснения функционирования защиты модуля МККТ1 на рис. 5 приведены осциллограммы срабатывания защиты. Для наглядности несколько осциллограмм совмещены на одном рисунке. На осциллограмме по каналу 1 — управляющий сигнал на входе модуля МККТ1, по каналу 2 — осциллограммы токов, протекающих в нагрузке. Отчетливо видно, что с увеличением значения тока, протекающего в нагрузке, уменьшается значение задержки срабатывания защиты по току t_{зад.сраб.защ.}

Рис. 5. Осциллограмма срабатывания защиты модуля МККТ1

Силовая часть МККТ1 спроектирована таким образом, чтобы выдерживать все перегрузки в допустимом диапазоне перегрузочной характеристики модуля, приведенной на рис. 6, без выхода из строя силовых транзисторов, предотвращая таким образом перегрев и выход из строя самого модуля и соединительных проводов, а также не допуская протекания в нагрузке долговременного тока, способного повредить нагрузку или ее составные части.

Рис. 6. Перегрузочная характеристика модуля МККТ1

При срабатывании защиты по току происходит включение оптически изолированного статусного сигнала Ст2, сигнализирующего об аварии, который можно использовать для организации перезагрузки модуля либо для подачи питания в нагрузку через резервный канал организации питания для нагрузки.

При многократном срабатывании защиты по току, приводящем к перегреву радиатора модуля выше уровня срабатывания защиты по перегреву Ткрит, происходит срабатывание защиты по перегреву, силовые транзисторы модуля отключаются, включается оптически изолированный статусный сигнал Ст3, сигнализирующий о превышении температуры силовых транзисторов модуля выше уровня срабатывания защиты по перегреву. Разрешение коммутации модуля произойдет только в том случае, если температура силовых транзисторов модуля МККТ1 окажется ниже уровня Траз, свидетельствующего о том, что функционирование силовых транзисторов вновь осуществляется в пределах области их безопасной работы.

Согласно диаграмме на рис. 4, перезагрузку модуля МККТ1 после срабатывания защиты можно организовать как при помощи входного управляющего сигнала «Упр+», так и при помощи сигнала «Упр–». Если на вход «Упр–» подать состояние логического нуля, а на вход подавать прямоугольные импульсы необходимой скважности, то при срабатывании защиты по перегрузке по току при поступлении следующего разрешающего импульса на вход «Упр+» произойдет внутренний сброс модуля и он возобновит коммутацию. Таким образом, управляя скважностью сигналов на входе модуля «Упр+» в режиме срабатывания защиты модуля по току, можно регулировать величину среднего тока, протекающего через модуль.

Модуль МККТ1 можно использовать в качестве быстродействующего ключа с защитой по току, способного осуществлять коммутацию с частотой до 30 кГц, но в этом режиме эффективность обеспечения защиты снижается. К примеру, на частоте коммутации 10 кГц защита модуля, согласно его перегрузочной характеристике, приведенной на рис. 6, будет срабатывать только при токе нагрузки, в три–четыре раза превышающем максимальный ток коммутации модулем. При таком режиме срабатывания защиты долговременное функционирование модуля, когда коммутируемый ток превышает максимальный ток в два-три раза, будет приводить к регулярному перегреванию силовых транзисторов модуля и срабатыванию защиты по перегреву. Наличие многократных предельных энергоциклов перегрева снижает надежность силовых транзисторов, используемых в модуле, и может привести к преждевременному выходу его из строя. Поэтому перед принятием решения об использовании модуля МККТ1 в качестве быстродействующего ключа разработчик устройства должен тщательно изучить все аспекты данного применения МККТ1 (в том числе с предварительным макетированием устройства) во избежание разработки прибора с низкой надежностью в целом, из-за неучтенных последствий применения модуля.

