www.powel.ru
«ЭФО»
E-mail:
Пароль:


DC/DC-КОНВЕРТОРЫ КОМПАНИИ VICOR

Владимир Белотуров
Журнал "Электронные компоненты" №6 2005г.

Фирма Vicor специализируется на разработке и производстве модулей, предназначенных для построения источников и систем электропитания. Продукция фирмы включает в себя широкий спектр сетевых выпрямителей, фильтров [1, 2], DC/DC-конверторов, а также конструктивно законченных блоков питания. В статье рассмотрены схемотехнические и конструктивные особенности, основные технические характеристики и номенклатура серийно выпускаемых DC/DC-конверторов. DC/DC-конверторы фирмы Vicor являются продуктом современных высоких технологий. В них воплощены многочислен­ные оригинальные схемотехнические и конструктивные идеи. На сегодняшний день они являются примером современных Hi-Tech источников питания [3].

Американская фирма Vicor начала свою деятельность в начале 80-х гг. прошлого столетия, предоставив в распоряжение разработчиков стандартизованный набор модулей, из которых можно было «собирать», наподобие детского конструктора Lego, источники питания (ИП), различные по мощности и другим эксплуатационным параметрам. Таким образом, был совершен переход к идеологии построения систем распределенного питания, которые в настоящее время находят все более широкое применение. По своим массогабаритным и электрическим параметрам продукция компании Vicor по тем временам была практически уникальной, она и предназначалась, в основ­ном, для использования в 

военной технике. Разработка оказалась очень удачной, поэтому и сейчас выпуск продукции 1-го поколения продолжается. Всего за 20 лет было изготовлено более 20 млн. модулей.

С середины 90-х гг. компания Vicor начала выпуск DC/DC-конверторов 2-го поколения, которые в настоящее время являются одними из лучших на рынке по показателям плотности мощности. Vicor постоянно отслеживает новейшие достижения в сфере разработки ИП и предлагает свои оригинальные решения. Например, в 2003 - 2005 гг. был модернизирован технологический процесс изготовления DC/ DC-конверторов 2-го поколения, названный FasTrack Program. Результатом этого усовершенствования стало повышение надежности модулей, снижение помех и шумов, улучшение тепловых характеристик. В эти же годы компания Vicor предложила концептуально новый подход к построению распределенных систем питания, названный Factorized Power. Устоявшегося перевода этого термина пока нет, но основной смысл этой кон­цепции можно передать следующим образом. DC/DC-конвертор обычно выполняет одновременно три основные функции: трансформацию напряжения, гальваническую развязку и стабилизацию выходного напряжения. Компания Vicor в Factorized Power предлагает разделить DC/DC-конвертор и, соответственно, его функции на два модуля, один из которых является предварительным стабилизатором напряжения, а второй - трансформатором. Такой подход основан на томто во многих случаях нет необходимости использовать все функции DC/DC-конвертора. В рамках этой программы были разработаны модули VI-Chips, имеющие рекордные показатели эффективности и плотности мощности. Модули с размером корпуса 32 х 21,6 х 6 мм и весом 12 г способны конвертировать мощность до 3300 Вт, имеют КПД более 92%, частоту преобразования до 3,5 МГц, макс. рабочую температуру 125°С. Концепции Factorized Power и преобра­зователям VI-Chips в дальнейшем будет посвящена отдельная публикация.

В настоящее время Vicor серийно выпускает DC/DC-конверторы 1-го и 2-го поколений мощностью 25...600 Вт на корпус (см. рис. 1 и 2). Благодаря применению оригинальных схемотехнических решений, новейших технологий и материалов, плотность мощности достигает при этом 70 кВт/дм3. Все производство компании Vicor сосредоточено на нескольких предприятиях в США, сборка модулей осуществляется на автоматизированных оперативно перепрограммируемых линиях, способных производить в день до 8 тыс. модулей 1-го поколения и до 2 тыс. модулей 2-го поколения.

Общие характеристики модулей

Универсальность типоразмеров.

