Високонадійні компоненти компанії GAIA CONVERTER

У статті розглядаються фільтри перешкод і DC/DC-перетворювачі компанії Gaia Converter.

В. Котигорошко

У статті розглянуто основні технічні характеристики та конструктивні особливості високонадійних (Hi-rel) фільтрів перешкод, модулів обмеження викидів напруги та DC/DC-перетворювачів, які випускає компанія Gaia Converter (Франція). Ці компоненти виробник рекомендує для застосування в різних галузях : апаратурі для цивільної та військової авіації, наземної й морської військової техніки, промисловому обладнанні, медичній техніці, засобах зв’язку, залізничному транспорті тощо, розрахованих на експлуатацію в жорстких умовах навколишнього середовища.

Джерела живлення для таких застосувань мають відповідати специфічним вимогам міжнародних і національних галузевих стандартів, що визначають рівень випромінюваних електромагнітних перешкод, наявність додаткових функцій, порядок проведення випробувань на стійкість до впливу складних умов експлуатації тощо. У стандартах також зазначаються рівні вхідних напруг у різних режимах роботи, параметри перехідних процесів, амплітуда перешкод на вході, тривалість інтервалів зниження вхідної напруги до нуля тощо.

У реальних умовах в електричних колах електротехнічного обладнання можуть виникати різні види перевантажень. Найчастіше під час експлуатації спостерігаються перенапруги, спричинені електромагнітними імпульсами природного (грозові розряди) або штучного походження (випромінювання радіопередавальних антен, високовольтних ліній електропередач, залізничних електромереж тощо). Крім того, перенапруги можуть виникати через перехідні процеси під час роботи обладнання, наприклад, при комутації індуктивних навантажень або під дією електростатичних розрядів.

Короткочасні електричні перешкоди з’являються внаслідок раптового викиду попередньо накопиченої електромагнітної енергії у фізичних об’єктах, зокрема під час природних явищ — наприклад, грозових розрядів (блискавки). Такі перешкоди можуть виникати під час роботи електронних і електромеханічних пристроїв (електродвигунів, генераторів тощо), а також бути спричинені зовнішніми електромагнітними імпульсами або електростатичними розрядами.

Вплив електромагнітних імпульсів будь-якого походження на електронні компоненти призводить до зміни їхніх параметрів як через безпосереднє поглинання енергії, так і внаслідок дії індукованих у колах обладнання імпульсів напруги та струму.

Пристрої захисту від перенапруг запобігають проходженню імпульсів струму через захищуваний пристрій шляхом замикання на загальний провід. Вони також обмежують напругу до значень, сумісних із характеристиками під’єднаних пристроїв.

Міжнародні стандарти

У результаті численних досліджень і вимірювань були визначені орієнтовні параметри тестових імпульсів, які відповідають характеристикам імпульсів перенапруги, що виникають унаслідок перехідних процесів під час експлуатації електротехнічного обладнання. У відповідних міжнародних і національних стандартах (наприклад, EN50155, EN61000-4-5, HN-46-R01, EN60255 тощо), а також у стандартах для військового обладнання (MIL-STD-1245, MIL-STD-704, DO-160D/E тощо) наведено параметри тестових імпульсів і характеристики мереж живлення, що використовуються для випробувань на стійкість до короткочасних імпульсів напруги. Продукція компанії Gaia Converter відповідає рекомендаціям низки міжнародних і європейських стандартів, застосовуваних в оборонній, авіаційній і залізничній промисловості.

Неповний перелік основних стандартів, на які посилається технічна документація Gaia Converter:

• MIL-STD-883 — «Методи, засоби керування і процедури для тестування мікроелектронних пристроїв, придатних для використання у військових і аерокосмічних електронних системах».
• DO-160 — «Умови навколишнього середовища і методика випробувань авіаційного обладнання».
• MIL-STD-704 — «Параметри джерел живлення літальних апаратів».
• EN2282 — «Параметри джерел живлення повітряних суден».
• MIL-STD-810 і MIL-STD-202 — «Методики кліматичних випробувань обладнання».
• MIL-STD-1275 — «Характеристики систем енергопостачання постійного струму номінальною напругою 28 В, що використовуються на військовому транспорті».
• DEF-STAN-61-5-6-6 — «Низьковольтна система електроживлення. Частина 6. Електричні системи постійного струму 28 В у військових транспортних засобах».
• EN61000-4-5 — «Електромагнітна сумісність. Частина 4-5. Методи випробувань та вимірювань. Випробування на стійкість до викиду напруги».
• HN-46-R01 — «Загальні керівні вказівки з проєктування й виготовлення контрольного, захисного та телекомунікаційного обладнання для електричних мереж».
• EN50155 — «Електронне обладнання, що застосовується на залізницях для рухомого складу».

Деякі з чинних стандартів в Україні:

• ДСТУ EN 50082-1 — «Електромагнітна сумісність. Загальний стандарт на несприйнятливість. Частина. Побут, торгівля та легка промисловість».
• ДСТУ EN 50121-4 — «Залізничний транспорт. Електромагнітна сумісність. Частина. Емісія та несприйнятливість сигнальної й телекомунікаційної апаратури».
• ДСТУ EN 50121-5 — «Залізничний транспорт. Електромагнітна сумісність. Частина. Емісія завад і несприйнятливість стаціонарних установок електроживлення та апаратури».

