Рубрики
Технологии силовой электроники

Решения Vicor для построения AC-DC источников питания для жестких критерий эксплуатации

Решения Vicor для построения AC-DC источников питания для жестких критерий эксплуатации Владимир Белотуров В статье рассмотрены главные типы модулей питания и законченные решения,

Решения Vicor для построения AC-DC источников питания для жестких критерий эксплуатации Владимир Белотуров

В статье рассмотрены главные типы модулей питания и законченные решения, которые предлагает компания Vicor для конструирования AC-DC источников питания средней мощности. Повышенное внимание уделено источникам питания для жестких критерий эксплуатации.

Введение

Если при выборе AC-DC источников питания класса Commercial для разработчика основными задачками являются поиски фирмы-производителя и сопоставление цен на источники питания, то подобрать источники питания выполнения Industrial либо Military с рабочей температурой -40 °С либо -55 °С для жестких критерий эксплуатации довольно трудно. Основное количество AC-DC источников питания мощностью более 100 Вт, которые выпускаются азиатскими, европейскими и южноамериканскими компаниями, делается в открытом выполнении и, обычно, рассчитано на температуру эксплуатации выше -10 °С. Это связано с тем, что для низких рабочих температур нужно использовать более сложные технологические решения. Не считая того, для источников питания отрицательного температурного спектра действуют другие эталоны по электробезопасности. И, в конце концов, источники питания для жестких критерий не являются массовой продукцией, потому их разработка и создание для большинства фирм экономически нерентабельны.

Компания Vicor обычно практикуется на разработке и поставке компонент для построения высоконадежных источников питания. Следуя идеологии конструирования источников питания из отдельных функционально законченных узлов (модулей), компания Vicor предлагает решения для всех температурных диапазонов, включая Military, с мощностью от 10-ов ватт до нескольких кв. Модули питания выполняются серийно, потому их стоимость довольно презентабельна для изделий такового класса. По совокупы характеристик «плотность мощности», «надежность», «температурный диапазон» решения Vicor не имеют аналогов на рынке источников питания.

Обзор продукции

Большая часть источников питания состоит из 1-го либо нескольких узлов, которые делают определенные функции. К ним можно отнести: • Выпрямители сетевого переменного напряжения.

В таком качестве может выступать диодный выпрямитель либо более сложное устройство — выпрямитель + корректор коэффициента мощности (ККМ).

  • Фильтры для обеспечения норм ЭМС (электрической сопоставимости), подавляющие помехи, которые безизбежно появляются при работе DC-DC преобразователей напряжения и оказывают влияние на обычное функционирование расположенных вблизи устройств и устройств.
  • Элементы защиты от сетевых импульсов перенапряжений и коммутационных помех.
  • DC-DC преобразователи напряжения, являющиеся главными элементами источников питания и выполняющие три главные функции: преобразование уровня входного напряжения, гальваническую развязку (вход — выход) и стабилизацию выходного напряжения.

Для внедрения в AC-DC источников питания компания Vicor выпускает серии DC-DC конвертеров VI-6xxx/VI-7xxx первого поколения с номинальными входными напряжениями 300 и 150/300 (100-375) В неизменного тока соответственно, также V300/V375 второго поколения с номинальными входными напряжениями 300 и 375 В неизменного тока. Выходные напряжения можно выбирать от 1 до 95 В, мощность конвертеров — от 25 до 600 Вт на один корпус. DC-DC конвертеры Vicor владеют рядом существенных преимуществ по сопоставлению с продукцией других производителей. Главными из их являются частотно-импульсный способ преобразования мощности и переключение силовых частей при нулевом значении тока (ZCS — Zero Current Switch) либо при нулевом значении напряжения (ZVS — Zero Voltage Switch). Такое техническое решение позволяет поднять частоту переключения до 1,5 МГц, уменьшить массо-габаритные свойства модулей питания, понизить уровень шумов и помех по сопоставлению с ШИМ-преобразователями.

Фактически все модули питания выпускаются компанией Vicor в 3-х исполнениях зависимо от критерий эксплуатации: С — Commercial (температура использования от -25 до +100 °С); I, H — Industrial (от-40 до +100 °С); M — Military (от -55 до +100 °С). Размеры модулей питания: 117х56х 12,7 мм — «кирпич»; 58х56х 12,7 мм- «полкирпича»; 56х37х 12,7 мм- «четверть кирпича» (с вероятными опциями для выводов и крепежных отверстий). Составляющие модулей питания залиты особым силиконовым компаундом, который делает сходу несколько функций: защиту от наружной среды, жесткое механическое крепление частей, отвод тепла. Конкретно сложность подбора компаунда, удовлетворяющего всем предъявляемым требованиям, также разработка его заливки в значимой мере определяют различие в цены модулей питания различного выполнения. Модули питания Vicor можно монтировать на интегральную схему либо на основание — радиатор, с которого осуществляется отвод лишнего тепла.

