CC BY
77Новая серия высокотемпературных модулей DC/DC серии МДМ-ВТ
для применения в специальной аппаратуре Группы компаний «Александер Электрик»
Александр ГОНЧАРОВ, к. т. н.
Владимир САВЕНКОВ, к. т. н.
alexdon@vmail.ru
Для применения в особо тяжелых условиях эксплуатации, когда температура окружающей среды достигает +50—60 °С и радиаторы, используемые для охлаждения модулей питания, работают с перепадом температур всего 25—35 °С, инженеры группы компаний «Александер Электрик» разработали серию модулей с допустимой рабочей температурой корпуса +125 °С. По сравнению с предшественниками, этим модулям при эксплуатации достаточны теплоотводы со значительно меньшей эффективной площадью. Одновременно новые модули получили такие дополнительные функции, как параллельная работа с выравниванием выходных токов, возможность использования внешней обратной связи по выходному напряжению, а также регулировка выходного напряжения.
Возможность работы с дополнительными теплоотводами малой площади или вообще без дополнительных теплоотводов в широком диапазоне температур окружающей среды делает эти модули перспективными для использования в самых разнообразных приборах. В качестве одного из основных применений модулей можно прогнозировать в устройствах, где требуются надежность и малые габариты. Это, например, распределенные системы электропитания [1] с локальными БС/БС-преобразователями, размещенными на печатных платах рядом с нагрузкой.
Высокотемпературные модули электропитания серии МДМ-ВТ [2] созданы на основе ранее разработанной серии МДМ с исполь-
зованием типового ряда линейки корпусов и аналогичного размещения выводов, что немаловажно для потребителей, уже использующих модули серии МДМ. По сравнению с предыдущей серией мощность модулей в тех же габаритах возросла примерно в 1,2-5 раз. Мощностной ряд представлен модулями от 3 до 1000 Вт (табл. 1).
По соотношению массогабаритных и функциональных показателей серия МДМ-ВТ выгодно отличается от предыдущей серии МДМ: удельная мощность модулей достигает 1320 Вт/дм3. Все устройства этой серии имеют дополнительную функцию регулировки выходного напряжения, а функции параллельной работы и внешней обратной связи
получили модули МДМ60-ВТ, МДМ80-ВТ, МДМ120-ВТ, МДМ160-ВТ, МДМ320-ВТ, МДМ400-ВТ, МДМ1000-ВТ.
Как и модули серии МДМ, новые приборы имеют фильтры радиочастотных помех на входе и выходе, гальваническую развязку 500 В между входом, выходом и корпусом для модулей с входной сетью А.. .Д, и 1500 В для модулей с входной сетью Н, Р, М, а также полный комплекс защиты — от перегрузки, короткого замыкания, перегрева, превышения выходного напряжения (все механизмы защиты предусматривают автоматическое восстановление после снятия воздействия). Удобно также, что модули снабжены функцией дистанционного включения-выключения. Технические характеристики высокотемпературных модулей питания МДМ-ВТ приведены в таблице 2.
Конструкция модулей представляет собой тонкостенный алюминиевый корпус, внутри которого размещена печатная плата с элементами поверхностного монтажа, залитая компаундом с теплопроводящим наполнителем. В аппаратуре модули могут устанавливаться на радиатор охлаждения или на печатную плату. Для различных вариантов установки модули могут изготавливаться в двух типах корпусов — штампованном или усиленном фрезерованном с фланцами. В корпусах для крепления предусмотрены резьбовые втулки или отверстия во фланцах. Габаритные чертежи модуля МДМ160-ВТ в двух
Таблица 1. Основные параметры модулей МДМ-ВТ
Наименование Мощность, Вт ивх, В ивых, В I А 'вых.макс» Кол-во выходных каналов Габаритные размеры, мм Масса, г
МДМЗ-ВТ(У) 3 1 1,2 30x20x10 (40x20x10) 25 (30)
МДМ5-ВТ(У) 5 1 1,2 30x20x10 (40x20x10) 25 (30)
МДМ7-ВТ(У) 7 1,4 1,2 40x30x10 (50x30x10) 25 (30)
МДМ7,5-ВТ(У) 7,5 1,5 1,2,3 48x33x10 (58x33x10) 40 (45)
МДМ10-ВТ(У) 10 2 1,2,3 48x33x10 (58x33x10) 40 (45)
МДМ15-ВТ(У) 15 10,5...15 3 1,2 58x40x10 (68x40x10) 60 (65)
МДМ20-ВТ(У) 20 17...36 3,3; 5; 4 1,2 58x40x10 (68x40x10) 60 (65)
МДМЗО-ВТ(У) 30 36.75 6; 9; 12; 15; 24; 27 6 1,2 73x53x13 (85x53x13) 100 (110)
МДМ40-ВТ(У) 40 8 1,2 73x53x13 (85x53x13) 100 (110)
МДМ60-ВТ(У) 60 (3.68) 12 1 95x68x13 (107x68x13) 160 (175)
МДМ80-ВТ(У) 80 16 1 95x68x13 (107x68x13) 160 (175)
МДМ120-ВТ(У) 120 20 1 110x84x13 (122x84x13) 240 (250)
МДМ160-ВТ(У) 160 30 1 110x84x13 (122x84x13) 240 (250)
МДМ320-ВТ(У) 320 82-154 30 1 110x84x13 (122x84x13) 240(250)
МДМ400-ВТ(У) 400 130-185 30 1 110x84x13 (122x84x13) 240(250)
МДМ1000-ВТ(У) 1000 175-350 40 1 168x122x12,85 500
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 9 '2005
-е-
Рис. 1. Габаритные чертежи модуля МДМ160-ВТ
исполнениях корпуса изображены на рис. 1. Со стороны выводов модуль защищает металлизированная пластина, припаянная к корпусу и служащая одновременно экраном от помех электромагнитного поля.
