CC BY
31УДК 621.311.6:621.382.3
DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-5-423-431
Импульсный DC/DC-преобразователь напряжения с уменьшенными массогабаритными параметрами
Е.А. Иванов, А.Н. Якунин
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
При изготовлении преобразователей энергии значительное внимание уделяется высокой надежности при максимальной их миниатюризации. Также к конструкции и технологии создания преобразователей энергии предъявляются жесткие требования в части эффективного отвода тепла. В работе рассмотрена концепция изготовления DC/DC-преобразователей энергии с уменьшенными массогабаритными параметрами за счет отказа от систем отвода тепла. Предложено использовать коммутационные платы на основе алюмонитридной керамики, имеющей теплопроводность 180-200 Вт/(мК). Для дополнительного снижения потерь энергии на перегрев компонентов (в преобразователь энергии) интегрирована цифровая система управления процессом коммутации силовых ключей. Значительное снижение высоты экспериментального образца достигнуто заменой моточного трансформатора на планарный. Отработка концепции на экспериментальном образце позволила получить следующие результаты: увеличена удельная мощность с 2,18 до 3,23 кВт/дм3; увеличена пиковая удельная мощность с 5,66 до 8,4 кВт/дм3; снижена высота с 32 до 13 мм; уменьшен объем с 0,115 до 0,077 дм3; увеличен КПД с 85 до 88,6 %.
Ключевые слова: алюмонитридная керамика; квазирезонансная коммутация; транзисторы; цифровая система управления; планарный трансформатор
Для цитирования: Иванов Е.А., Якунин А.Н. Импульсный DC/DC-преобразова-тель напряжения с уменьшенными массогабаритными параметрами // Изв. вузов. Электроника. 2020. Т. 25. № 5. С. 423-431. DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-5423-431
© Е.А. Иванов, А.Н. Якунин, 2020
Pulse DC/DC Voltage Converter with Reduced Weight and Size Parameters
E.A. Ivanov, A.N. Yakunin
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia [email protected]
Abstract. In development of energy converter for feeding the phase rotators and modulators in the system of active phased antenna lattice special requirements to sizes with the specified nominal and peak power of the converter have been presented. In the paper, the concept of manufacturing DC/DC energy converter with reduced weight and size parameters has been presented. It has been proposed to use the switching boards based on aluminitride ceramic with a thermal conductivity of 180-200 W / (mK). To further reduce the energy losses due to overheating of the components, a digital control system for switching the power switches has been used. A significant reduction in height corresponds to the re -placement of a coil transformer with a planar one. The following results can be achieved. an increase of specific power from 2.18 to 3.23 kW / dm3; an increase of peak specific power from 5.66 to 8.4 kW / dm3; a reduction of the height of the experimental sample from 32 to 13 mm; a decrease of volume from 0.115 to 0.0773; an increase of efficiency from 85 to 88.6%.
Keywords. alumnitride ceramic; quasi-resonant switching; transistors; digital control system; planar transformer
For citation. Ivanov E.A., Yakunin A.N. Pulse DC/DC voltage converter with reduced weight and size parameters. Proc. Univ. Electronics, 2020, vol. 25, no. 5, pp. 423-431. DOI. 10.24151/1561-5405-2020-25-5-423-431
Введение. При разработке преобразователя энергии для питания фазовращателей и модуляторов в системе активной фазированной антенной решетки (АФАР) особые требования предъявляются к габаритным размерам при заданных номинальной и пиковой мощностях преобразователя. Это связано с тем, что в радиолокационных станциях с АФАР преобразователи энергии монтируются в два ряда и ограничиваются жесткими массогабаритными параметрами. Значительная пиковая удельная мощность при КПД существующих преобразователей порядка 80 % предъявляет жесткие требования к конструкции и технологии создания преобразователя в части эффективного отвода тепла. Расчеты показывают, что использование в конструкции преобразователя энергии традиционных полимерных материалов (стеклотекстолита, полиимида, тефлона и т.п.), применяемых в современной радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), не позволяет достичь требуемых максимальных значений удельной мощности из-за значительного перегрева изделия.
