Эволюция функционала ограничителей выбросов напряжения для систем электропитания авиационной РЭА

Надежность систем электропитания (СЭП) летательных аппаратов (ЛА) является одним из основополагающих факторов безопасности полета и выполнения полетного задания. Традиционно бортовая СЭП — это как минимум комплект преобразователей напряжения (ПН) с пассивным фильтром радиопомех (ФРП) на входе. Каждый ПН имеет вход управления включением/выключением с помощью маломощного сигнала логического характера для индивидуального управления. Структура СЭП и ее узлы проектируются таким образом, чтобы обеспечить требуемую надежность. В статье рассмотрены особенности построения СЭП, питающихся от сети постоянного тока напряжением 27 В с переходными отклонениями до 80 В (ГОСТ Р 54073-2010), хотя выводы и предложения по применению справедливы для любого другого напряжения.

При проектировании ПН СЭП для сети постоянного тока с выбросами напряжения до 80 В разработчики идут двумя путями. Один путь — использование в схеме ПН силовых полупроводниковых элементов, способных надежно работать при пятикратном изменении напряжения на входе преобразователя (минимальное входное напряжение U_{ВХ МИН} = 17 В, максимальное входное напряжение U_{ВХ МАКС} = 36 В, выброс входного напряжения до 80 В в течение 1 с). Однако такая возможность реализуется с помощью высоковольтных силовых ключей и диодов, а значит, и снижается КПД преобразователя. Другой путь — установка буферного устройства на входе преобразователей, способного ограничивать выбросы напряжения на уровне U_{ВХ МАКС} = 36 В [1]. Двукратное изменение входного напряжения позволяет вдвое уменьшить напряжение на силовых ключах и диодах, что повышает КПД преобразователя и расширяет номенклатуру доступных силовых элементов.

Для реализации этой задачи разрабатывается специальный класс буферных устройств — ограничителей выбросов напряжения (ОВН). Они выпускаются отечественными и зарубежными фирмами и описаны в технической и патентной литературе [1–5].

На рис. 1 графически продемонстрирован алгоритм работы ОВН. В идеале выходное напряжение ОВН должно повторять входное, если последнее находится в диапазоне допустимых значений: U_{ВХ МИН} = 17 В ≤ U_ВХ ≤ U_{ВХ МАКС} = 36 В. Реально падение напряжения на корректно спроектированном ОВН при номинальном выходном токе составляет сотни милливольт, поэтому можно считать, что в установившемся режиме выходное напряжение практически равно входному. Когда входное напряжение ОВН превышает значение U_{ВХ МАКС} и находится в диапазоне 36 В ≤ U_ВХ ≤ 80 В, его выходное напряжение должно ограничиваться на уровне чуть более U_{ВХ МАКС} = 36 В. Рассмотрим подробнее этот класс устройств.

Рис. 1. Графическая интерпретация алгоритма работы ОВН

Обобщенная функциональная схема ОВН, реализующая описанный алгоритм работы, представлена на рис. 2. Она состоит из узла токовой защиты (УТЗ), регулирующего элемента (РЭ), выходного фильтра (Ф), узла обратной связи (УОС). В зависимости от режима работы РЭ во время выброса входного напряжения ОВН делятся на ОВН с непрерывным способом управления РЭ и импульсным.

Рис. 2. Обобщенная функциональная схема ОВН

Первые разработки в этом направлении — это ОВН с непрерывным способом управления РЭ. Такой способ управления РЭ обусловливает небольшие выходные токи (1–2 А), поскольку в процессе ограничения выброса в РЭ выделяется значительная мощность P_РЭ = (U_ВХ – U_ВЫХ)×I_ВЫХ, а при коротком замыкании (КЗ) на выходе — P_РЭ = U_ВБР × I_ВЫХ!

По такому принципу реализован, например, ОВН серии ФО производства АО «НПП «ЭлТом» [6]. Номинальный рабочий ток наиболее мощного ОВН I_НОМ = 2,7 А, и даже РЭ не защищен от перегрузок по току.