Входные модули питания

Ниже рассматриваются модули питания, осуществляющие выпрямление и фильтрацию сетевого переменного напряжения.

ARM (Auto ranging Rectifier Module) содержит микроконтроллер, который повсевременно выслеживает уровень напряжения на входе и в согласовании с ним переключает выпрямительные диоды со схемы удвоителя напряжения при напряжении сети ~ 90-132 В на схему мостового выпрямителя при напряжении сети ~180-264 В. Многофункциональная схема модуля питания ARM приведена на рис. 1. Конденсаторы фильтра С1, С2 (рис. 2) соединены поочередно и размещены меж выводами +Uвых и -Uвых со средней точкой, присоединенной к выводу St(strap). Такое техническое решение позволяет использовать конденсаторы с наименьшим рабочим напряжением (200 В) и благодаря этому уменьшить высоту сборки модуля питания. Емкость конденсаторов выбирается исходя из требуемой мощности преобразователя, допустимого уровня пульсаций выходного напряжения и времени поддержки выходного напряжения (hold-up time), обычно составляющего 5-20 мс. Таким макаром, для сетей ~115 В и ~220 В на выходе модуля питания формируется напряжение неизменного тока 200-400 В, которое находится в рабочем спектре DC-DC конвертеров серий VI-26x, VI-27x, V300, V375.

Решения Vicor для построения AC-DC источников питания для жестких критерий эксплуатации
Рис. 1. Многофункциональная схема ARM

На выводе En (Enable) модуля питания формируется сигнал запрета включения конвертеров до момента времени, когда нарастающее напряжение на конденсаторах превзойдет уровень срабатывания защиты DC-DC конвертера по низкому входному напряжению.

Ограничитель пускового тока (ограничитель тока заряда конденсаторов) представляет собой коммутируемый терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления, который подключается поочередно с конденсатором и шунтируется при достижении напряжения на выходе 235 В. Этот резистор также подключается (ключ находится в разомкнутом состоянии) в случае падения напряжения на выходе до 180 В при перегрузке либо неисправности в системе.

С вывода BOK (Bus OK) снимается информация о состоянии модуля питания (вкл./выкл.).

Размеры модулей питания составляют «четверть кирпича».

Модуль питания FARM (Filter Auto Ranging Module) является дополнением к модулю питания ARM и содержит фильтр электрических помех для ублажения требованиям эталона EN55022A по электрической сопоставимости. В состав этого фильтра входят индуктивный фильтр синфазных помех, два Y-кон-денсатора (Line — Ground) и два X-конден-сатора (Line — Line) (рис. 3).

Решения Vicor для построения AC-DC источников питания для жестких критерий эксплуатации
Рис. 3. Входной фильтр FARM

Элементы ARM и FARM электрически изолированы от основания при помощи трансформатора, вход и выход гальванически связаны. Это событие нужно учесть для обеспечения безопасности и при подключении измерительных устройств.

Модули питания AIM (Alternative Input Module) делают те же функции, что и FARM, но созданы для внедрения вместе с DC-DC конвертерами Vicor первого поколения с мощностью до 250 Вт.

Модули питания группы ККМ имеют у компании Vicor обозначение HAM (Harmonic Attenuator Module), что можно перевести как «подавитель гармоник» тока. Такое истолкование термина ККМ связано с тем, что в соответственных нормативных документах для импульсных источников питания нормируется не разность фаз меж напряжением и током, а допускаемые наличие и величина гармонических составляющих тока.

Необходимость внедрения ККМ для источников питания с мощностью выше 200 Вт определяется надлежащими нормативами по электрической сопоставимости электрических устройств. В обыденных сетевых преобразователях со сглаживающим конденсатором ток из сети потребляется маленькими импульсами. Продолжительность этих импульсов меньше продолжительности сетевого полупериода, потому в диапазоне возникают гармоники, кратные основной частоте. При всем этом вклад в передачу мощности заносит только основная гармоника, а другие составляющие циркулируют в контуре, не совершая полезной работы. Конкретно амплитуда этих паразитных гармоник и регламентируется надлежащими нормативами. Наличие гармонических составляющих является предпосылкой значимых ошибок при измерении мощности, потребляемой из сети, при помощи обыденных измерительных устройств. Модули питания группы ККМ обеспечивают форму тока, близкую к форме синусоиды напряжения питающей сети.