Наиболее оптимальным применением приборов серии МККТ является их использование в качестве первичного защитного элемента, обеспечивающего питание для сложного устройства с возможностью эффективной защиты всего устройства в целом. Примерная структурная схема подобного устройства изображена на рис. 7. Модуль МККТ1 контролирует общий ток, протекающий в цепи нагрузки. Система управления, формируя соответствующие управляющие сигналы, обеспечивает нагрузку необходимым питанием как при помощи быстродействующего реле, так и без него. В качестве нагрузки может выступать сложная система, в процессе своего функционирования потребляющая ток в широком диапазоне. Обмен информацией системы управления с модулем МККТ позволяет системе принять необходимое решение при наступлении той или иной аварийной ситуации, что позволит предотвратить различные повреждения и выходы из строя в результате перегрузок. Выбросы, возникающие при включении и выключении быстродействующих реле, в особенности при работе реле на реактивную нагрузку, не будут приводить к срабатыванию защиты модуля МККТ1, так как длительность протекания повышенного тока через модуль МККТ1 составляет, как правило, от сотен микросекунд до десятков миллисекунд, что, согласно перегрузочной характеристике модуля, приведенной на рис. 6, входит в область допустимых перегрузок, не приводящих к срабатыванию защиты. В случае, если средний ток через нагрузку превысит уровень срабатывания защиты в течение времени, не входящем в область допустимых перегрузок модуля, а также если в нагрузке или соединительных проводах произойдет короткое замыкание, произойдет срабатывание защиты модуля по току.

Рис. 7. Схема электропитания с модулем МККТ1

Другой перспективной областью применения модулей МККТ1 является построение сложных систем с резервированием питания. Пример реализации подобной системы показан на рис. 8. Нагрузка получает питание через произвольное количество каналов либо от общего мощного источника питания, либо от отдельных источников питания с небольшой мощностью. Сложность архитектуры построения системы определяется требованиями надежности, функциональности, эффективности функционирования, простоты проверки и отладки на этапе ввода устройства в эксплуатацию, предъявляемыми ко всей системе электропитания в целом. Система управления формирует соответствующие сигналы управления, включающие необходимое количество каналов подачи питания к нагрузке при повышении потребления нагрузкой тока или при срабатывании у какого-либо модуля МККТ защиты по перегреву или по перегрузке по току. Быстродействие МККТ1 позволяет в течение 1–10 мкс просигнализировать о необходимости в дополнительной мощности для нагрузки и включить дополнительное количество каналов питания или переключить нагрузку на другой источник питания. Тем самым обеспечивается бесперебойная работа во всем диапазоне режимов потребления тока нагрузкой.

Рис. 8. Схема резервирования с использованием МККТ1

Специалисты «Электрум АВ» разработали широкий спектр номенклатуры устройств типа МККТ1 (рис. 9), в который входят:

• модификации с различным напряжением питания (15, 24 и 36 В);
• модификации с различным максимально допустимым пробивным напряжением транзисторов силовой части модуля (60, 100, 200, 400, 600, 1200 В);
• модули на различный максимальный коммутируемый ток (2, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 75, 90, 120, 150, 180, 240, 320 А);
• два варианта управления — модули с прямым и инверсным управлением с наличием внутреннего сброса и модули с прямым управлением с внешним сбросом;
• два типоразмера корпусов выпускаемых модулей;
• различные варианты перегрузочной характеристики I²t.

Рис. 9. Модули МККТ1

Перспективы развития твердотельных контроллеров мощности

Современные тенденции проектирования радиоэлектронных устройств таковы, что при создании нового устройства разработчик, как правило, стремится по максимуму использовать в его составе готовые блоки, выполняющие определенные функции, которые необходимо всего лишь грамотно объединить в систему и запрограммировать получившееся устройство на выполнение необходимых функций. Поэтому самым востребованным будет тот функциональный блок, который выполняет наибольшее количество функций при тех же массо-габаритных показателях и, что еще лучше, при той же стоимости. Так, к примеру, бóльшим спросом пользуется не просто реле с защитой по току, а реле, в котором можно регулировать уровень срабатывания защиты по току в широком диапазоне значений.

Поэтому на смену твердотельным контроллерам мощности в прежнем их понимании будут приходить новые, более функциональные устройства. На рис. 10 приведена примерная структурная схема твердотельных контроллеров мощности, в соответствии с которой были разработаны самые современные на данный момент времени SSPC, а также те из устройств, разработка которых только ведется.