Коммутационные платы на основе DBC-керамики. Эффективный отвод тепла может быть реализован при использовании керамических коммутационных плат на основе DBC-керамики (Direct Bond Copper) - алюмооксидной или алюмонитридной керамики, плакированной толстой медной фольгой. DBC-керамика позволяет монтиро-
вать коммутационную плату непосредственно на базовое металлическое основание и обеспечивает малое тепловое сопротивление перехода между платой и основанием. Теплопроводность керамики более чем на два порядка выше по сравнению с теплопроводностью полимерных материалов, традиционно используемых для производства коммутационных плат: 24 Вт/(мК) для алюмооксидной, 180-200 Вт/(мК) для алюмо-нитридной керамики и 0,1-0,5 Вт/(мК) для полимеров). При плотном контакте коммутационной платы с базовым металлическим основанием создаются условия для надежного отвода тепла даже при высокой удельной мощности преобразователя энергии.
Кроме того, коммутационные платы на основе керамических материалов характеризуются механической стабильностью и сохранением линейных размеров; хорошими электрическими характеристиками, в том числе в СВЧ-диапазоне; высокой радиационной стойкостью; стабильностью эксплуатационных параметров в широком диапазоне изменения свойств окружающей среды, в частности температуры и влажности. Это особенно важно при эксплуатации аппаратуры в условиях космического пространства [1-6].
Применение в конструкции РЭА керамических коммутационных плат хорошо сочетается с внедрением цифровых систем управления процессами преобразователей энергии. Перспективные методики построения преобразователей энергии [7, 8] на основе квазирезонансных подходов при коммутации транзисторов [9] позволяют дополнительно снизить теряемую в тепло энергию в процессе работы источника питания. Цифровая система управления по сравнению с аналоговой дает возможность уменьшить массога-баритные параметры за счет применения меньшего числа компонентов и имеет следующие преимущества: микроконтроллер выполняет корректировку рабочей точки в процессе работы преобразователя энергии; возможна реализация синхронного выпрямления во вторичной цепи параллельно с дополнительными функциями микроконтроллера; возможно применение гальванической высокоскоростной развязки без оптопар, имеющих ограничения при работе в космосе.
Таким образом, применение DBC-керамики в конструкции преобразователей энергии и вторичных источников питания, а также систем управления, основанных на квазирезонансных подходах, позволяет значительно снизить массогабаритные показатели (рис.1) и увеличить при этом удельную мощность по сравнению с существующими аналогами.
Радиатор силовых ключей
Изолированная силовая цепь DC/DC-преобразователя
Силовой трансформатор
Алюминиевое основание Л
DC/DC-контроллер
Изолированная силовая цепь DC/DC-преобразователя
Планарный трансформатор
A1N А
V
Схемы Цепи
драйверов обратной
связи
V
Цифровая система управления ............ Цепи обратной связи
а б
Рис.1. Упрощенная структурная схема DC/DC-преобразователя напряжения: а - исходная; б - после введения концептуальных составляющих Fig.1. Simplified block diagram of a DC/DC voltage converter: a - initial; b - after the introduction of
conceptual components
Принцип построения преобразователя. Рассмотрим концепцию построения высокоэффективных преобразователей энергии на образце, созданном на основе алюмонит-ридной (АШ) керамики в качестве теплоотводящей основы для силовой части преобразователя энергии. Цифровая система управления основана на современном квазирезонансном подходе к коммутации силового транзистора. Моточный трансформатор заменен на полиимидный планарный. Конструкция образца представлена на рис.2.
а б
Рис.2. Конструкция преобразователя энергии: а - 1 - силовой блок преобразователя энергии; 2 - блок цифрового управления; 3 - планарный трансформатор; 4 - входной фильтр;
5 - выходной фильтр; б - образец в сборке Fig.2. The design of the energy converter: a - 1 - power unit of the energy converter; 2 - digital control unit; 3 - planar transformer; 4 - input filter; 5 - output filter; b - sample in the build
Силовой блок преобразователя энергии выполнен из медного основания толщиной 0,5 мм. К силовому блоку припаяна алюмонитридная плата со смонтированными на ней компонентами, требующими отвода тепла. Алюмонитридный материал силовой платы выбран по результатам испытаний конструкции макетных образов (рис.3). В ходе испытаний на смонтированный резистор 2512 номиналом 100 Ом подавалось напряжение 10,1 В и измерялась температура его поверхности. Разность температур равна AT = T - To, где Ti, T0 - соответственно температура поверхности резистора в фиксируемый и начальный моменты времени.
