Рубрики
Технологии силовой электроники

Новые изделия компании Interpoint: DC-DC преобразователи напряжения для особых применений

Новые изделия компании Interpoint: DC-DC преобразователи напряжения для особых применений Виктор Жданкин Новые модели DC-DC преобразователей напряжения американской компании Interpoint

Новые изделия компании Interpoint: DC-DC преобразователи напряжения для особых применений Виктор Жданкин

Новые модели DC-DC преобразователей напряжения американской компании Interpoint (www.interpoint.com) созданы для внедрения в системах авиационно-космического и галлактического предназначения. В статье приводятся их главные технические свойства, перечислены эталоны, требованиям которых соответствуют эти изделия.

В ближайшее время за рубежом и в нашей стране наблюдается развитие модульного направления источников питания для разных образцов радиоэлектронной аппаратуры [1]. Обширное внедрение в практику модульных принципов построения радиоэлектронных средств военного и специального предназначения является основой сотворения современной номенклатуры источников питания, потому что унификация позволяет стремительно создавать специальную аппаратуру и сокращать сроки сдачи систем электропитания.

В текущее время более нужными радиоэлектронной аппаратурой (РЭА), размещаемой на объектах наземной (стационарной и подвижной), морской, авиационной и галлактической техники, являются электрические модули питания с выходной мощностью 1,5-120 Вт, частотой преобразования более 200 кГц (360-675 кГц) и КПД 80-88%. При всем этом современные тенденции развития систем электрического оборудования автономных объектов демонстрируют, что только неизменное напряжение 27 В непременно для всех типов самолетов, потому что оно обеспечивает электропитание особо принципиальных потребителей и аварийное [2].

На современном шаге создание новых военных и галлактических систем не обеспечено полностью русскими электрорадиоизделиями (ЭРИ) и модулями, хотя в этом направлении за последние три года и достигнуты определенные успехи. Это вынуждает разработчиков РЭА для обеспечения данных тактико-технических черт использовать ЭРИ и модули питания зарубежного производства. Внедрение элементной базы зарубежного производства в вооружении и военной технике в рамках установленных требований и процедур полностью допустимо (в Рф порядок внедрения ввезенной техники регламентирует приказ министра обороны № 41 от 23.01.2001 г. «О порядке внедрения ввезенной комплектации в изделиях военной техники»). Применение в военной и специальной аппаратуре хоть какой из продвинутых стран мира девайсов изделий зарубежного производства — не уникальность.

Нужно также отметить, что принципно нереально создавать конкурентоспособные на внутреннем и забугорном рынке модули питания высочайшего свойства в маленьких количествах. Только серийное, довольно большое создание способно улучшить высококачественную технологию.

Компания Interpoint (www.interpoint.com), которая в текущее время является подразделением компании CRANE Aerospace & Electronics, c 1969 года занимается разработкой и созданием высоконадежных изделий энергетической электроники для военных, авиационно-космических и галлактических применений [3], также микроэлектронных изделий мед предназначения (вживляемые дефибрилляторы, кардиостимуляторы, слуховые устройства, нервные катализаторы, также насосы для подачи инсулина и других фармацевтических средств, вспомогательные системы для левого желудочка сердца и др.).

Центр по снабжению Министерства обороны США в Колумбусе (Defense Supply Center, Columbus — DSCC; www.dscc.dla.mil) сертифицировал производственные мощности компании Interpoint как отвечающие требованиям спецификаций MIL-PRF-38534 «Performance Specification, Hybrid Microcircuits, General Specification For» Class K для производства DC-DC преобразователи напряжения и помехоподавляющих фильтров для применений в бортовой аппаратуре галлактических аппаратов.

Нужно увидеть, что Class K является наивысшим уровнем надежности, который принят DSCC, и представляет собой более высшую ступень по отношению к уровню Class H (стандартный уровень свойства для аппаратуры военного предназначения). Требования к устройствам Class K содержат в себе проверки конструктивного решения и производственного процесса, отбора компонент, обучение персонала и проведение серии испытаний изделий для внедрения в бортовых устройствах галлактических аппаратов (КА). Кроме сертификации, соответственной Class K, Interpoint гордится внесением компании в перечень желательных поставщиков NASA/Goddard PPL-21 (Preferred Parts List).

Другими свидетельствами признания компании и свойства ее изделий являются внесение Interpoint в квалификационный список производителей (Qualified Manufacturers List — QML) по MIL-PRF-38534 и сертификация по ISO 9001. Список эталонов, требованиям которых отвечает создание Interpoint, приведен в таблице 1.