В зависимости от мощности преобразова­ния модули имеют 3 стандартных типоразмера. Для 1-го поколения это размер «кирпич» (brick) 117 × 56 × х 12,7 мм мощностью 75,100, 150, 200 Вт и «полкирпича» (half-brick) 58 × 56 × 12,7 мм мощностью 25, 50, 75, 100 Вт. Для 2-го поколения — «кирпич» до 600 Вт, «полкирпича» до 250 Вт и «четверть кирпича» 58 х 37 х 12,7 мм до 150 Вт.

Конструктивное исполнение

В пластмассовом корпусе модуля смонтированы печатная плата и электронные компоненты, которые залиты специально подобранным силиконовым компаундом. Корпус помещен на алюминиевую плас­тину-основание, служащую для отвода выделяемого тепла и крепления модуля. Компаунд защищает компоненты от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды и способствует равномерному распределению тепла по объему модуля. Двух-трех кратная разница стоимости модулей для ком­мерческого, индустриального и военного исполнений, в основном, определяется именно подбором компаун­да и технологией его заливки (вакуумное центрифугирование).

Универсальность конс­трукции модулей предоставляет широкие возможности конструкторам с точки зрения монтажа. При помощи стоек они могут крепить­ся на плату, радиатор или стенку прибора. Выводы могут быть удлиненные для монтажа «на плату» или короткие для монтажа «в плату» (см. рис. 3). Во втором варианте высота сборки составляет всего 13—14 мм. Кроме этого, если требуется, возможность опера­тивной замены модулей, выпускаются специальные разъемы. Как опция, существует также конструктивное оформление моду­лей для навесного монтажа MegaMod Family с подсо­единением к выводам «под винт» (см. рис. 4).

Температурный диапазон

Все модули выпускаются в нескольких вариантах (градациях) по температуре эксплуатации. Общими для 1-го и 2-го поколений явля­ются «коммерческий» (С) —25...100°С, «индустриальный» (I, H) -40...100°С и «милитари» (М) —55...100°С диапазоны эксплуатации с минимальными темпе­ратурами хранения соот­ветственно —40°С; —55°С; —65°С. Кроме этого, для 1-го поколения доступны модули в исполнении «эко­ном» (Е) с температурой эксплуатации —10...85°С, а для 2-го — в исполнении (Т): —40°С эксплуатация и —40°С хранение.

Надежность

Надеж­ность — один из основ­ных параметров, характе­ризующих качество ИП. Показатели надежности учитывают схемотехничес­кие решения, качество мате­риалов, технологические процессы и «культуру про­изводства». Благодаря высо­кой надежности, продукция компании Vicor широко при­меняется в военной технике и другом ответственном про­мышленном оборудовании. Среднее время наработки на отказ (MTBF — Mean Time Before Failure), рассчитанное в соответствии с методикой MIL-HDBK-217F (Reliability Prediction of Electronic Equipment) с применением математичес­кого пакета RelCalc, состав­ляет более 2 млн. ч при 25°С при полной нагрузке. При температуре 65°С MTBF составляет несколько сотен тыс. часов. Согласно мето­дике вычисления, исходя из реально продемонстрированного времени наработ­ки (некоторые модули 1-го поколения эксплуатируются более 20 лет), надежность составляет более 20 млн. ч. Каждый модуль исполнения I(Н) и М проходит контроль и тестирование на удовлетворение заявлен­ным параметрам. Контроль включает в себя несколько термических циклов, замер параметров при высшей и низшей температуре, визуальный осмотр. Результаты испытаний помещаются на сайт фирмы Vicor, и по серийному номеру модуля можно получить паспорт с реально замеренными параметрами на конкретное изделие. Вся продукция фирмы Vicor имеет соот­ветствующие сертификаты по электробезопасности, шумам и помехам. Кроме этого модули исполнений I(Н) и М удовлетворяют стандартам MIL-STD-810, MIL-STD-901, MIL-STD-202 по механическим (раз­режение, удар, вибрация) и климатическим (температура, влажность, солевой туман) воздействиям.