Рассмотрим задачи отвода тепла, обеспечения параллельной работы, электромагнит-
ной совместимости и надежности, решение которых необходимо для успешной эксплуатации модулей.
Отвод тепла. Упрощение проблемы отвода тепла — одно из основных преимуществ высокотемпературных модулей. В широком диапазоне температур модули могут быть ис-
Таблица 2. Технические характеристики высокотемпературных модулей питания МДМ-ВТ
Входные характеристики
Диапазон входного напряжения/переходное отклонение (1 сек.) А - 12 В Б - 24 В В - 27 В Г - 27 В Д - 60 В Н - 110 В Р - 160 В М - 230 В 10,5-15 В/10,5-16,8 В 21-30 В/21-33,6 В 17-36 В/17-80 В 17-36 В/17-40 В 36-72 В/36-84 В 82-154 В/82-170,5 В 130-185 В/130-224 В 175-350 В/175-400 В
Выходные характеристики
Установившееся отклонение выходного напряжения • для одноканального и двухканального ивхмин,,,ивхмакс> 0’1|ном"-|ном ±2% выход 1 ±6% выход 2
• для трехканального и двухканального с отличием напряжении каналов >20%, иехмин-Цхмаш Мном-Лом ±2% выход 1 ±12% выходы 2, 3
Суммарная нестабильность выходного напряжения • для одноканального и двухканального ивхмин...ивхмакс, 0,11ном-1ном, Тмин-Тмакс ±6% выход 1 ±10% выход 2
• для трехканального и двухканального с отличием напряжении каналов >20%, и„мин...и„макс, 0,31ном-1ном ±6% выход 1 ±14% выходы 2, 3
Размах пульсаций (пик-пик) <2% ивых.ном.
Защита от короткого замыкания >130% 1вых.ном., авт. восстановление
Уровень срабатывания защиты от перенапряжения >120% ивых.ном.
Уровень срабатывания тепловой защиты >125-140 °С
Дистанционное вкл./выкл. Выкл.: 0...1,1В или соединение выводов Вкл. и -Вх
Общие характеристики
Температура | - рабочая и хранения -60 °С-+125 °С
КПД 80% тип.
Частота преобразования 100-130 кГц тип.
Прочность изоляции • напряжение вх/вых, вх/корп, вых / корп ~500 В
• сопротивление @ 500 В пост.тока 20 МОм
Стойкость к внешним воздействующим факторам • повышенная влажность 100% @ 35°С
• циклическое изменение температуры -60 °С-+125 °С
• многократные механические удары 150 д 5-10 мс
• однократный механический удар 1000 д 0,5-2 мс
• синусоидальная вибрация (устойчивость) 2-2000 Гц 20 д
• синусоидальная вибрация (прочность) 20-2000 Гц 23 д
Наработка на отказ >1 млн.час.@+35°С/30 тыс.час.@+125°С
Охлаждение естественная конвекция или радиатор
Материал корпуса металл
Рис. 2. Модуль с теплоотводом
пользованы без радиатора при работе на номинальной мощности или при ее незначительном уменьшении. Типовое расположение модуля и радиатора, а также процесс теплопередачи схематично изображены на рис. 2.
Для расчета тепловых режимов прежде всего необходимо определить мощность потерь Рп:
Рп = Рвых(1/-П - IX (1)
Выходная мощность, Р/Рном
Рис. 3. График зависимости КПД модуля от нагрузки
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 9 ’2005
где Рвых — мощность, потребляемая нагрузкой, п — КПД. Так как в таблице 2 приведен только типовой КПД модуля, при расчетах КПД для каждого типа модуля должен быть уточнен по графикам из рис. 3.