Новые изделия компании Interpoint: DC-DC преобразователи напряжения для особых применений
Таблица 1. Квалификация производства компании Interpoint

В данной статье представлены многообещающие модули питания для военных применений и радиационно-стойкие модули питания для галлактических применений компании Interpoint, поставки которых начнутся в 2005-2006 годах. Современная номенклатура радиационно-стойких изделий энергетической электроники компании Interpoint, способы увеличения эксплуатационной надежности этих изделий, в том числе и обеспечение стойкости к воздействию ионизирующих излучений, представлены в других работах создателя [4, 5].

Новые стандартные изделия DC-DC преобразователей напряжения для военных применений

DC-DC преобразователи напряжения серии MPE

DC-DC преобразователи напряжения серии MPE по габаритным размерам (37,08×28,7×8,38 мм для выполнения без фланцев, 50,93×28,7×8,38 мм для выполнения с монтажными фланцами) и расположению выводов стопроцентно схожи изделиям пользующейся популярностью серии MHF+ (рис. 1). Для моделей с низковольтными выходными напряжениями и большенными значениями тока нагрузки выводы корпуса имеют поперечник 1 мм. Заместо оптоэлектронной электронной изоляции (развязки) в цепи оборотной связи применяется трансформатор. Преобразователи напряжения характеризуются большей выходной мощностью и КПД (до 88%) по сопоставлению с существующими моделями серии MHF+ и изделиями соперников. При всем этом зависимость КПД от нагрузки (выходной мощности и входного напряжения) является очень плоской, другими словами модули питания способны работать с наибольшим КПД, рассеивать допустимую мощность, и их надежность близка к наибольшему значению во всем спектре мощностей. Зависимость КПД от выходной мощности показана на рис. 2. Беря во внимание тенденцию по понижению напряжения питания, разработаны модели с выходными напряжениями 1,8 В (c возможностью снижения до 1 В). Режим мягенького восстановления напряжения позволяет исключить выход за установленные пределы при нередком переходе в дежурный режим, перерыве в подаче питания либо при перегрузке. Преобразователи напряжения характеризуются низким уровнем пульсации выходного напряжения: типовое значение составляет 0,5% от номинального напряжения (при измерении осциллографом с полосой до 20 МГц). В модулях питания серии MPE применена однотактная прямоходовая структура преобразователя напряжения с резонансным переключением. Это решение наращивает эффективность использования силового трансформатора.

Новые изделия компании Interpoint: DC-DC преобразователи напряжения для особых применений
Рис. 1. Внешний облик DC-DC преобразователей напряжения серии MPE283R3S (выполнение без крепежных фланцев)
Новые изделия компании Interpoint: DC-DC преобразователи напряжения для особых применений
Рис. 2. Зависимость КПД от выходной мощности для одноканальных моделей DC-DC преобразователей напряжения серии МРЕ с номинальными выходными напряжениями 1,8 и 2,5 В

Список моделей DC-DC преобразователей напряжения серии MPE представлен в таблице 2. Технические свойства неких одноканальных и двухканальных DC-DC преобразователи напряжения серии MPE приведены в таблице 3 и таблице 4. Экспериментальные партии образцов этих преобразователей напряжения были представлены в марте 2004 года, квалификационные тесты завершены в июле 2004 года. Серийное изготовка планируется начать в 2006 году.

DC-DC преобразователи напряжения серии MWR

Преобразователи напряжения серии MWR c 3-мя выходными каналами питающих напряжений разработаны для подмены очень фаворитных в текущее время изделий серий MHV и MTR. Сначало эти преобразователи напряжения разрабатывались для BAE (программка разработки летательного аппарата F-35 Joint Strike Fighter — JSF).

Габаритные размеры (49,53Ч34,29Ч10,29 мм — выполнение без фланцев; 69,09Ч34,29Ч10,29 мм — выполнение корпуса с крепежными фланцами) схожи размерам корпуса фаворитных трехканальных преобразователей напряжения серии MHV. В новых преобразователях напряжения применена однотактная обратноходовая структура с 2-мя контурами сигнала оборотной связи и трансформаторной электронной изоляцией (развязкой) сигналов управления. Изделия характеризуются высочайшими значениями номинальной суммарной выходной мощности (до 35 Вт) и КПД (85%). Фазы 2-ух параллельных силовых контуров, работающих на одной частоте, смещены относительно друг дружку на 120 °C [6]. Методом сдвига 2-ух фаз достигается высочайший уровень угнетения пульсации выходного напряжения. Зависимость КПД от выходной мощности является очень плоской, другими словами модули питания работают с наибольшим КПД в широком спектре выходных мощностей (рис. 3).

Новые изделия компании Interpoint: DC-DC преобразователи напряжения для особых применений
Рис. 3. Зависимость КПД от нагрузки (выходной мощности) DC-DC преобразователя напряжения серии MWR

Режим «мягкого» восстановления напряжения позволяет исключить перерегулирование при нередком переходе в дежурный режим, перерыве в подаче питания либо при перегрузке. Преобразователи напряжения характеризуются низким уровнем пульсации выходного напряжения: типовое значение составляет 0,5% от номинального напряжения (при измерении осциллографом с полосой до 20 МГц).