Особенности схемотехнических решений

В отличие от большинства производителей, компания Vicor в своих DC/DC-конверторах использует частотно-импульсный (квазирезонансный) метод преобразования энергии (ЧИМ) (см. рис. 5). При таком методе переклю­чение силового MOSFET-транзистора происходит при нулевом значении тока или напряжения (ZCS — Zero Current, Zero Voltage Switching). Энергия преда­ется посредством импульсов («квантов»), одинаковых по длительности и амплитуде; форма импульсов — положительный полупериод синусоиды. Стабилизация выходного напряжения осу­ществляется за счет изменения частоты импульсов. Импульс энергии формиру­ется в контуре, состоящем из индуктивности рассеяния трансформатора Т1 и емкос­ти С. Частота импульсов в зависимости от мощности на нагрузке и входного напря­жения может изменяться от десятков кГц до 2 МГц. В номинальном режиме час­тота преобразования лежит в пределах 1,0—1,5 МГц. Для гальванической развяз­ки в цепи обратной связи в DC/DC-конверторах первого поколения приме­нены оптроны, во втором поколении — разделительные трансформаторы, что повышает их надежность. Кроме этого, схемы управ­ления ключами (драйверы) и схемы обратной связи двух поколений различа­ются. Из-за этих различий нельзя применять модули выпрямителей 1-го поко­ления VI-AIM с DC/DC-конверторами 2-го поколе­ния [2].

Благодаря использова­нию ЧИМ компании Vicor удалось поднять частоту преобразования до 1,5 МГц и за счет этого применить компоненты меньших разме­ров, существенно уменьшить уровень шумов и помех по сравнению с ШИМ - преобразователями, увеличить к.п.д. Типовое значение к.п.д. DC/DC-конверторов компании Vicor составляет 82—92% во всем допустимом диапазоне входных напря­жений и нагрузок.

Номенклатура преобразователей

DC/DC-конверторы 1-го поколения

Конвертор выбирается по совокупности требуемых параметров, при­веденных в таблице 1.

Пример обозначения: VI-26M-IV - DC/DC-конвертор 1-го поколения, семейства VI-200, входное напряжение 300 В (200-400 В), выходное напряжение 10 В, температурный диапазон — «индустриальный», выходная мощность 150 Вт. Семейство «Booster» не имеет схемы управления по выходу, за счет этого они дешевле соответствующих VI-200. Стоимость модулей, в основном, определяется их мощностью и температур­ным диапазоном и не зави­сит от входных/выходных напряжений. Диапазон регу­лировки выходного напря­жения Uвых для модулей с Uвых > 12 В составляет 50— 110% от Uвых. ном, а для модулей с Uвых < 12 Â - ±10% от Uвых. ном.

Таблица 1. Основные параметры DC/DC-конверторов 1-го поколения

Семейство

Uвх, В

Uвых, В

Температурная градация

Мощность, Вт

2 - VI-200

J - VI-J00

В - Booster

0 -  12
1 -  24
W - 24
2 -  36
3 -  48
N    48
4 -  72
T - 110
5 - 150
6 - 300
7 - 150/300

Z -   2
Y -   3,3
0 -   5
X -   5,2
W -   5,5
V -   5,8
T -   6,5
R -   7,5
M -   10
1 -   12
P -   13,8

2 -   15
N -   18,5
3 -   24
L -   28
J -   36
К -   40
4 -   48
H -   52
F -   72
D -   85
В -   95

Е = -10...+100C

С = -20...+100C

= -40...+100C

M= -55...+100C

VI-200: (50, 75, 100, 150, 200 Вт)

VI-J00: (25, 50, 75, 100 Вт)

DC/DC-конверторы 2-го поколения

Во втором поколении DC/DC-конверторов компании Vicor набор входных и выходных напряжений не так широк. Это связано со сложившимися стандартами используемых в современной аппаратуре напряжений. По входному напряжению UBX имеются только 4 семейства: 24, 48, 300, 375 В с выходными напряжениями 2, 3,3, 5, 12, 15, 24 и 48 В, но с более широкими возможностями регулирования выходного напряжения UBbIX — 10— 110% от Uвых. ном. Для кон­верторов с Uвых — 2 В и 3,3 В минимальное напряжение, которое можно уста­новить, составляет 0,5 В. Выходная мощность опре­деляется размером корпуса и составляет в зависимости от UBX и UBbIX:

  • Micro «четверть кирпича» 50—150 Вт;
  • Mini — «полкирпича» 100-300 Вт;
  • Maxi «кирпич» 160-600 Вт.

