DC/DC-модули мощностью до 15 Вт для бортового питания на 27 и 100 В

Введение

Для питания электронной аппаратуры от сети постоянного тока в основном используются DC/DC-преобразователи в виде модулей в корпусе. Они применяются в различных схемах управления и автоматики, устройствах вычислительной техники, устройствах связи и др., используются в аппаратуре как гражданского, так и специального назначения, в частности в космической технике.

Хотя эффективность (КПД) и является одной из важных технических характеристик преобразователя, но такими же важными показателями преобразователя, используемого в космической технике, являются его способность функционировать без ухудшения технических параметров в условиях радиа­ционных воздействий в течение всего срока службы и способность работать безотказно при воздействии тяжёлых заряженных частиц и протонов. В настоящее время электронная компонентная база, применяемая в космической аппаратуре, должна обеспечивать:

Основные виды DC/DC-преобразователей

В процессе разработки DC/DC-преобразователя первым шагом является выбор его структуры (топологии). Обычно её выбирают исходя из требуемой выходной мощности, но выбор также может определяться диапазоном входных/выходных напряжений и даже имеющейся в распоряжении разработчика элементной базой. В общем случае однотактная обратноходовая структура (см. рис. 1а) наиболее подходит для маломощных, до 10 Вт, устройств, однотактная прямоходовая структура (см. рис. 1б) обычно применяется в преобразователях с мощностями до 40 Вт, а двухтактные структуры (см. рис. 1в) – в более мощных преобразователях.

Основное достоинство обратноходовых преобразователей – очень простая схемотехническая реализация. Такие преобразователи, как правило, применяются при относительно небольших нагрузках, поскольку им свойственны большие токовые пульсации и пиковые токи, а также пульсации напряжения. Отношение пикового значения тока к среднему току нагрузки в прямоходовых преобразователях существенно ниже, чем в обратноходовых, поэтому им отдают предпочтение при больших выходных токах. Двухтактные прямоходовые преобразователи позволяют получить более высокую эффективность преобразования энергии по сравнению с однотактными схемами, однако для этих преобразователей необходимо обеспечить высокую синхронность фаз работы силовых ключей.

Компанией «Микроника» (г. Минск, Республика Беларусь) были разработаны импульсные преобразователи мощностью 5 и 15 Вт на номинальное входное напряжение 27 и 100 В, как одноканальные, так и двухканальные, универсальная демоплата которых представлена на рисунке 2. Преобразователи, предназначенные для систем питания на 27 В, характеризуются диапазоном входных напряжений от 18 до 40 В, а преобразователи на входное напряжение 100 В – диапазоном входных напряжений от 65 до 125 В.

Комплект ИМС для DC/DC-преобразователей

В специализированных DC/DC-модулях систем вторичного электропитания и другой преобразовательной аппаратуре специального назначения в настоящее время в основном используются следующие типы ИМС:

Основные электрические параметры ИМС данных классов, используемых в DC/DC-модулях, приведены в таблицах 1–3.

СКТБ «Микроника» в настоящее время осуществляет разработку ИМС данных типов для DC/DC-модулей, предназначенных для космической и специальной аппаратуры, с использованием КНИ (кремний на изоляторе) биполярного техпроцесса со следующей стойкостью к ДИ: поглощённая доза гамма-облучения не ниже 100 крад и устойчивость к воздействию ТЗЧ не ниже 60 МэВ×см²/мг. Стойкость к ДИ достигается как технологическими, так и схемотехническими методами – использованием специализированных схемотехнических решений блоков ИМС.