Технические характеристики преобразователей напряжения серии MWR приведены в таблице 6. Внешний облик трехканальной модели MWR28515T (выполнение без крепежных фланцев) представлен на рис. 4.

Новые изделия компании Interpoint: DC-DC преобразователи напряжения для особых применений
Рис. 4. Внешний облик DC-DC преобразователя напряжения MWR28515T

Бывалые эталоны модели MWR28515T были представлены в декабре 2003 года. Экспериментальные эталоны сделаны в марте 2004 года. Серийное создание планируется начать в 2006 году.

В таблице 7 приведены модели DC-DC преобразователей напряжения серии MWR с 2-мя каналами выходных напряжений, планируемые к выпуску в наиблежайшей перспективе.

Новые изделия компании Interpoint: DC-DC преобразователи напряжения для особых применений
Таблица 7. Модели DC-DC преобразователей напряжения серии MWR с 2-мя выходными каналами питающих напряжений

Помехоподавляющий фильтр FMT-461

Для уменьшения помех, распространяющихся по цепям питания, устранения высокочастотных связей, угнетения широкополосных помех и защиты устройств, чувствительных к помехам, компания Interpoint предлагает для внедрения с сериями MPE и MWR новейшую модель помехоподавляющего фильтра FMT-461, главные характеристики которого приведены в таблице 8. Фильтр понижает кондук-тивные помехи, возникающие при работе DC-DC преобразователей напряжения; вносимое затухание на частоте 1 МГц равно 70 дБ. Дроссели фильтра выполнены из бескаркасных ферритовых сердечников, температура их перегрева не превосходит 20 °С, что определяет высочайшие характеристики и технические свойства изделий, такие, к примеру, как надежность, долговечность, устойчивость к воздействию наружных погодных и механических нагрузок. Конструкция помехоподавляющего фильтра FMT-461 приведена на рис. 5.

Новые изделия компании Interpoint: DC-DC преобразователи напряжения для особых применений
Рис. 5. Конструкция помехоподавляюшего фильтра FMT-461 (крышка снята)
Новые изделия компании Interpoint: DC-DC преобразователи напряжения для особых применений
Таблица 8. Технические свойства помехозащитного фильтра FMT-461 (при25°С)
Новые изделия для бортовой аппаратуры галлактических аппаратов

Самую важную роль в обеспечении долговременной и неотказной работы РЭА в галлактических критериях играет стойкость ее частей и материалов конструкции к воздействию причин галлактической среды.

Радиационная стойкость — одна из важных черт РЭА, созданной для внедрения в составе бортовой аппаратуры (БА) галлактических аппаратов. Радиационная стойкость аппаратуры определяет в главном срок ее активного существования.

Создание высокоэффективных надежных структур радиационностойких изделий энергетической электроники является сложной задачей, требующей разработки способов и средств для расчета, моделирования и оптимизации схемотехнических решений, сотворения и эксплуатации контрольно-измерительного и испытательного оборудования для действенной отбраковки потенциально дефектных электрорадиоизделий, разработки методик и специальной аппаратуры для исследования последствий воздействия ионизирующего излучения (пострадиационный эффект) и оценки радиационной стойкости изделий по результатам испытаний на радиационных моделирующих установках и т. д.

Эти задачки удачно решены компанией Interpoint, предлагающей радиационностойкие DC-DC преобразователи напряжения и помехоподавляющие фильтры для применений в бортовой аппаратуре КА при высочайшем уровне радиационного фона [4].

В текущее время компания Interpoint провела опытно-конструкторские работы, направленные на разработку новейшей серии радиационностойких модулей питания серии SMRT (рис. 6). Многоканальные модули питания специально разрабатываются для организаций, специализирующихся в разработке аппаратуры для галлактических систем: Orbital Sciences, Boeing, Honeywell Space Systems, JPL, NASA и др.