Необходимая эффективная площадь радиатора 8 определяется по формуле:
- £
окр
*кр), (2)
где а = 0,001 - 0,003 Вт/см2°С — коэффициент теплоотдачи,
<ктах = 125 °С — температура корпуса,
<окр — температура окружающей среды,
<кр — разность температур из-за наличия зазора между радиатором и модулем. При заполнении зазора теплопроводящей пастой <4, * 2-3 °С.
По формуле (2) для каждого модуля с поверхностью охлаждения 5 = 2аЬ + 2к(а + Ь), где а — ширина, Ь — длина, к — высота согласно данным, приведенным в таблице 1 (учитывается полная поверхность модуля), может быть определена температура окружающей среды, при которой модуль работает без использования дополнительного теплоотвода и снижения номинальной мощности, а также рассчитана площадь радиатора для заданной температуры эксплуатации.
В качестве примера приведем расчет выходной мощности от температуры для модуля МДМ-ВТ мощностью 5 Вт на напряжение 5 В, площадь поверхности которого для охлаждения равна 22 см2. Для расчетов примем а = 0,0013: такой коэффициент теплоотдачи давно применяется разработчиками и соответствует значению 25 см2/Вт при разности температур корпуса модуля и окружающей среды, равной 30 °С [3].
Как показали расчеты, площадь поверхности позволяет использовать модуль при номинальной мощности до температуры 78 °С
1. 5 = 2аЬ+2к(а+Ь) = 2х3х2+2х1х(2+3) = 22 см2;
2. Рп = Рвых(1/П - 1) = 5х(1/0,79 - 1) = 1,33 Вт;
3. Д< = Рп/ах5 = 1,33/0,0013х22 = 47 °С,
где Д < = <ктах - <окр;
4. <0кр = <ктах- Д< = 125 - 47 = 78 °С.
При экспериментальной проверке расчетов в камере тепла при < = 78 °С, измеренная
-ос
-вых
+ВХ -вых
Пар. раб.
-вх +ОС
+ВЫХ
+ВЫХ
-ОС
-вых
+ВХ -ВЫХ
Пар. раб.
-ВХ +ОС
+ВЫХ
+ВЫХ
г
\
[К
т
Рис. 5. Схема параллельного включения модулей МДМ-ВТ
температура корпуса модуля не превышала допустимой величины.
Параллельная работа модулей в системе электропитания используется для повышения надежности системы путем резервирования. Другой причиной может служить необходимость увеличения мощности и уменьшение типоно-миналов составляющих ее модулей. Для этой цели предусмотрены дополнительные функции параллельной работы, обеспечивающие принудительное выравнивание токов между модулями. Модули (до четырех штук) объединяются с помощью дополнительных соединений по выводу «Параллельная работа», управляющие сигналы которых служат для выравнивания выходных токов модулей. Выводы «Обратная связь», подключаемые к клеммам нагрузки, служат для компенсации падения напряжения в выходных соединительных проводах, что особенно важно для разветвленных систем электропитания. Схема параллельного включения показана на рис. 5.
При процентном резервировании по (N+1) обязательно включение диодов УО1...УО4, а также дистанционная и местная сигнализация о неисправном модуле.
Надежность является основным критерием, определяющим выбор модулей питания. В модулях МДМ-ВТ исключены элементы с плохим временем наработки на отказ, от-
рицательно влияющие на надежность: вместо танталовых использованы керамические конденсаторы, оптическая развязка сигналов обратной связи заменена на трансформаторную. На рис. 6 приведена зависимость времени наработки на отказ модулей МДМ-ВТ от температуры корпуса. Расчетная наработка на отказ при температуре корпуса 35 °С составляет не менее 1 млн часов, для 125 °С соответственно 30 тыс. часов.
Модули серии МДМ-ВТ уже серийно выпускаются, а также со II квартала 2005 г. в соответствии с ГОСТ В 29110-91 начата поставка опытных образцов с приемкой «5» в рамках ОКР «Разработка унифицированных 1-, 2-, 3-канальных модулей электропитания мощностью 5-200 Вт с гальванически развязанными выходными каналами, с напряжением развязки вход-выход и между каналами 500 В, с высокими удельными характеристиками». ■
Литература
1. Лукин А. В. Распределенные системы электропитания // Электронные компоненты. 1997. № 7.
2. Каталог Группы компаний «Александер Электрик» на диске — 2005.
3. Гончаров А. Ю. Российское производство конверторных модулей электропитания. Электроника и компоненты. 1997. № 3.
Температура окружающей среды 1окр, °С
Рис. 4. График снижения мощности
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 9 ’2005