Керамическая плата рассматриваемого преобразователя энергии выполнена на основе DBC-керамики (рис.4) при толщине диэлектрического слоя 130 мкм и толщине фольги 380 мкм. Переходные отверстия в керамике сделаны по типу колодца с дополнительными операциями гальванического заращивания этих отверстий медью с предварительной уникальной обработкой после лазерного удаления AlN. Такая особенность вызвана трудностью обработки керамики механическими способами, в частности сверлением, вследствие ее хрупкости. Альтернативная технология создания переходных металлизированных отверстий делает возможным выполнение топологического рисунка меди на обоих слоях керамической подложки. Двусторонняя трассировка сокращает площадь преобразователя энергии, определяемую размером керамической платы, с 7650 до 6957 мм2. Значительная толщина медной фольги силовой платы при ширине проводников 2 мм позволяет преобразователю энергии выдавать в нагрузку в импульсном режиме токи до 25 А при 28 В.
Рис.3. Результаты испытаний образцов различных материалов на возможность отвода тепла Fig.3. Test result of samples of various materials for the possibility of heat removal
Цифровой блок управления не нуждается в значительном отводе тепла и может быть выполнен на стеклотекстолитовой основе толщиной 0,5 мм с фольгой толщиной 18 мкм. Особенность данного блока заключается в квазирезонансном подходе в управлении силовым транзистором [9]. Блок выполняет постоянную оцифровку формы преобразуемой в силовой цепи энергии (рис.5) с помощью АЦП.
В массиве оцифрованных значений микроконтроллер вычисляет значения, соответствующие ложбинам (см. рис.5), в свою очередь соответствующим моментам времени, коммутация транзистора в которые будет сопровождаться минимальным значением потерь энергии. В отличие от аналогов [10-14] разработанный микроконтроллер не останавливается на фиксировании положения только первой ложбины. Определение положения нескольких последующих ложбин создает гибкую последовательность импульсов управления затвором силового транзистора. Последовательность состоит из чередования импульсов разной длины с различными временными промежутками для обеспечения передачи требуемого уровня энергии (рис.6).
Регулирование выходной мощности преобразователя энергии осуществляется по принципу частотно-импульсного регулирования изменением временных промежутков между импульсами, так как требуется сохранять форму импульсов для обеспечения мягкой коммутации транзистора.
Рис.4. Конструкция керамической платы Fig.4. Ceramic board design
Рис.5. Форма преобразуемого в силовой
цепи напряжения Fig.5. The form of the voltage converted in the power circuit
Рис.6. Фрагмент формы преобразуемого в силовой цепи напряжения в ходе действия последовательности коротких A, средних B и длинных C импульсов
Fig.6. Fragment of the form of the voltage converted in the power circuit during the action of a sequence of short A, medium B and long C pulses
Планарный трансформатор в конструкции преобразователя энергии позволяет минимизировать массогабаритные параметры источника питания. Разработанный для преобразователя энергии образец планарного трансформатора имеет габариты 32 х 45 х 9 мм и массу 36,3 г. Масса альтернативного моточного трансформатора тороидальной формы равна 65,2 г при внешнем диаметре 35 мм и высоте 12 мм. Таким образом, планарный трансформатор характеризуется несколько большим объемом, но его высота и масса на 3 мм и 44,5 % меньше соответственно.
2
Рис.7. Конструкция разработанного планарного трансформатора: 1 - фольгированный полиимид AP7164E; 2 - фольгированный полиимид AP9212R; 3 - препрег IS420 2116; 4 - пленка полиимидная толщиной 12 мкм Fig.7. Design of the developed planar transformer: 1 - foil polyimide AP7164E; 2 - foil polyimide AP9212R; 3 - prepreg IS420 2116; 4 - polyimide film 12 microns
Конструкция разработанного планарного трансформатора (рис.7) имеет ряд особенностей:
- для фольгированного полиимида слоев первичной и вторичной обмоток выполнены дополнительные операции гальванического наращивания меди для снижения омического сопротивления токоведущих дорожек трансформатора и обеспечения требуемого уровня тока во вторичной цепи;
- введены слои полиимидной пленки между чередующимися слоями первичной и вторичной обмоток для защиты от пробоя по напряжению.
Дальнейшее уменьшение высоты преобразователя возможно интегрированием трансформатора в одну из печатных плат [15], но требует значительного изменения конструкции.
В таблице представлены характеристики преобразователя энергии, разработанного на основе концепции применения современных DBC-материалов и квазирезонансных подходов в управлении процессом преобразования энергии, в сопоставлении с характеристиками передовых аналогов.