Рис. 10. Структурная схема перспективных SSPC

Во всех SSPC нового поколения имеется возможность программирования основных параметров и режимов функционирования модуля. Программирование осуществляется при помощи подключения резисторов соответствующего номинала к опорному напряжению, выведенному из модуля, как правило, по «высокой стороне» коммутируемого напряжения. Использование такого способа подключения резисторов при программировании удобно в плане осуществления гальванической развязки, так как нет необходимости передавать сигналы через барьер изоляции. Недостатком здесь является невозможность оперативного изменения необходимых параметров функционирования при помощи системы управления модулем.

«Значение максимального тока» — с помощью этой уставки можно изменять значение тока срабатывания защиты. К примеру, если имеется модуль с максимальным коммутируемым током в 50 А, а конкретные режимы функционирования нагрузки определяют допустимый ток, протекающий в нагрузке, равным 30 А, то установкой резистора соответствующего номинала можно задать уставку срабатывания защиты равной 30 А. Таким образом, меняя номинал резистора R1, можно регулировать значение тока срабатывания защиты в диапазоне 0–100%.

«Уровень перегрузки» — регулирование этой уставки позволяет изменять перегрузочную характеристику модуля I²t. Возможность менять максимальный уровень перегрузки позволяет точно настроить SSPC под режимы функционирования нагрузки, позволяющие без аварийных отключений осуществлять включение нагрузок с большой реактивной составляющей, избегая при этом повреждения и выхода из строя соединительных проводов и самого модуля SSPC. Изменяя номинал резистора R2, можно регулировать уровень перегрузки от максимально допустимой для модуля данного класса до минимального значения, при котором еще целесообразно функционирование модуля. Как правило, нижний порог уровня перегрузки не должен быть менее 200% от максимального коммутируемого модулем тока.

«Уровень нагрузки» — наличие этой уставки позволяет задавать значение тока, при котором будет включаться статусный сигнал, оповещающий об уровне загруженности модуля. Диапазон, в котором, как правило, задается значение данной уставки, составляет 10–90% от величины тока срабатывания защиты. Если ток, протекающий в нагрузке, ниже значения уставки «Уровень нагрузки», то на выходе статусного сигнала будет высокий логический уровень; как только ток в нагрузке превысит значение уставки, статусный выход перейдет в низкое логическое состояние. Возможность изменения данной уставки позволяет более рационально распределять уровни загрузок модулей в системах с резервированием каналов подачи питания или создавать эффективную сигнализацию об уровне нагрузки модуля.

При создании систем электропитания с большим количеством однотипных силовых реле удобно пользоваться многоканальными блоками силовых коммутационных устройств. Имеются реализации подобных блоков и на основе твердотельных контроллеров мощности. Как правило, они содержат 2, 4, 8 или 16 каналов с независимой организацией защиты в каждом. Обмен данными такого блока SSPC с системой управления, как правило, реализуется при помощи сетевых протоколов. Это позволяет осуществить дистанционное управление уровнем загрузки каждого модуля в составе блока, организовать контроль состояния нагрузки, уровня коммутируемой мощности и ее качества, что, в свою очередь, позволяет создавать целые комплексы с возможностью централизованного управления. Наличие возможности запараллеливания каналов SSPC позволяет создать конфигурацию устройства с очень большим максимальным коммутируемым током при очень низком значении потерь мощности на сопротивлении открытых силовых транзисторов, что снижает перегрев и позволяет обойтись без громоздкой системы охлаждения блока.

ЗАО «Электрум АВ» производит регулярную модернизацию твердотельных контроллеров мощности типа МККТ1 и занимается разработкой нового поколения таких приборов, в которых учтены все современные требования, предъявляемые к устройствам подобного типа. Так, к примеру, ведется разработка серии устройств с различными классами перегрузочных характеристик (пример см. на рис. 11), с возможностью реализации программирования различных режимов функционирования.

Рис. 11. Перегрузочные характеристики разрабатываемых МККТ

Заключение

Построение надежной и эффективной системы электропитания невозможно без тщательной проработки вариантов устройств, необходимых для разработки, без изучения особенностей функционирования при различных условиях эксплуатации и самого жесткого отбора комплектации, используемой при производстве изделий. Грамотное применение современных многофункциональных силовых модулей и блоков позволяет в короткие сроки реализовать большой спектр недорогих, надежных и эффективных устройств.

Литература

1. www.electrum-av.com
2. www.ddc-web.com