DC/DC-преобразователь на 5 Вт с входным напряжением 27 В

Для преобразователя мощностью 5 Вт с входным напряжением 27 В выбрана топология обратноходового импульсного преобразователя, так как её основное достоинство – очень простая схемотехническая реализация. В связи с тем что преобразователям данного типа свойственны большие токовые пульсации и пиковые токи, а также пульсации напряжения, к силовому ключу и компонентам фильтра на выходе предъявляются повышенные требования. Модуль оснащён функцией защиты от пониженного напряжения питания, входом дистанционного включения/выключения. Номинальная частота коммутации силового ключа преобразователя составляет 300 кГц, что позволяет снизить габариты трансформаторов. Встроенный внутренний помехоподавляющий фильтр на входе уменьшает кондуктивные помехи на входных шинах питания, а двухзвенный фильтр на выходе преобразователя уменьшает пульсации выходного напряжения. Электрическая развязка первичной и вторичной цепи осуществляется с применением трансформатора, в цепи контура обратной связи для стабилизации выходного напряжения также применяется трансформатор, а не опторазвязка, как в преобразователях общего назначения, поскольку оптрон не обеспечивает стабильных характеристик и долговечности при широких температурных изменениях и при работе в условиях ДИ космического пространства. Напряжение основного канала стабилизируется контуром обратной связи и обеспечивает суммарную нестабильность выходного напряжения менее 1%.

Примечание: К1 – выходное напряжение; К2 – напряжение на стоке MOSFET; К3 – напряжение на затворе MOSFET; К4 – ток стока MOSFET

Основные электрические параметры разработанного преобразователя мощностью 5 Вт с входным напряжением 27 В и выходным напряжением 5 В приведены в таблице 4, эпюры напряжений и токов представлены на рисунке 3 [1], справочные зависимости разработанного преобразователя приведены в таблице 5.

DC/DC-преобразователи на 5 и 15 Вт с входным напряжением 100 В

Для преобразователей мощностью 5 и 15 Вт с входным напряжением 100 В используется топология однотактного прямоходового импульсного DC/DC-преобразователя с резонансным размагничиванием магнитопровода трансформатора. Эти модули также оснащены функцией защиты от пониженного напряжения питания, входом дистанционного включения/выключения и, как в предыдущем случае, в них используется трансформатор для обеспечения стабильной работы контура обратной связи в условиях ДИ космического пространства.

Примечание: К2 – напряжение на стоке MOSFET; К3 – напряжение на затворе MOSFET; К4 – ток стока MOSFET

Основные электрические параметры разработанных преобразователей мощностью 5 и 15 Вт с входным напряжением 100 В и выходным напряжением 5 В приведены в таблице 6, эпюры напряжений и токов представлены на рисунке 4 [2], справочные зависимости разработанных преобразователей приведены в таблице 7.

MOSFET-транзисторы для DC/DC-преобразователей

N-канальные полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) являются одними из основных ключевых элементов в электронных преобразовательных системах [3], включая системы бортового питания. Основными преимуществами MOSFET по сравнению с другими ключевыми элементами являются высокое быстродействие и низкая потребляемая мощность в цепи управления. В разработанных DC/DC-преобразователях с входным напряжением 27 и 100 В используются 200- и 500-вольтные транзисторы типа КП7114А, КП7116В1, КП7116Б1, КП7116А1, разработанные совместно с ООО «Тандем Электроника» (г. Воронеж, официальный представитель СКТБ «Микроника» в РФ) [4].

Основные электрические параметры этих транзисторов приведены в таблице 8.

СКТБ «Микроника» обладает технологиями и конструкцией как транзисторов данного типа (4-е поколение), так и n- и р-канальных транзисторов 5-го и 7-го поколений, позволяющими получить требуемые электрические параметры и стойкость к ДИ космического пространства: TID не менее 100 крад, воздействие ТЗЧ не ниже 65 МэВ×см²/мг.

Заключение

В статье рассмотрены основные типы DC/DC-преобразователей для систем вторичного электропитания аппаратуры космической силовой электроники, представлены основные электрические характеристики DC/DC-модулей на 5 и 15 Вт, разработанных компанией «Микроника» для аппаратуры с бортовым питанием на 27 и 100 В. Полученные электрические параметры DC/DC-пре-
образователей соответствуют лучшим зарубежным аналогам IR и Microsemi.

Литература