Общие характеристики преобразователей энергии General characteristics of energy converters
Изготовлен- МДМ240-П CN200A
Параметр ный образец («Александр («TDK Labda»,
Электрик», Япония)
Россия)
Выходное напряжение, В 28 28 24
Номинальная мощность, Вт 250 240 200
Удельная мощность, кВт/дм3 3,26 1,81 2,86
Пиковая мощность, Вт 650 - -
Пиковая удельная мощность, кВт/дм3 8,46 - -
Высота преобразователя, мм 11 13 12,7
Объем преобразователя, дм3 0,075 0,133 0,07
КПД при номинальной нагрузке, % 88,6 87 88
Частота преобразования, кГц 500 100 150
Масса, г 103 115 100
Исходя из данных таблицы, можно сделать вывод о целесообразности и перспективности разработки преобразователей энергии на основе предлагаемой концепции.
Заключение. Применение керамических материалов и квазирезонансный подход в управлении процессом коммутации силовых транзисторов позволили отказаться от систем отвода тепла и значительно снизить габаритные размеры преобразователя энергии и, соответственно, увеличить его удельную мощность.
Удельная мощность разработанного преобразователя энергии, равная 3,26 кВт/дм3, превосходит мощность современных отечественных и зарубежных аналогов. При работе на импульсную нагрузку преобразователь энергии имеет пиковую удельную мощность 8,46 кВт/дм3 при выходной мощности 650 Вт. Медное основание играет роль фиксирующего элемента и может быть заменено на более легкую алюминиевую подложку с монтажными отверстиями для крепления преобразователя энергии.
Литература
1. Лейтс И.Л. Перспективы развития техники печатных плат и микросборок. «Что было - что будет» // Технологии в электронной промышленности. 2011. № 7. С. 40-42.
2. Haкa К., Карташев Е. LFC-технология производства керамических подложек для автомобильной промышленности // Компоненты и технологии. 2007. № 5. С. 170-172.
3. Глубоков А.А., Бондарь Д.Б., Шелковников Б.Н. Широкополосные трансформаторы для интегральных схем в технологии LTCC // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2006. № 3. C. 26-31.
4. Технология изготовления керамических теплонагруженных печатных плат на основе LTCC / В.Д. Ходжаев, К.В. Егоров, В.А. Алексеев и др. // Перспективные технологии в средствах передачи информации. 2017. С. 208-210.
5. Хроленко Т.С., Торгаш Т.Н., Яковлев А.Н., Перцель Я.М. Многослойные платы ГИС, изготовленные по технологии LTCC с применением тонких пленок // Техника радиосвязи..2017. № 1. С. 79-91.
6. Жданкин В. Радиационно-стойкие гибридно-пленочные DC/DC-преобразователи - стандартные компоненты систем электропитания КА // Аппаратные средства. 2012. № 1. С. 26-41.
7. Иванов Е.А. Методика уменьшения значения коммутируемого напряжения в силовых ключах обратноходовых источников питания // Нано- и микросистемная техника. 2017. Т. 19. № 11. С. 694-698.
8. Егоров А.П., Огурцова С.Г. Корректор коэффициента мощности с мягким переключением с интегрированным двухключевым преобразователем с переключением при нуле напряжения // Практическая силовая электроника. 2017. № 2. С. 38-43.
9. Иванов Е.А., Якунин А.Н. Алгоритм коммутации силовых ключей обратноходовых источников питания в квазирезонансном режиме с низкими энергетическими потерями // Материалы 11-й Всероссийской науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы информатизации в науке и образовании - 2018». М.: МИЭТ, 2018. С. 48-54.
10. Антонов А.А., Карпович М.С., Пичугин И.В., Васильев В.Ю. Разработка и верификация интегральной микросхемы драйвера «мягкой» коммутации силовых ключей для мощных источников электропитания // Нано- и микросистемная техника. 2015. №9. С. 57-64.
11. McMurray W. Optimum snubbers for power semiconductors // IEEE IAS transactions. 1972. Vol. I. No. 5. Р. 593-600.
12. McMurray W. Selection of snubbers and clamps to optimize the design of transistor switching converters // IEEE IAS transactions. 1980. Vol. I. No. 4. Р. 513-523.
13. Johansen J.K. Characterization of high power IGBT's with sinewave current // IEEE Transactions on Industry Applications. 1994. Vol. 30. No. 5. P. 1142-1147.
14. Zhang Yi., Sobhani S., Chokhawala R. Snubber considerations for IGBT applications, international rectifier designer's manual // IGBT-3. TPAP-5. 1995. P. 135-144.