Модуль питания HAM состоит из мостового выпрямителя, повышающего импульсного стабилизатора, работающего в режиме переключения силового элемента при нуле тока (топология ZCS), схемы управления, активного ограничителя пускового тока и схемы защиты от недлинного замыкания. Две последние функции обычно не встречаются в ККМ других производителей. На выходе HAM формируется неизменное напряжение, величина которого составляет 260 В при Uвх 85-150 В переменного тока. При значении Uвх 150-264 В переменного тока уровень выходного напряжения выше выпрямленного входного на 46 В, что довольно для обеспечения КМ 0,95. Специально для использования вместе с модулями питания HAM компания Vicor поставляет DC-DC конверторы серии V375 с входным напряжением от 250 до 425 В. На вход модулей питания HAM можно подавать и неизменное напряжение в спектре 85-380 В. Наибольшая выходная мощность HAM составляет 675 Вт, потому при использовании композиции «HAM + V375 (600 Вт) + входной сетевой фильтр» можно получить мощнейший компактный AC-DC источник питания, состоящий из 2-ух модулей питания и удовлетворяющий всем нормам по электрической сопоставимости.

Для наращивания мощности модули питания HAM можно включать параллельно. В HAM (как и в DC-DC конвертерах Vicor) употребляется частотно-импульсный способ (ЧИМ) управления главным элементом с переключением при нуле тока, другими словами передаваемая мощность определяется количеством схожих по продолжительности и амплитуде импульсов электронной энергии за единицу времени. При параллельном соединении модулей питания какой-то из них берет на себя роль ведущего, другие становятся ведомыми и подстраивают свою частоту преобразования. Таковой способ синхронизации обеспечивает равномерное (с погрешностью наименее 5%) рассредотачивание мощности по модулям питания. Коэффициент мощности, определяемый как отношение активной мощности к полной мощности, составляет 0,95, рабочие температурные спектры — C, I, M. Типоразмер модулей питания HAM — «кирпич».

Еще одним решением выпрямительного блока является система из 2-ух модулей питания FARM и пассивного аттенюатора гармоник тока — MiniHam. Как было сказано выше, нормами и эталонами регламентируется наличие и величина этих гармоник. Модуль питания MiniHam содержит только пассивные индуктивные элементы в цепи неизменного тока, потому, в противоположность активным корректорам мощности, не генерирует паразитные электрические колебания, что значительно упрощает и уменьшает систему фильтров. Этот модуль питания меньше по размерам («полкирпича») и существенно более надежен за счет отсутствия активных компонент. Мощность «тандема» FARM + MiniHam составляет до 575 Вт при значении Uвх 230 В. По угнетению гармонических составляющих тока модуль питания удовлетворяет эталону EN61000-3-2. Свойства модулей выпрямителей приведены в таблице 1.

Модули питания IAM (Input Attenuator Modules), FIAM (Filter Input Attenuator Modules), M-FIAM на рабочие напряжения 24, 48, 300 В неизменного тока производят фильтрацию шумов и помех, возникающих при работе DC-DC конвертеров. Также входные фильтры защищают DC конвертеры от выбросов и импульсов перенапряжений, присутствующих в питающей сети. Более тщательно предназначение, принципы функционирования и номенклатура входных фильтров рассмотрены ранее [1].

Таким макаром, разработка AC-DC источников питания сводится к подбору соответственных модулей питания, удовлетворяющих тем либо другим требованиям технического задания.

Сконфигурированные источники питания

Компания Vicor серийно производит несколько семейств AC-DC источников питания, в каких употребляется та либо другая конфигурация перечисленных выше модулей питания. Главные характеристики сконфигурированных источников питания представлены в таблице 2.

Конфигурация источников питания и разные доступные функции (температурный спектр использования, защита по току и напряжению, пониженные пульсации Uвых., подстройка Uвых.) определяются заказчиком.

Компания Mission Power Solutions (США), работающая в кооперации с Vicor и использующая модули питания Vicor в собственных изделиях, серийно производит AC-DC источники питания серий Badjer и Javelin. Эти источники разработаны специально для внедрения в жестких критериях эксплуатации, также в устройствах, к которым предъявляются завышенные требования по стойкости к воздействию неблагоприятных причин среды — к примеру, в военной технике: на кораблях, самолетах, автомобилях, ракетных установках либо в индустрии — на плавучих нефтедобывающих платформах. Главные свойства источников приведены в таблице 3, внешний облик показан на рис. 4.

Решения Vicor для построения AC-DC источников питания для жестких критерий эксплуатации
Рис. 4. Источники питания: a) Javelin; б) Badger

Способности устройств Mission Power Solutions:

  • корректировка коэффициента мощности;
  • рабочая температура: от -55 до +45 °С (полная мощность), от -55 до +60 °С (1/2 полной мощности);
  • функция дистанционного включения и выключения; возможность поочередного включения и выключения каналов;
  • защита от воздействия среды удовлетворяет эталонам MIL-STD-461E, 704E, 810E;
  • защита для каждого канала: от перенапряжения по Uвх., превышению выходного тока, перегреву;
  • особое гидростойкое покрытие (функция).