Гибридные DC/DC-преобразователи компании Modular Devices

Введение

В настоящее время на рынке присутствует не так много крупных производителей компонентов для систем бортового электропитания для космических аппаратов. Одним из них является компания Modular Devices Inc. (MDI). Высоконадежные компоненты MDI используются в авиационно-космической отрасли, в военной промышленности и оборудовании для нефтедобычи. MDI предлагает также готовые элементы и системы электропитания: модули электропитания, системы из собственных компонентов, системы электропитания для приборов атомной промышленности, DC/DC-преобразователи до 500 Вт, драйверы управления двигателями и сборки до 10 кВт. В производственную линейку компании входят следующие продукты:

• изолированные гибридные DC/DC-преобразователи для подключения к шине;
• гибридные PoL-регуляторы:
  • изолированные,
  • неизолированные;
• EMI-фильтры;
• мастер-шины, сочетающие функции твердотельного реле и задатчика последовательности коммутации напряжения;
• ограничители пускового тока;
• твердотельные реле;
• активные диоды для схемы ORing.

Основные параметры гибридных DC/DC-­преобразователей

В данной статье основное внимание уделим гибридным DC/DC-преобразователям, которые представляют собой функционально и конструктивно законченное решение. Особенность этих устройств заключается в интегрировании в единый корпус собственно DC/DC-преобразователя, а также входного EMI-фильтра и выходного сглаживающего фильтра. Оба фильтра содержат элементы, подавляющие синфазные и дифференциальные помехи. Автору неизвестны аналогичные решения других компаний. Внешний вид преобразователей показан на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид ГП

Структурная схема гибридного DC/DC-преобразователя приведена на рис. 2. Учитывая применение преобразователей в космической технике, в обратной связи по напряжению в преобразователе не используется оптронная развязка. Также для увеличения радиационной стойкости предусмотрены в основном биполярные полупроводниковые компоненты, за исключением силовых MOSFET. Во всех гибридных преобразователях (ГП) присутствует обратно­ходовая топология.

Рис. 2. Структурная схема ГП

Интеграция фильтров и преобразователя в единый корпус решает многие проблемы электромагнитной совместимости и упрощает проектирование. Разработчику не надо думать о топологии платы и о соблюдении симметричности входных линий, чтобы уменьшить синфазную составляющую помехи.

Если вспомнить множество статей, в которых рассматриваются подобные вопросы, становится понятно, насколько меньше будет проблем при использовании гибридных преобразователей. Надо отметить, что металлический корпус преобразователя также служит хорошим экраном и заметно уменьшает излучение электромагнитных помех в окружающую среду. Наличие встроенных EMI-фильтров позволяет удовлетворить жесткие требования стандарта электромагнитной совместимости MIL­STD‑461. Стандартный ГП характеризуется следующими параметрами:

• диапазон мощности: 2,5–500 Вт;
• плотность мощности: до 40 Вт/дюйм³;
• рабочая частота: 200–400 кГц;
• электрическая прочность изоляции: 500 В;
• число выходов: 1–3.

ГП имеют все виды защиты: по максимальному току для каждого выхода, от перенапряжений, ограничение мощности. Также предусмотрен мягкий старт, дистанционное включение и отключение, внешняя синхронизация частоты коммутации. Для повышения мощности используются сборки из ГП. Возможно изготовление ГП по техническим требованиям заказчика, в этом случае мощность ГП может быть увеличена до 500 Вт. Номинальные входные напряжения варьируются в пределах 5–270 В DC, динамический диапазон входных напряжений меняется от 1:5 (8–40 В) для низких напряжений до 1:1,675 (200–335 В) для моделей с номинальным входным напряжением 270 В.

В зависимости от времени наработки на отказ MTBF преобразователи делятся на девять групп (A–I). ГП с минимальным MTBF, составляющим 273325,1 ч, производятся для авиационной техники. Для космических приложений выпускаются ГП с максимальным MTBF, равным 2 584 162,2 ч, а их радиационная стойкость составляет 45 или 100 крад. ГП изготавливаются с разными диапазонами рабочих температур:

• в диапазоне –55…+85 °C допустима максимальная мощность с последующим линейным уменьшением мощности вплоть до температуры +115 °C;
• в диапазоне –55…+125 °C допустима максимальная мощность с последующим линейным уменьшением мощности вплоть до температуры +135 °C.

