К вопросу об импортозамещении и взаимозаменяемости средств электропитания РЭА

Об импортозамещении в силовой электронике говорить можно весьма условно. Недостаток, а порой и полное отсутствие современной отечественной электронной компонентной базы (ЭКБ) для разработки эффективных источников вторичного электропитания (ИВЭП) и приборов силовой электроники привели к тому, что основная их доля разработана и производится на импортных элементах. Они дешевле, доступнее, а технические характеристики и функциональные возможности превосходят аналогичные параметры отечественных компонентов. Поэтому, несмотря на объявленную кампанию, доля ИВЭП на импортной ЭКБ продолжает увеличиваться. На импортной ЭКБ выпускаются отечественные ИВЭП с приемкой «5», а некоторые из них фигурируют даже в «Перечне ЭКБ 18». Да и само понятие «импортозамещение» не имеет у разработчиков радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) однозначного толкования. Бывает, например, когда для выполнения задачи по импортозамещению достаточно заменить импортные ИВЭП на ИВЭП отечественного производства, но собранные на той же импортной ЭКБ…

Аналогично дела обстоят и с взаимозаменяемостью ИВЭП различных, в том числе и отечественных, производителей. И если по электрическим параметрам можно, при необходимости, найти аналог, то наверняка его массо-габаритные характеристики или присоединительные размеры окажутся неприемлемыми. При замене такого ИВЭП на другой придется корректировать конструкторскую документацию (КД), а после — переделывать и вновь испытывать РЭА.

Есть класс приборов, в которых (по тем или иным причинам) необходимо применять ИВЭП только оте­чественного производства, изготовленные, к тому же, на отечественной ЭКБ отечественным производителем. Это и заставляет разработчиков РЭА искать решения обеих проблем всеми доступными им средствами. И если решить задачу импортозамещения и взаимозаменяемости ИВЭП в государственном масштабе невозможно, то для случаев применения в РЭА ИВЭП одного предприятия-разработчика проблема вполне разрешима. Необходимо только правильно поставить задачу разработчикам и конструкторам ИВЭП. В качестве конкретного примера рассмотрим подход, который применили в ООО «АЭИЭП» при проектировании новой линейки модулей питания постоянного тока (МП) на отечественной ЭКБ.

Изначально задача была сформулирована следующим образом: необходимо спроектировать линейку МП на отечественной ЭКБ с приемкой «5» с аналогичными или лучшими электрическими характеристиками, чем у прототипа на импортной ЭКБ. При этом массо-габаритные параметры должны быть должны быть не хуже, чем у прототипа, а присоединительные размеры, координаты выводов и их функциональное назначение — идентичными с прототипом. Прототип – МП серии МДМ-П также разработки ООО «АЭИЭП», выпускаемые на импортной ЭКБ и получившие широкое распространение в отечественной силовой РЭА.

В результате проведенного конструирования появился ряд МП, полная номенклатура которых перечислена в таблице 1. Новые МП имеют те же габариты и цоколевку, характеристики параметров ЭМС и КПД, что и модули питания серии МДМ-П. Это позволяет, в случае необходимости, просто провести замену «старого на новый» без переделки РЭА. После окончания разработки серия также получит обозначение МДМ-П и будет включена в БКЮС.430609.001-01 ТУ и «Перечень ЭКБ 18».

Проанализируем технические характеристики и функциональные возможности новой линейки МП. Модули разработаны полностью на отечественной ЭКБ с приемкой «5», выполнены в металлических корпусах с фланцами и без них, рассчитаны на работу от сетей постоянного напряжения 12, 24 (27 В по ГОСТ 54073-2010) и 60 В в диапазоне рабочих температур корпуса –60…+105 °С и имеют:

• один или два выходных канала, гальванически развязанных друг от друга и от входного напряжения;
• выходное напряжение каждого канала в диапазоне 3–36 В;
• трансформаторную схему передачи сигнала обратной связи;
• возможность дистанционного включения/выключения маломощным ключом;
• защиту от перегрузки по току и короткого замыкания на выходе с автоматическим возвратом в рабочий режим при устранении перегрузки;
• защиту от перенапряжения на выходе;
• возможность регулировки выходного напряжения в диапазоне ±5% от номинального значения (для одноканального исполнения);
• выносную обратную связь для стабилизации выходного напряжения на удаленной нагрузке и выравнивание токов при параллельном соединении на выходе для модулей мощностью 120 и 200 Вт;
• вывод «Корпус», электрически соединенный с металлом корпуса.