Пример обозначения: V300A24H500BL - DC/ DC-конвертор 2-го поколе­ния, Uвх = 300 В (180-375 В), корпус Maxi, 500 Вт, «индустриальный» диапазон температур, с удлиненными выводами. Семейство V375 разработано для примене­ния совместно с модулями корректоров коэффициента мощности, обычно имеющи­ми выходное напряжение около 360 В [2].

По таким параметрам как точность установки напряжения Uвых, стабиль­ность напряжения Uвых при изменении нагрузки, температуры, конверторы Vicor демонстрируют луч­шие показатели, свойствен­ные современным преобра­зователям такого класса [3]. В то же время они облада­ют рядом дополнительных возможностей, существен­но расширяющих область их применения. К таким возможностям относятся: параллельное включение модулей, возможность пос­ледовательного включения (как по входу, так и по выходу), дистанционное включение/отключение, регулировка выходного напряжения в широких пре­делах, компенсация падения напряжения на проводниках от модуля к нагрузке.

 

Параллельное включение модулей реализуется путем соединения выводов PR (Parallel) для синхрони­зации частоты преобразова­ния. Как указывалось ранее, в DC/DC-конверторах ком­пании Vicor реализован принцип ЧИМ. Поэтому, если одинаковые модули работа­ют на одной частоте, они конвертируют одинаковую мощность. Таким образом, осуществляется равномерное (с точностью до 5%) распределение токов по модулям. Вывод PR является двунаправленным портом, поэто­му в массиве модулей роль ведущего (драйвера) автома­тически принимает на себя модуль с большей частотой, а остальные подстраиваются под него (бустеры). Если система составлена из N + М модулей, то N модулей можно включить драйверами, а М — «бустерами». Перевод модуля в режим «бустера» осуществляется соединением выводов SC и —S, при этом отключается схема управле­ния выходом. Такое решение используется, если требуется получить выходное напряже­ние, отличное от номиналь­ного. В этом случае один модуль включают «драйве­ром» — именно он задает Uвых, а остальные «бусте­рами». PR-выводы разных модулей могут быть соедине­ны между собой нескольки­ми способами. Самый прос­той — непосредственно про­водником. Если требуется обеспечить сохранение работоспособности системы в слу­чае выхода из строя одного или нескольких модулей, то соединение следует осущест­влять через конденсатор. Для обеспечения помехоус­тойчивости системы (напри­мер, если модули находятся на большом расстоянии друг от друга или на разных пла­тах) модули следует соеди­нять через разделительный трансформатор (см. рис. 6). Такое оригинальное решение позволяет достаточно просто наращивать мощность конеч­ной системы и обеспечивать режим резервирования.

Резервирование можно осуществить по схеме N + 1 (в общем случае, N+ М), что экономичес­ки выгоднее, чем обычно применяемая схема 2N. Поясним это на примере ИП мощностью 500 Вт. Его можно сконструировать из двух модулей по 500 Вт (схема резервирования 2N) или из трех по 250 Вт (схема 2N + 1). Во вто­ром случае при нормальном функционировании каждый модуль берет на себя 1/3 общей мощности. В слу­чае выхода из строя одно­го из модулей остальные два продолжат нормальную работу. Экономический эффект особенно ощутим, если система состоит из большого числа модулей. Допускается параллельное соединение до 12 модулей.