15. Любимов А.В., Иванов Е.А., Коровин Г.В., Королев А.Н. Плоский трансформатор. Патент №176671 РФ. 2018. Бюл. № 3.
Поступила в редакцию 20.12.2019 г.; после доработки 20.12.2019 г.; принята к публикации 30.06.2020 г.
Иванов Евгений Андреевич - аспирант Института микроприборов и систем управления имени Л.Н. Преснухина Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), j [email protected]
Якунин Алексей Николаевич - доктор технических наук, профессор Института микроприборов и систем управления имени Л.Н. Преснухина Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
References
1. Leits I.L. Prospects for the development of printed circuit boards and microassemblies. «What was -what will be». Tekhnologii v elektronnoj promyshlennosti = Technologies in the electronics industry. 2011, no. 7, pp. 40-42. (in Russian).
2. Haka K., Kartashev E. LFC technology for the production of ceramic substrates for the automotive industry. Komponenty i tekhnologii = Components and technologies, 2007, no. 5, pp. 170-172. (in Russian).
3. Glubokov А.А., Bondar D.B., Shelkovnikov B.N. Broadband transformers for integrated circuits in LTCC technology. Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoj apparature = Technology and design in electronic equipment, 2006, no. 3, pp. 26-31. (in Russian).
4. Khodzhaev V.D., Egorov K.V, Alekseev VA., Bugrov E.V, Marin V.P. Technology for manufacturing ceramic thermally loaded printed circuit boards based on LTCC. Perspektivnye tekhnologii v sredstvah peredachi informacii =Advanced technologies in the means of information transmission, 2017, pp. 208-210. (in Russian).
5. Khrolenko T.S., Torgash T.N., Yakovlev A.N., Pertsel Ya.M. Multilayer GIS boards made using LTCC technology using thin films. Tekhnika radiosvyazi = Radio communication technology, 2017, no. 1, pp. 79-91. (in Russian).
6. Zhdankin V Radiation-resistant hybrid-film DC / DC converters - standard components of spacecraft power supply systems. Apparatnye sredstva = Hardware, 2012, no. 1, pp. 26-41(in Russian).
7. Ivanov E.A. Method for reduction of the value of the switched tension voltage in the power keys of the power supplies. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika = Nano- and microsystems technology, 2017, vol. 19, no. 11, pp. 694-698. (in Russian).
8. Egorov A.P., Ogurtsova S.G. Soft-transfer power factor corrector with integrated two-key converter with zero voltage transfer. Prakticheskaya silovaya elektronika = Practical power electronics, 2017, no. 2, pp. 38-43. (in Russian).
9. Ivanov E.A., Yakunin A.N. Algorithm for switching power switches of flyback power supplies in a quasi-resonant mode with low energy losses. Materials of the scientific-practical conference «Actual problems of informatization in science and education - 2018». Moscow, MIET, 2018, pp. 48-54. (in Russian).
10. Antonov A.A., Karpovich M.S., Pichugin I.V, Vasiliev V.Yu. Development and verification of an integrated microcircuit of a driver for «soft» switching of power switches for powerful power supplies. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika = Nano- and microsystems technology, 2015, no. 9, pp. 57-64. (in Russian).
11. McMurray W. Optimum snubbers for power semiconductors. IEEE IAS transactions, 1972, vol. I, no. 5, pp. 593-600.
12. McMurray. W. Selection of snubbers and clamps to optimize the design of transistor switching converters. IEEE IAS transactions,1980, vol. I, no. 4, pp. 513-523.
13. Johansen J.K. Characterization of high power IGBT's with sinewave current. IEEE transactions on industry applications, 1994, vol. 30, no. 5, pp. 1142-1147.
14. Zhang Yi., Sobhani S., Chokhawala R. Snubber considerations for IGBT applications, international rectifier designer's manual. IGBT-3.- TPAP-5,1995, pp. 135-144.
15. Lyubimov A.V., Ivanov E.A., Korovin G.V, Korolev A.N. Flat transformer. Patent №176671 RF. 2018. (in Russian).
Received 20.12.2019; Revised 20.12.2019; Accepted 30.06.2020. Information about the authors:
Evgeniy A. Ivanov - PhD student of the Institute of Microdevices and Control Systems, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Alexey N. Yakunin - Dr. Sci.(Eng.), Prof. of the Institute of Microdevices and Control Systems, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