Отсутствие отечественных силовых диодов и МДП-транзисторов в корпусах, меньших, чем КТ-89 (DPAK), не позволило разработать маломощные модули МДМ5-П и МДМ10-П в двухканальном исполнении. Относительно высокое сопротивление открытого канала R_СИ мощных силовых транзисторов не позволяет разработать более мощные модули, чем МДМ200-П, в корпусах указанных размеров с достойным КПД. И тем не менее удельные показатели модулей новой линейки значительно выше, чем у модулей серии МДМ, и составляют от 833 Вт/дм³ для модуля МДМ5-П до 1665 Вт/дм³ для модуля МДМ200-П. Для сравнения в таблицу 1 включены МП серии МДМ из «Перечня ЭКБ 18» в тех же корпусах более ранней разработки, выполненные также на отечественной ЭКБ.

Для визуального сравнения на рис. 1 показан внешний вид двух модулей одинаковой мощности: МДМ30 и нового МДМ30-П. Нетрудно заметить, что удельные показатели нового модуля питания превышают показатели прототипа более чем в два раза!

Рис. 1. Размеры и внешний вид модулей МДМ30 и МДМ30-П

Рассмотрим схемотехнику новых МП. Модули питания мощностью до 15 Вт включительно выполнены на базе обратноходового преобразователя, обобщенная функциональная схема которого показана на рис. 2.

Рис. 2. Обобщенная функциональная схема одно- и двухканальных модулей МДМ5-П–МДМ15-П

Регулирование (стабилизация) выходного напряжения производится изменением коэффициента заполнения выходного импульса ШИМ-контроллера, управляющего работой силового ключа Кл. Входное напряжение, промодулированное ключом Кл, трансформируется многообмоточным дросселем Т1, выпрямляется диодами VD2, VD3, фильтруется силовыми конденсаторными фильтрами и дополнительно сглаживается LC-фильтрами. Здесь дроссель Т1 выполняет как функции трансформатора, так и функции дросселя — накопителя энергии. Узел обратной связи (УОС) управляет установкой необходимого коэффициента заполнения ШИМ-контроллера посредством передачи сигнала обратной связи через отдельный трансформатор Т3. Ток в силовом ключе Кл контролируется с помощью трансформатора тока Т2 отдельным входом ШИМ-контроллера, реализуя защиту ключа Кл и каждого из выходов модуля от перегрузок по току и коротких замыканий. На входе модуля и на каждом из его выходов установлены помехоподавляющие фильтры. Замыкая вывод «Подстройка» на выводы «+U_ВЫХ» или «-U_ВЫХ» через дополнительный внешний резистор, можно изменять выходное напряжение МП в диапазоне ±5% относительно номинального выходного напряжения. Особенность схемы стабилизации состоит в том, что обратной связью непосредственно охвачен только выход первого, основного канала, поэтому нестабильность выходного напряжения второго, дополнительного канала несколько больше.

Увеличение выходной мощности заставляет перейти к прямоходовой схеме преобразования. На рис. 3 показана обобщенная функциональная схема прямоходового преобразователя, на базе которой разработаны схемы модулей большей мощности — МДМ30-П–МДМ200-П.