Существенно бόльшие выходные токи обеспечивают ОВН, в которых в процессе ограничения выходного напряжения РЭ переводится в импульсный режим работы. РЭ в этом случае называют ключом (Кл). Выделяемая на нем мощность в режиме ограничения выходного напряжения уменьшается на порядок и более, а специальные алгоритмы работы позволяют устранить перегревы даже при КЗ на выходе [2–5]. Ключ Кл, естественно, защищен от перегрузок по току. По такому принципу устроены, например, ОВН серии ФПО производства АО «ГК «Электроинвест» [7] и серии МДН производства ООО «АЭИЭП» [8]. В дальнейшем будем рассматривать только ОВН только с импульсным способом управления РЭ как наиболее перспективные.

Прибор настраивается на максимальный ток I_{КЛ МАКС}, которым необходимо ограничить ток через ключ Кл, и напряжение ограничения на выходе U_ОГР = U_{ВЫХ МАКС}. Это значение должно быть не больше максимального входного напряжения для ПН, подключенных к выходу ОВН.

При увеличении тока нагрузки сверх значения I_{КЛ МАКС} узлом токовой защиты УТЗ вырабатывается сигнал, размыкающий ключ Кл на время задержки t_ЗАД. По истечении времени t_ЗАД ключ Кл замыкается и процесс повторяется до тех пор, пока при очередном открывании ключа Кл значение тока через него не достигнет значения I_{КЛ МАКС}. Ключ Кл остается открытым, ОВН переходит в установившийся режим работы. Если этого не происходит в течение 5–8 мс, ОВН переходит в режим релаксации (выключение с последующим автоматическим включением) с частотой 100–150 Гц.

Работа ОВН в режиме ограничения выходного напряжения происходит следующим образом. При увеличении напряжения на выходе сверх значения U_ОГР узлом обратной связи УОС вырабатывается сигнал, переводящий ключ Кл в импульсный режим работы со скважностью, обеспечивающей после сглаживающего фильтра Ф среднее значение напряжения на выходе на уровне U_ОГР с небольшой пульсацией.

На рис. 3 представлены осциллограммы работы ОВН ФПО27-05 (номинальный выходной ток 5 А) в режиме ограничения выходного напряжения при номинальном выходном токе. Здесь и далее на осциллограммах желтый луч — напряжение на входных контактах ОВН, зеленый — на выходных контактах ОВН. Уже здесь видна важная и полезная особенность импульсных ОВН — выброс входного напряжения может длиться значительно дольше 1 с без опасности выхода прибора из строя.

Рис. 3. Работа ОВН ФПО27-05 в режиме ограничения выброса входного напряжения

Выбросы входного напряжения секундной длительности можно рассматривать как внешние помехи сверхнизкой частоты и сверхбольшой амплитуды, которые ОВН активно фильтрует, поскольку является устройством с обратной связью. В силу же своей структуры импульсные ОВН «автоматически» являются и фильтрами высоких частот. На рис. 4 показана сглаженная частотная характеристика коэффициента ослабления К_ОСЛ ОВН МДН5 (максимальный выходной ток 5 А) в установившемся режиме. Как видно из характеристики, наибольшее ослабление имеют помехи в диапазоне частот 50–500 кГц — именно там, где находятся первые, самые мощные гармоники ПН СЭП.

Рис. 4. Сглаженная характеристика коэффициента ослабления ОВН МДН5

В динамическом режиме работы (режиме ограничения входного напряжения) ОВН продолжает оставаться эффективным фильтром вплоть до самых низких частот. На рис. 5 показан результат помехо­подавления ОВН в режиме ограничения выходного напряжения. Испытательная установка накладывает периодическую помеху с частотой 5–30 кГц и амплитудой около 50 В на выброс входного напряжения. При подключении генератора помех к ОВН уровень помехи на входе последнего уменьшается более чем вдвое — первичная фильтрация на входном фильтре ОВН. При этом на выходе ОВН амплитуда пульсаций составляет не более 1 В на активной нагрузке. Подключение же на выход ОВН ПН уменьшает амплитуду помехи еще вдвое — работает уже его входной фильтр. Однако это уже лишнее, поскольку сам ПН активно подавляет помеху такого уровня на входе.

