DC/DC-преобразователи для работы в условиях высоких температур и жестких вибраций

Введение

Электронные устройства, предназначенные для подземных работ, в особенности для добычи нефти, часто подвергаются воздействию высоких температур. Значение этих температур зависит от трения, возникающего во время работы, глубины бурения и геологических особенностей исследуемого месторождения. Как правило, оно превышает 150°C, зачастую достигая 200°C и выше. На сегодняшний день лишь немногие электронные компоненты, имеющиеся в продаже, предназначены для работы при таких высоких температурах. Некоторые технологии производства электронных компонентов способны обеспечить надежную работу за пределами рекомендуемых значений, которые указаны в справочных данных. Однако использовать компоненты в таких режимах не рекомендуется. В результате в настоящее время очень малое число производителей способны предложить DC/DC-преобразователи, предназначенные для работы при температурах выше 125ºC, не говоря уж о температурах более 175ºC.

DC/DC-преобразователи серии HTA компании International Rectifier с выходной мощностью до 20 Вт надежно функционируют в диапазоне температур –35…185°C. Они могут работать как в одноканальном, так и в двухканальном режиме. Преобразователи серии HTA являются первыми в своем роде устройствами, обладающими простотой интеграции и взаимодействия с другими узлами системы. Они предназначены для работы при высоких температурах в диапазоне входного напряжения от 150 до 250 В пост. тока. Гальваническая развязка между входом и выходом обеспечивает надежную защиту нагрузки при аварийных режимах на питающей стороне и дает возможность последовательного включения преобразователей для повышения выходного напряжения.

Благодаря функциональности и встроенной защите от помех преобразователи семейства HTA легко применимы для построения сложных систем. Они могут являться как основными источниками питания, так и звеном в многозвенной цепи преобразователей. Область использования таких преобразователей весьма широка. В нее входят бурение нефтяных скважин, исследования сейсмической активности, контроль авиационных двигателей и другие места, где возникает необходимость работы при температурах до 185°C.

Через несколько лет интенсивного развития техники и технологического процесса преобразователи серии HTA не только будут обладать высокой надежностью и простотой, но и послужат основой при разработке и создании преобразователей, предназначенных для работы при еще более высоких температурах. На рисунке 1 представлена фотография DC/DC-преобразователя серии HTA без верхней крышки.

 

Основные особенности преобразователей НТА

Основными преимуществами серии HTA являются малые размеры и вес устройств, высокая устойчивость к внешним воздействиям, таким как большие рабочие температуры, сильные удары и вибрация. Все компоненты преобразователя тщательно подобраны для работы в тяжелых условиях. Результаты всех проводимых испытаний, в том числе электрических и тепловых, предоставляются компанией International Rectifier и являются общедоступными.

Приведем основные параметры и особенности устройств серии HTA:

• диапазон входного напряжения — 150…250 В пост. тока;
• выходная мощность — до 20 Вт;
• возможность работы в одноканальном и двухканальном режимах с номинальными выходными напряжениями 3,3; 5; 12 и 15 В; ±5; ±12 и ±15 В;
• встроенный сетевой фильтр для защиты от излучения помех;
• возможность последовательного включения нескольких блоков для получения более высоких выходных напряжений и мощности;
• наличие точных обратных связей для обеспечения надежной работы в экстремальных условиях;
• КПД — до 76%;
• диапазон рабочих температур –35…185°C;
• наличие гальванической развязки (500 В) для защиты нагрузки при аварии в питающей сети;
• встроенная защита от перенапряжений;
• наличие входов внешней синхронизации;
• защита от короткого замыкания и сверхтоков;
• возможность регулирования выходного напряжения;
• дистанционное слежение за ошибками при работе;
• возможность дистанционного включения/выключения преобразователя;
• вес — менее 70 г;
• компактность — размеры 100×38×11 мм (Д×Ш×В).

 

Топология схемы

Структурная схема преобразователя, работающего в двухканальном режиме, показана на рисунке 2. Схема построена на основе топологии преобразователей серии AFL компании International Rectifier, которые неоднократно доказывали свою надежность. Преобразователи серии AFL уже более десяти лет являются одними из наиболее часто используемых в военной, космической и других областях, где предъявляются самые жесткие требования к надежности. Улучшение схемы и применение новых электронных компонентов позволили расширить диапазон рабочих температур преобразователя. Сравнение основных характеристик устройств серии HTA и AFL представлено в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение основных характеристик серий HTA и AFL

	Серия HTA	Серия AFL
Входное напряжение, В	150…250	28…270
Выходная мощность, Вт	До 20	До 120
Количество каналов	2	1
Выходные напряжения, В	3,3; 5; 12; 15; ±5; ±12; ±15	3,3; 5; 7; 8; 9; 12; 15; 28
КПД, %	До 76	До 87
Рабочие температуры, °C	–35…185	–55…125
Частота переключения, кГц	550	550
Гальваническая развязка	500 В, 100 МОм	500 В, 100 МОм
Помехоподавляющий фильтр	Есть	Нет
Магнитно-сцепленная обратная связь	Есть	Нет
Защита при коротких замыканиях и перегрузках	Есть	Есть

Устройства серии HTA выполнены на основе прямоходового преобразователя с резонансным сбросом, в котором два полевых транзистора включаются последовательно для обеспечения работоспособности при высоких значениях входного напряжения. Номинальная частота переключения транзисторов составляет 500 кГц. Для уменьшения размеров устройства и числа компонентов в схеме используется ШИМ-контроллер, разработанный специалистами компании International Rectifier, в который входят специализированные интегральные микросхемы.