Рис. 3. Обобщенная функциональная схема одно- и двухканальных модулей МДМ30-П–МДМ200-П

В отличие от схемы на рис. 2, здесь в силовой части каждого из каналов присутствуют дополнительные силовые дроссели с обмотками L3.1, L3.2 и диоды обратного хода VD4, VD5. Поскольку фильтрация осуществляется уже LC-фильтром, силовой трансформатор получается меньше, чем силовой дроссель обратно­ходового преобразователя, рассчитанного на такую же мощность, а главное, тоньше, что особенно важно для низкопрофильного модуля МДМ30-П с высотой корпуса 10 мм. Кроме того, в модулях МДМ120-П и МДМ200-П присутствует узел, обеспечивающий выравнивание выходных токов при параллельной работе модулей, а из узла обратной связи выведены контакты для реализации удаленной обратной связи (показаны пунктиром).

Уровень применяемой ЭКБ, конструкция и технология изготовления модулей позволяют гарантировать устойчивую работу МП при механических и климатических воздействиях, количественные характеристики которых приведены в таблице 2.

Как показано в таблице 2, электрические характеристики, допустимые значения механических и климатических воздействий имеют такой же уровень, как и у модулей серий МДМ-П и МДМ, включенных в «Перечень ЭКБ 18» [1].

Результаты проверки МП новой линейки по основным статическим и динамическим характеристикам показаны в таблице 3.

Исследуем теперь главный показатель энергетической эффективности модулей новой линейки — КПД. На рис. 4 показана зависимость КПД типичного представителя обратноходовой схемы преобразования модуля МДМ15-П для выходных напряжений U_ВЫХ = 5, 12 и 27 В при значениях входного напряжения 17, 27 и 36 В.

Рис. 4. Зависимости КПД от входного напряжения и нагрузки для модулей МДМ15-П

Анализ графиков показывает, что падения КПД при номинальном выходном токе еще не происходит, а при выходном напряжении 27 В он даже продолжает увеличиваться. Это означает, что силовая часть модуля имеет запас по мощности.

На рис. 5 показана зависимость КПД модуля МДМ120-П для выходных напряжений 12 и 27 В. Здесь видно, что при номинальной нагрузке максимальные значения КПД уже пройдены, он уменьшается, оставаясь, впрочем, еще высоким для диодного выходного выпрямителя.

Рис. 5. Зависимости КПД от входного напряжения и нагрузки для модулей МДМ120-П

Для определения максимальной мощности, которую может эффективно преобразовывать предложенная структура (рис. 3) на элементах отечественной ЭКБ, помещающихся в корпусе указанных в таблице 1 размеров, был разработан и изготовлен преобразователь на выходную мощность 240 Вт. Полученные зависимости КПД при выходном напряжении 27 В показаны на рис. 6. По ним видно, что КПД проходит свой максимум при выходной мощности 100–120 Вт. При выходной мощности 180 Вт КПД уменьшается на 2–3%, а после 200 Вт скорость уменьшения возрастает. Это указывает на предел возможностей примененной в модулях схемотехники и ЭКБ. Так что решено было остановиться на максимальной выходной мощности 200 Вт.

Рис. 6. Зависимости КПД от входного напряжения и нагрузки для модуля МДМ200-П

Сравнивая параметры МП серий МДМ и МДМ-П, приведенные в [1], с параметрами модулей новой линейки, можно сделать вывод, что последние имеют аналогичные статические, динамические и энергетические характеристики, но при этом практически вдвое меньший объем и вес по сравнению с МП серии МДМ.

Исследуем подробнее работу мощных модулей при параллельном соединении на выходе, применяемом как с целью увеличения выходной мощности, так и для резервирования с целью повышения надежности всей системы электропитания. Схемы подключения модулей для обоих вариантов работы подробно рассмотрены в [2]. Схема подключения модулей для увеличения выходной мощности приведена на рис. 7.

Рис. 7. Схема подключения модулей при параллельной работе для увеличения выходной мощности

Строго говоря, модули с ограничением выходного тока можно включать на выходе параллельно и без всяких дополнительных мер. Из строя они не выйдут. Однако работать они будут следующим образом. Сначала всю нагрузку на себя возьмет модуль, выходное напряжение которого больше, чем у остальных. Остальные будут работать как бы в «горячем резерве», без выходного тока, на холостом ходу. При увеличении выходного тока работающий МП переходит в режим перегрузки по току, его выходное напряжение уменьшается. Когда оно по величине достигнет следующего значения из всей совокупности включенных модулей, начнет работать следующий модуль и т. д. При уменьшении тока нагрузки процесс пойдет в обратном порядке. Таким образом, первый модуль будет отдавать ток всегда, а последний будет включаться в работу иногда, а может быть, и никогда. То же и с нагревом модулей, и с расходованием ресурса ЭКБ. Чтобы этого не происходило в модулях, предназначенных для параллельного включения на выходе, предусматривают узлы, выравнивающие выходные токи.