Особенности применения гибридных DC/DC-преобразователей

Прежде всего отметим, что из-за разнообразия производимых модификаций ГП невозможно в рамках одной статьи описать особенности всех их применений. Так, для авиационных приложений действует стандарт MIL­STD‑704, согласно которому преобразователи с номинальным входным напряжением 28 В DC должны выдерживать перенапряжение 80 В в течение 50 мс. Для наземного транспорта предусмотрен стандарт MIL­STD‑1275, в нем требования жестче — перенапряжения до 100 В в течение 100 мс. Поэтому следует быть очень внимательным при выборе конкретного ГП и руководствоваться фирменной документацией.

Аналогичные вариации отмечаются и по другим параметрам. Поэтому в данном разделе описаны общие особенности, характерные для всех ГП. Силовые входы ГП, в отличие от управляющих входов, не имеют защиты от обратной полярности, и в случае ошибочного подключения ток будут проводить внутренние диоды силовых MOSFET, в зависимости от мощности преобразователя их максимально допустимый ток варьируется в пределах 1–10 А.

Учитывая, что ГП имеет входы дистанционного включения/отключения, а также вход блокировки, нужно помнить еще об одной неприятности, способной произойти с любыми преобразователями, имеющими аналогичные входы управления. Если в сети перед силовыми входами преобразователя установлен выпрямитель — хотя бы блокирующий диод, для того чтобы избежать ошибки при подключении обратной полярности, — то необходимо принять меры для защиты входов преобразователя от перенапряжений.

Суть проблемы состоит в том, что при дистанционном выключении преобразователя входная сеть остается подключенной к входу ГП. При этом напряжение на входных конденсаторах фильтра и преобразователя способно увеличиться и превысить значение, максимально допустимое для этих конденсаторов. Превышение напряжения может произойти за счет «грязной» входной сети, особенно если к выпрямителю подсоединена сеть переменного тока.

Многочисленные «иголочки» и всплески напряжения, возникающие в такой сети при коммутации различного оборудования, будут заряжать конденсаторы, находящиеся на выходе выпрямителя, то есть входные конденсаторы фильтра и преобразователя. Если же выпрямитель в силовой цепи не установлен, то все всплески напряжения блокируются встроенной в ГП защитой. Требования к защите от перенапряжений различаются в разных спецификациях стандарта MIL.

При быстро меняющейся нагрузке, характерной для цифровых схем, могут возникнуть проблемы с устойчивостью преобразователя. Поэтому ГП проходят испытания на устойчивость схемы управления по методам CS01 и CS02 стандарта MIL­STD‑461C и CS101 стандарта MIL­STD‑461D. Суть метода заключается в «подмешивании» к входному сигналу переменной составляющей, частота и амплитуда которой зависит от применяемого метода испытаний.

Например, при CS01, используемом для проверки ГП с номинальным входным напряжением 28 В, величина переменной составляющей равна 2,8 В (скв) в диапазоне 1,5–50 кГц, причем амплитуда линейно уменьшается с возрастанием частоты. Для преобразователей с номинальным входным напряжением 120 В переменная составляющая достигает уже 5 В (скв), а для 270-В ГП переменная составляющая будет уже 10 В (скв). Тестирование проводится при полной нагрузке. Более подробно ознакомиться с условиями тестирования ГП с другими диапазонами входных напряжений можно в [1] в технической документации изготовителя на его сайте.

Приложенная к входу переменная составляющая напряжения вызывает пульсацию выходного напряжения. ГП не проходит испытания, если пульсация выходного напряжения превышает величину максимального напряжения пульсации, указанного в спецификации. Но, учитывая, что в петле управления ГП имеется внутренней токовой контур обратной связи с коэффициентом усиления свыше 50 дБ и входной фильтр, ослабляющий вносимую пульсацию, все ГП уверенно проходят данный тест.

Попутно заметим, что высокий коэффициент усиления стал возможен в том числе из­за интеграции выходного фильтра в один корпус с преобразователем, проводники обратной связи имеют минимальную длину. Резонансное увеличение импеданса фильтра составляет 10–15 дБ и происходит в интервале частот 5–10 кГц.