Потенциальная развязка входа и выходов преобразователя и стабилизация выходного напряжения достигаются за счет использования магнитно-сцепленной обратной связи. Слежение за выходным напряжением и ограничение коэффициента заполнения обеспечивает защиту от перенапряжений на выходе устройства при сбоях в контуре регулирования. Схемное решение преобразователей предусматривает наличие входного LC-фильтра для подавления помех, излучаемых в питающую сеть. Размах пульсаций входного тока не превышает 15 мА.

На вторичной стороне трансформатора, участвующего в процессе передачи энергии, находятся 2 изолированные друг от друга обмотки, к которым подключены традиционные схемы выпрямления. Каждый канал схемы имеет индивидуальные фильтры низких частот для снижения высокочастотных пульсаций и шумов. Контур обратной связи по выходному напряжению включен только в канал положительного напряжения. Корректная стабилизация напряжения в «отрицательном» канале напряжения осуществляется тогда, когда нагрузка обоих каналов сбалансирована. При одноканальном режиме работы задействованными оказываются только одна вторичная обмотка трансформатора, выпрямитель и выходной фильтр.

Преобразователь поддерживает также дополнительные функции, такие как частотная синхронизация для работы с несколькими преобразователями, дистанционное слежение за выходным напряжением в одноканальном режиме, высокоточная стабилизация выходного напряжения и включение источника по внешнему сигналу.

 

Конструктив

Одна из причин высокой надежности преобразователей серии HTA заключается в особенностях конструкции. Толстая гибридная пленка, герметично накрывающая сборку, обеспечивает минимально возможное тепловое сопротивление перехода. Особая структура гибридной сборки обеспечивает наикратчайший путь для оттока тепла от электронных компонентов к теплоотводу (см. рис. 3). Таким образом, благодаря использованию материалов с высокими значениями теплопроводности, достигаются наилучшие тепловые характеристики.

Алюминиево-кремниевый корпус, состоящий из основания и боковых стенок, представляет собой несущий каркас. Материал корпуса выбран исходя из его высоких показателей теплопроводности и механической прочности.

Сборка начинается с крепления электронных компонентов на печатной плате пайкой припоем. Трансформатор и другие магнитные элементы крепятся на основание при помощи теплопроводящего клея. Внешние выводы устройства соединяются с платой проводами. Затем сборка проверяется. Особенно важные компоненты помещаются в силиконовый наполнитель с целью увеличения устойчивости к механическим воздействиям. После выполнения перечисленных операций сборку закрывают крышкой и снова проводят тестирование.

 

Основные преимущества преобразователей HTA

Проверенное схемотехническое решение, грамотный подбор электронных компонентов, гибридная сборка и выбор наиболее подходящих связующих материалов являются основными причинами долгого срока службы преобразователей семейства HTA, а также их надежности. Они обладают следующими преимуществами:

• стабильность характеристик устройств в условиях высоких температур при работе на номинальной мощности;
• возможность продолжительной работы при напряжениях питания до 250 В и кратковременной — при напряжениях до 300 В;
• оптимальная форма корпуса обеспечивает эффективный отвод тепла;
• низкий уровень шумов и помех позволяет успешно использовать устройство в собственных разработках;
• долгий срок службы в условиях сильных вибраций и высоких температур.

 

Проверка изделия на соответствие техническим условиям

DC/DC-преобразователи серии HTA уже доступны на рынке. Они прошли все необходимые квалификационные испытания, порядок которых описан ниже. Более подробная информация публикуется на сайте компании IR.

Примеры тестов и рабочие характеристики

На этапе тестирования устройств компании IR были выбраны пять преобразователей семейства HTA для проведения различных электрических тестов с целью определения разброса их параметров и отклонения реальных значений от представленных в спецификации. Все устройства тестировались в критических электрических и тепловых условиях. В таблице 2 проведено сравнение наихудших параметров, полученных при испытаниях, со справочными данными. Несмотря на то, что параметры «плавают» с изменением температуры (см. рис. 5, 6), все они остаются в допустимом спецификацией диапазоне.

Таблица 2. Результаты испытаний

Параметр	Температура, °C	Значения по спецификации	Наихудшие показатели при испытаниях
			–35°C	25°C	185°C
Выходное напряжение, В	–35	4,850…5,150	5,017
	25	4,950…5,050		5,018
	185	4,850…5,150			5,067
Ток потребления без нагрузки, мА	–35	20	7,325
	25	20		6,965
	185	30			22,995
Пульсации напряжения в нагрузке/шум, мВ рр	–35	50	11,73
	25	50		9,67
	185	24			7,57
КПД, %	–35	73	76,0
	25	75		77,4
	185	70			71,5
Частота переключения, кГц	–35…185	500…650	543,34	542,09	528,04

 

Планы развития

Помимо описанных устройств, ведутся разработки преобразователей для работы в условиях высоких температур мощностью 45 и 90 Вт, а также преобразователей с диапазоном входных напряжений до 400 В.

Кроме того, разрабатываются устройства с допустимым температурным режимом до 210°C. Для получения более подробной информации о новых разработках свяжитесь со специалистами компании IR.

 

Заключение

После многих лет проектирования и конструирования специалисты компании IR успешно решили поставленные задачи в области проектирования и развития DC/DC-преобразователей для чрезвычайно сложных условий. Устройства серии HTA позволяют сократить стоимость разработки и упростить интеграцию источника питания в конечное устройство.

Условием успешной разработки являются точное понимание характеристик используемых компонентов, продуманный выбор материалов, использование проверенной топологии схемы и качественное производство. Стоит ожидать, что эти правила будут взяты за основу во время разработок более сложных устройств, работающих при еще более высоких температурах.