Узел выравнивания выходных токов при параллельной работе модулей собран по бестрансформаторной схеме. Точность выравнивания токов зависит напрямую от точности резисторов — датчиков тока, которая для низкоомных резисторов (10 мОм) составляет 5%. На рис. 8 показана зависимость токов двух модулей МДМ120-П с выходным напряжением 27 В при изменении тока нагрузки от 10 до 100% от суммарного тока нагрузки I_НОМS = I_НОМ1+I_НОМ2. Как показывает график при нагрузке I_S = 0,1×I_НОМS, выходные токи модулей отличаются в три раза (75 и 25%). Однако суммарная нагрузка мала (1 А), и это не приводит к перегреву модуля ВИП1. С увеличением тока нагрузки эта разница быстро уменьшается, и при токе нагрузки I_S = 0,5×I_НОМS уже составляет около 12%, продолжая уменьшаться до 5% при I_S = I_НОМS, что считается хорошим результатом. При нагрузке от 50% и выше выходные токи практически выравниваются, модули имеют один и тот же перегрев и равномерно расходуют свой ресурс.

Рис. 8. Параллельная работа модулей МДМ120-П в режиме выравнивания токов

На основе анализа пожеланий потребителей продолжается исследование возможностей новых модулей. Так, например:

• Опробована схема запуска модулей, позволяющая во время включения модуля увеличивать его максимальный выходной ток в два-три раза в течение 5–50 мс. Такой режим возникает, например, при запуске от модуля питания электродвигателя, зарядке большой емкости или включении нагрузки типа нити накаливания.
• С положительным результатом проведено испытание по работе модулей при температуре окружающей среды Т_ОКР = –67 °С.
• С целью повышения КПД при работе модулей с выходными напряжениями 3–5 В в виде эксперимента диодный выпрямитель был заменен на синхронный выпрямитель на транзисторе 2П7256А9. Испытания проводились на модуле МДМ10-П с выходными напряжениями 3,3 и 5 В. Зависимости КПД от нагрузки при входном напряжении 27 В показаны на рис. 9.

Рис. 9. Зависимости КПД от входного напряжения и нагрузки для модуля МДМ10-1П с выходными напряжениями 3,3 и 5 В с диодным
и синхронным выпрямителями

Как показывают графики, при номинальной нагрузке потери в модуле с выходным напряжением 5 В, а значит, и его перегрев уменьшаются с 20 до 14%, т. е. на 30%. При выходном напряжении 3,3 В потери уменьшаются с 24 до 16%, т. е. на 33%. При нагрузках менее 25% от номинальной выходной мощности (т. е. при работе дросселя модуля в режиме разрывных токов) КПД модуля с синхронным выпрямителем становится меньше и падает быстрей, чем КПД модуля с диодным выпрямителем. Это объясняется протеканием разрядных токов выходного фильтра через открытый транзистор выпрямителя, в то время как диод в аналогичном режиме автоматически закрывается. Однако эта особенность работы не уменьшает интереса к схеме.

* * *
Анализ энергетических, статических и динамических электрических характеристик, допустимых климатических и механических воздействий новой линейки модулей показывает, что разработан полный аналог модулей серии МДМ-П, но на отечественной ЭКБ с приемкой «5». Тот факт, что цоколевка модулей выполнена по принципу pin-to-pin относительно прототипа и сохранено их обозначение (разница только в обозначении ТУ), существенно облегчит жизнь разработчику РЭА при замене модулей, изготовленных на импортной ЭКБ, на новые. Аппаратуру перепроектировать не потребуется, корректируется только КД.