 

PC-вывод (Primary Control) позволяет дистан­ционно управлять включением/отключением модулей. Его также можно использо­вать для индикации состо­яния модуля (вкл./откл.). На выводе PC формируется (или принимается) сигнал логического уровня 0/5 В. В качестве переключателя могут быть использованы контакты (тумблера, реле) или сигнал логического уровня 0/5 В. При Upc > 2,3 В модуль включен, а при Upc < < 2,3 В — выключен.

Выводы +S и -S (Sense) предназначены для компенсации падения напряжения на проводни­ках, идущих от модуля к нагрузке. Допускается ком­пенсация падения напряжения до 0,5 В.

SC (Secondary Control): изменяя потенциал на этом выводе, можно регулиро­вать выходное напряжение. Например, чтобы понизить выходное напряжение отно­сительно номинального, надо соединить через резис­тор вывод SC с выводом —S, а чтобы повысить — с выводом +S. При этом сле­дует учитывать, что у кон­вертора имеется защита по допустимому току, поэтому при понижении ивых про­порционально будет сни­жаться и допустимая мощ­ность преобразователя.

Конверторы компании Vicor имеют встроенные системы защиты:

  • от понижения UBX ниже допустимого уровня;
  • от превышения выходным напряжением Uвых номинального уровня Uвых. ном на -15%;
  • от перегрева.

При срабатывании одной из систем защиты модуль отключается и затем каждые 2—20 мс пытается стартовать заново. При этом на выводе PC появляются импульсы, которые можно использовать для индикации состояния конвертора (см. рис. 7). При устранении неисправности модуль автоматически переходит в активный режим.

Конверторы можно также перевести в режим стабилизатора тока путем добавления токоизмерительного резистора и операционного усилителя с подачей сигнала обратной связи на вывод SC. Такое решение реализо­вано в семействе програм­мируемых источников тока BatMod, предназначенных для зарядки аккумуляторов с номинальным напряжением 12, 24, 48 В при питании от сети постоянного тока 48, 150, 300 В на мощность до 200 Вт. BatMod обладают тем же набором свойств, что и DC/DC-конверторы 1-го поколения: выпускаются в четырех температурных гра­дациях Е, С, I и М, могут быть соединены параллельно. Также они имеют вывод для установки выходного тока и вывод для контроля тока.

В связи с тем, что конверторы компании Vicor являются достаточно слож­ными устройствами и обла­дают широким спектром возможностей, их корректное применение требует учета ряда особенностей. На сайте фирмы www.vicorpower.com можно найти инструкции по использованию, рекомендации по пайке, борьбе с шумами и помехами, обеспечению безопасного теплового режима. Кроме этого, квалифицированную техническую консультацию можно получить у офици­ального представителя Vicor в России — фирмы «ЭФО».

Литература

  1. Скачать статью в PDF файле. "DC/DC конверторы компании Vicor "264.0 KB
  2. Белотуров В. Модули фильтрации и защиты от перенапряжений фирмы Vicor. Силовая электроника, 2004,№2.
  3. Белотуров В. Решения Vicor для построения AC-DC источников питания для жестких условий эксплуатации. Силовая электроника, 2005, №2.
  4. Источники питания из модулей Vicor

  5. Vicor - руководства по проектированию
  6. Статьи по Vicor
  7. Новости сайта "ЭФО"
  8. Новости сайта "Powel"

Дистрибуция электронных компонентов www.efo.ru © All rights reserved. EFO Ltd.
При использовании материалов
ссылка на источник обязательна.
Создание сайта © 2010 PointDesign™
Конструктивы и корпуса РЭА www.korpusa.ru Микроконтроллеры www.mymcu.ru Микросхемы Altera www.altera.ru
Мир беспроводных решений www.wless.ru Волоконно-оптические компоненты www.infiber.ru Кварцевые резонаторы
и генераторы Golledge
www.golledge.ru
Силовая электроника www.efo-power.ru Электротехническая продукция www.efo-electro.ru Контрольно-измерительные приборы www.efometry.ru
Профессиональные усилители класса D www.sound-power.ru Датчики и первичные преобразователи www.efo-sensor.ru Компоненты для промавтоматики www.efomation.ru
Продукция Lattice Semiconductor www.latticesemi.ru