При выборе защиты для цепи, в которой установлен ГП, надо иметь в виду, что при пуске входной ток преобразователя будет иметь два пика. Первый из них обусловлен зарядом емкости фильтра и входной емкости преобразователя, длительность этого импульса тока составляет микросекунды. Затем, если не используется мягкий пуск, следует второй пик тока, вызванный зарядом емкости нагрузки. Примерный переходный процесс при пуске ГП показан на рис. 3. В зависимости от типа ГП входная емкость варьируется в пределах 0,66–24 мкФ.

Рис. 3. Пусковой ток ГП

Скорость нарастания и, следовательно, амплитуда пусковых токов уменьшаются за счет дросселей фильтров, но при малой постоянной времени цепи пусковой ток может достичь значительной величины, в этом случае дроссели фильтров войдут в насыщение и их эффективность уменьшится. Вот почему при анализе пусковых токов надо в первом, грубом приближении исходить из соотношения:

I_S = C(dU/dt),

где I_S — пусковой ток; С — входная емкость; U — входное напряжение.

Из этого соотношения следует, что наибольшее внимание необходимо уделить ГП с входными напряжениями 120 и 270 В.

Одним из важных показателей любого источника питания или преобразователя является КПД. Поэтому рассказ о ГП будет неполным, если мы не упомянем об этом параметре. В качестве примера на рис. 4 показана зависимость КПД в функции выходного тока для ГП типа 5193RE­S05XF. Номинальная мощность преобразователя составляет 40 Вт, а входное напряжение — 28 В. Как видно из рисунка, максимальная величина КПД примерно достигает 75%.

Рис. 4. Зависимость КПД в функции выходного тока для ГП

Это весьма неплохой показатель, учитывая, что речь идет не об отдельном преобразователе, а о законченном решении, состоящем из изолированного преобразователя с интегрированными фильтрами, то есть при подсчете КПД учтены потери во входном и выходном фильтрах. Примерно такой же вид имеют зависимости КПД от тока и для других типов ГП. К сожалению, мы не можем сравнить КПД ГП с преобразователями других компаний из-за отсутствия аналогов.

Использование двухканальных ГП разной полярности очень удобно, но надо иметь в виду, что в ГП стабилизируется напряжение между шинами питания. Поэтому при разбалансировке нагрузки по выходным каналам происходит перекос выходного напряжения относительно «земли». Сказанное иллюстрируется в таблице, где приведены выходные напряжения ГП при разной нагрузке. Как видно из таблицы, изменение выходного напряжения может быть весьма существенным. Если подобное изменение недопустимо, следует использовать два одноканальных ГП. Заодно отметим высокую нагрузочную способность при емкостной нагрузке. В зависимости от мощности ГП выходная емкость нагрузки может составлять 100–1000 мФ.

В выходном напряжении любого DC/DC-преобразователя помимо пульсаций напряжения с частотой коммутации всегда присутствуют шумы более высокой частоты. ГП не является исключением, в спектре его выходного напряжения шумы простираются до 50 МГц, а в иных случаях и до 500 Гц. Причем на частотах свыше 2 МГц синфазные шумы превалируют над дифференциальными. На осциллограмме синфазные шумы проявляются в виде узких всплесков напряжения. Для подавления синфазного шума в выходном фильтре используется синфазный дроссель и конденсатор, соединенный с корпусом ГП. Оба компонента расположены в непосредственной близости к источнику шума (рис. 1). Аналогичная схема используется и во входном EMI-фильтре. Все ГП укладываются в жесткие требования стандарта электромагнитной совместимости MIL­STD‑461. Тем не менее в некоторых приложениях, где необходим крайне низкий уровень шума, можно установить дополнительный внешний керамический конденсатор.

Если нагрузка достаточно удалена от ГП, то для компенсации падения напряжения на проводниках питания можно применить удаленное измерение напряжения. Для этого в некоторых модификациях ГП предусмотрены входы RS, куда подается напряжение обратной связи от удаленной нагрузки. Также за счет внешних резисторов можно в небольших пределах регулировать выходное напряжение.

Заключение

Рассмотренные в статье преобразователи являются готовыми решениями, отвечающими всем требованиям стандарта MIL-STD, в том числе регламентам по электромагнитной совместимости и механическим и климатическим воздействиям. ГП позволяют построить распределенную систему питания, начиная от сети переменного тока (270‑В ГП с выпрямителем) и заканчивая PoL-преобразователями. Использование ГП позволяет значительно сократить время проектирования системы питания.