Новые изделия компании Interpoint: DC-DC преобразователи напряжения для особых применений
Рис. 6. Радиационностойкий DC-DC преобразователи напряжения серии SMRT

В итоге ОКР достигнуты последующие значения эксплуатационныхпоказателей:

  • Предельная поглощенная доза радиоактивного излучения — до 1 Mрад (Si).
  • Улучшенные тесты на воздействие ионизирующего излучения низкой интенсивности — до 0,01 рад/c (Si) в течение более 1000 часов на г-установках с изотопом 60Co, согласно процедуре Method 1019.6 Ionizing Radiation (Total Doze) Test Procedure эталона MIL-STD-883F.
  • Спецификация показателя радиационных эффектов от воздействия отдельных ядерных частиц (одиночные сбои Single Event Effects — SEEs; Single Event Upsets — SEUs и эффекты защелкивания изделий Single Event Lutchup — SEL). Достигнут показатель Linear Energy Transfers (LET — удельные линейные энергопотери ЛПЭ) 115 MэВ·см2/мг.
  • Возможность работы при чрезвычайно низких температурах (до -90 °C).
  • Наличие в серии изделий с одним, 2-мя, 3-мя и 4-мя изолированными каналами.
  • Преобразователи напряжения обустроены входными по-мехоподавляющими фильтрами кондук-тивных помех и ограничителями пускового тока.
  • Широкий спектр напряжений питающей сети: 19-56 В с допусками в согласовании с MIL-STD-975M. Нужно увидеть, что расширение предельного рабочего напряжения в сторону больших значений позволит использовать эти преобразователи напряжения с промежной шиной Space European Bus и принятой в Стране восходящего солнца шиной источника входной электроэнергии КА.
  • Выходные напряжения с низким уровнем пульсаций (приблизительно 10-ки мВ, максимум 120 мВ от пика до пика, измеряемых осциллографом с полосой до 20 МГц). Уровень пульсаций выходных напряжений соответствует требованиям эталона MIL-STD-461E, условие CE03.
  • Спектр выходных мощностей от 30 до 50 Вт (зависимо от конфигурации). В текущее время трехканальная модель характеризуется выходной мощностью 40 Вт.
  • Две группы изолированных выходных каналов питающих напряжений могут быть сконфигурированными последующим образом: только один канал; один канал и два симметричных (дополнительные «+» и «-») канала; два симметричных канала питающих напряжений.
  • Три уровня оценки по качеству: O, H, K.

Конструкторские решения преобразователей напряжения

Преобразователи напряжения серии SMRT сделаны с применением технологии удвоения фазы и сдвига фазы на 180° [6]. В контурах оборотной связи для изоляции сигналов управления используются трансформаторы, при всем этом все выходные каналы изолированы друг от друга и от шин источника входной электроэнергии. Применение способа широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с неизменной рабочей частотой, оборотной связью по напряжению и дополнительной оборотной связью по току дросселя позволяет получить высочайший КПД при низких уровнях напряжения. Любой из 2-ух преобразователей напряжения, размещенных снутри герметизированного корпуса, может быть сконфигурирован на один либо два выходных канала. Таким макаром, любой из обратноходовых преобразователей может воплотить однока-нальную, двухканальную, трехканальную либо четырехканальную структуру. Применение 2-ух контуров оборотной связи позволяет исключить перекрестные воздействия меж главным и дополнительными каналами выходных напряжений. Ограничение тока в случае отказа на одном выходе (группе выходов) происходит независимо от других каналов и без воздействия на их. Еще одним достоинством преобразователей напряжения серии SMRT является отсутствие ограничений на малое значение тока нагрузки, которое является принципиальным показателем надежности системы. Конструкция модулей питания предугадывает возможность расширения спектра входного напряжения до 100 В, также интеграцию ограничителя пускового тока.

Отдельной задачей является понижение производственных издержек при изготовлении модулей питания средством минимизации толики ручных сборочных операций и оптимизации организации производства. Технологичность изделий обеспечивают: отсутствие мультислойных покрытий, малое количество резистивных паст (до 3), исключение пайки оплавлением припоя, крепление подложки средством одной операции, применение соединительных проводников 1-го размера и компонент для поверхностного монтажа, исключение без необходимости промежных операций по сборке магнитных компонент, закрепление магнитных компонент сваркой, применение новых паст, не содержащих кадмия, и др.

В производстве модулей питания компании Interpoint употребляются либо планируются к применению последующие новаторства:

  • применение плоских проводников снутри корпуса для проволочных соединений;
  • применение в качестве покрытия никеля заместо золота;
  • применение новых фиксирующих эпоксидных материалов;
  • внедрение сварки сплошным швом при установке кристаллодержателя на поверхность с гальванически нанесенным слоем никеля;
  • применение планарных магнитных компонент.

Заключение

Новые DC-DC преобразователи напряжения для авиационных применений и радиационно-стойкие преобразователи неизменного напряжения компании Interpoint создаются на базе высокочастотных структур (рабочие частоты преобразования от 360 до 550 кГц), в каких употребляется двухфазовая схема, работающая со сдвигом по фазе на 120° либо 180°, также оригинальное решение для размагничивания магнитопровода силового трансформатора [7], что позволяет уменьшить массогаба-ритные характеристики, сделать лучше энерго свойства, понизить уровни электрических помех.

Применение новых материалов и современных компонент, также оптимизация технологических процессов производства позволяют существенно понизить производственные издержки и повысить качество изделий.