Рис. 5. Подавление ОВН МДН5 помехи с частотой 5–30 кГц в режиме ограничения выброса входного напряжения

Аналогичные результаты в динамике получаются при подаче помехи частотой в единицы-сотни герц. На рис. 6 показан результат помехоподавления в частотном диапазоне 5–100 Гц. В этом случае входной конденсатор и внутренний фильтр ОВН практически не работают — слишком низкая частота. Помехоподавление осуществляется активной фильтрацией схемы ОВН. На выходе ОВН амплитуда пульсаций также не более 1 В на активной нагрузке.

Рис. 6. Подавление ОВН МДН5 помехи с частотой 5–100 Гц в режиме ограничения выброса входного напряжения

Активное применение ОВН при построении СЭП бортовой авиационной РЭА повлекло за собой и дальнейшее развитие схемотехники и расширение функциональных возможностей ОВН. Например, если ОВН серии ФПО имеют фиксированное значение выходного тока независимо от входного напряжения, а максимальное значение для самого мощного ОВН ФПО составляет 10 А, то ОВН серии МДН выпускается также и в варианте стабилизации значения максимальной выходной мощности. Максимальный выходной ток ОВН серии МДН составляет уже 20 А. Очевидно, что разработчики этого ОВН приняли во внимание, что нагрузкой ОВН являются в основном импульсные ПН с высоким КПД. А это, в свою очередь, означает, что с увеличением напряжения на их входе потребляемый ими ток уменьшается и наоборот. Схемотехника этого варианта ОВН разработана так, что его выходная характеристика автоматически деформируется в зависимости от величины выходного напряжения, как показано на рис. 7.

Рис. 7. Деформация выходной характеристики ОВН серии МДН в варианте стабилизации значения максимальной выходной мощности

В современном ОВН обязательно реализована защита ключа Кл от перегрузок по току. А это означает, что для нагрузки ОВН (ПН СЭП) будет автоматически реализован режим ограничения пускового тока. В случае же выхода из строя одного из ПН типа «КЗ по входу» ОВН переходит в режим защиты и потребление входного тока значительно уменьшается, то есть аварии в питающей сети не происходит, что повышает надежность СЭП в целом.

Из дополнительных возможностей ОВН следует отметить управление включением/выключением с помощью внешнего маломощного ключа (контакты реле, транзисторный ключ, выход логической микросхемы типа «открытый коллектор»). При замыкании вывода «ВЫКЛ» на вывод «ОБЩ» ОВН выключен, при размыкании выводов — включен. В выключенном состоянии ОВН потребляет несколько миллиампер. В случае, когда управление включением не используется, вывод «ВЫКЛ» оставляют неподключенным.

В установившемся режиме работы при входном напряжении U_ВХ< U_ОГР падение напряжения на ОВН U_ПАД = U_ВХ – U_ВЫХ изменяется пропорционально выходному току и имеет максимальное значение не более 300–400 мВ при номинальном выходном токе. Это означает, что КПД передачи энергии входной сети в СЭП превышает 99%! В установившемся режиме работы ОВН с максимальным выходным током до 10 А практически не нагревается даже при максимальном токе.

Дальнейшее расширение функциональных возможностей ОВН может идти по пути миниатюризации прибора повышением частоты работы в режиме ограничения выброса напряжения, что наглядно прослеживается при сравнении двух однотипных ОВН разного «года рождения» — ФПО27-05 и МДН5. Габариты ОВН ФПО27-05 составляют 64×40×12 мм и максимальная удельная мощность 5,86 кВт/дм³, а у ОВН МДН5 при том же номинальном выходном токе — 48×33×10 мм и 11,36 кВт/дм³ соответственно.

Такие относительно высокие энергетические показатели далеко не предел. Заметим, что понижающий импульсный стабилизатор напряжения с настройкой выходного напряжения U_{ВЫХ НОМ} = 36 В и максимальной длительностью открытого состояния ключа 100% относительно периода работы будет выполнять функции, аналогичные ОВН. А применяя для управления специализированный контроллер, реализующий управление синхронными ключами, работающий на рабочей частоте до 500–1000 кГц, можно значительно улучшить достигнутые показатели. На рис. 8 показана плата такого импульсного стабилизатора, выполненного на современной ЭКБ.

Рис. 8. Габариты ОВН с номинальным выходным током 5 А, выполненного на современной ЭКБ

Силовые ключи с малым зарядом затвора переключаются синхронно сигналами логического уровня и изготовлены в малогабаритных плоских корпусах. Фильтрующие конденсаторы — керамические, дроссель — на сердечнике из магнитного материала с малыми потерями на перемагничивание. При перегрузке такой ОВН не переходит в режим релаксаций. Он работает постоянно в режиме ограничения выходного тока, что позволяет практически неограниченно увеличивать емкость нагрузки. Размеры платы образца составляют 17×12×6 мм, номинальный выходной ток стабилизатора 5 А. Прибор в корпусе имеет размеры 20×15×8 мм и максимальную удельную мощность 75 кВт/дм³! Все остальные параметры соответствуют характеристикам аналогичного ОВН.

СЭП для бортовой авиационной РЭА имеет типовую структуру с фильтром радиопомех (ФРП) на входе. С учетом рассмотренных выше особенностей работы ОВН предлагается при разработке СЭП вместо ФРП использовать ОВН. Габариты и масса СЭП при этом не меняются, а функциональные возможности существенно расширяются, и увеличивается КПД и надежность. Функциональная схема такой СЭП показана на рис. 9.

Рис. 9. Функциональная схема СЭП с ОВН вместо ФРП

Представленная СЭП построена по модульному принципу: необходимое число каналов и их мощность набирается разработчиком из набора унифицированных модулей питания (МП), как из кубиков. Поскольку каждый из МП обладает всеми свойствами полноценного ПН, СЭП характерна избыточность и, соответственно, завышенная стоимость ее составных частей. Но это с лихвой компенсируется сокращением времени и стоимости ее разработки.

СЭП состоит из двух подсистем с одно- и двухканальными модулями питания МП1–МПn и МПn+1 — МПn+k, которые подключены к выходам двух ОВН: ОВН1 и ОВН2 соответственно. Каждая из подсистем управляется от блока управления БУ. Нагрузкой МП являются потребители П1–Пn, которые могут получать управление как от «своего» ОВН, так и от обоих (потребитель П2).

Использование ОВН в структуре СЭП автоматически дает ряд полезных дополнительных свойств:

• в установившемся режиме работы ОВН представляет собой отличный помехоподавляющий фильтр, коэффициент ослабления в диапазоне частот 50–500 кГц которого достигает 50 дБ и более;
• мгновенное значение тока через ключ ограничено, что защищает как сам ключ, так и нагрузку ОВН (модули питания СЭП) от неограниченных входных токов в каждый момент времени;
• при отказе одного из МП, подключенных к ОВН, типа «КЗ по входу» ОВН воспринимает это как КЗ по выходу и переходит в защиту. Средний ток в этом режиме, протекающий через прибор, значительно уменьшается. Такой режим работы безопасен для прибора, он может работать в нем длительное время без опасности перегрева и защищая входную сеть от перегрузки, а отказавший преобразователь — от полного разрушения;
• использование ОВН в структуре СЭП позволяет добиться двукратного изменения входного напряжения для применяемых МП. При этом можно использовать в составе МП силовые элементы с вдвое более низким значением напряжения, что, в свою очередь, уменьшает потери и увеличивает КПД СЭП в целом;
• управление включением целой группы преобразователей можно производить одним маломощным сигналом через соответствующий ОВН.