Варіант структури фільтра перешкод

Варіант типової принципової електричної схеми, використання якої дає змогу захистити DC/DC-перетворювачі від небажаного впливу викидів напруги, наведено на рис. 1. Залежно від рівня вхідної напруги компанія Gaia Converter рекомендує використовувати компоненти фільтра з різними параметрами (табл. 1).

Таблиця 1. Орієнтовні параметри елементів фільтра перешкод для різних напруг

У цій схемі для обмеження імпульсів напруги використовуються TVS-діоди (Transient Voltage Suppression). Під час дії імпульсу перенапруги TVS-діод обмежує викид напруги до безпечного рівня, пропускаючи струм через діод на загальний провід, минаючи захищуваний пристрій.

У нормальному стані TVS-діод є розімкненим колом із незначним струмом витоку. Якщо імпульсна напруга перевищує порогове значення, струм перехідного процесу протікає через TVS-діод, а розсіювана потужність обмежується максимально допустимою температурою кристала. TVS-діоди спеціально розроблені для захисту від потужних короткочасних імпульсів перенапруги, що й відображено в їхній назві — transient voltage suppression diode.

Фільтр перешкод FGDS-12A-100V

Встановлювані, як правило, на вході DC/DC-перетворювачів фільтри електромагнітних перешкод (Electro Magnetic Interference — EMI) типу FGDS-12A-100V розраховані на вихідний струм до 12 А і вхідну напругу до 100 В .

До основних параметрів EMI-фільтрів належить відповідність їх характеристик вимогам стандартів для апаратури військового призначення:

• MIL-STD-461D/E/F

• DO-160-C/D/E/F та інші.

Мінімальна робоча температура становить -40 °C, максимальна температура корпусу — 105 °C. За окремим замовленням постачаються фільтри (з суфіксом «Т» у позначенні) з мінімальною робочою температурою -55 °C.

Типова схема підключення фільтра на вході DC/DC-перетворювача наведена на рис. 2. Основні параметри EMI-фільтра FGDS-12A-100V наведені в таблиці 2.

Під час визначення температури корпусу слід враховувати, що тепловий опір корпус — навколишнє середовище при природній конвекції становить 17 °C/Вт, а розсіювана потужність обчислюється за виразом:
P = RI²,
де R — максимальний еквівалентний послідовний опір фільтра.

Таблиця 2. Основні параметри EMI-фільтра FGDS-12A-100V

Завдяки високій робочій напрузі (100 В) фільтр FGDS-12A-100V відповідає вимогам стандартів MIL-STD-704A/D/E/F (викиди напруги до 80 В/100 мс) і MIL-STD-1275 (100 В/50 мс). Фільтри виготовляються в герметичному металевому корпусі розмірами 32.7×26.2×8.2 мм і масою 25 г.

Фільтр FGDS-12A-100V містить пристрій обмеження пускового струму. Хоча фільтрація перешкод здійснюється лише пасивними компонентами, для обмеження струму застосовується МОП-транзистор. Тому при зміні полярності підключення фільтра обмеження амплітуди струму не відбувається, хоча фільтр залишається працездатним.

Модулі обмеження викидів напруги LGDS-100/300

Щоб відповідати вимогам міжнародних і регіональних стандартів, компанія Gaia Converter пропонує використовувати DC/DC-перетворювачі разом із власними модулями придушення перенапруг, що виникають під час перехідних процесів.

Вхідні модулі типу LGDS-100/300 встановлюються безпосередньо перед DC/DC-перетворювачами та забезпечують захист від короткочасних викидів напруги й фільтрацію електромагнітних перешкод. Основні параметри модулів LGDS-100/300 наведено в таблиці 3. Алгоритм роботи показано на рис. 3.

Для захисту ланцюгів електронних пристроїв від впливу перенапруг можуть використовуватися різні методи захисту. Одним з ефективних схемотехнічних способів захисту електротехнічного обладнання від впливу викидів напруги є застосування TVS-діодів. Часова діаграма, що ілюструє обмеження викиду напруги з використанням TVS-діода, наведена на рис. 4 .

Для захисту від неправильної полярності підключення можна використовувати або стандартну схему з послідовно включеним напівпровідниковим діодом, або варіант з МОП-транзистором як “діода” (рис. 5). Режими роботи та передавальні характеристики модулів LGDS-100/300 наведені на рис. 6.

Таблиця 3. Основні параметри модулів LGDS-100/300

Модулі LGDS-100 витримують імпульси напруги з амплітудою до 202 В і тривалістю до 350 мс або 101 В/400 мс , а модулі LGDS-300 — викиди з параметрами 100 В/50 мс або 80 В/100 мс . Такі характеристики відповідають вимогам ряду міжнародних стандартів.

Для захисту від високовольтних імпульсів тривалістю до 70 мкс компанія рекомендує застосовувати додаткові фільтри типу FGDS або фільтр перешкод, реалізований із використанням пасивних електронних компонентів.

Для відповідності стандартам DEF-STAN 59-411 і DEF-STAN 61-5 (Велика Британія) на вході модуля LGDS-100 компанія Gaia Converter пропонує встановлювати фільтр перешкод, схема якого наведена на рис. 7 .

Параметри елементів цього фільтра подано в таблиці 4, а перелік стандартів, яким відповідають модулі LGDS-100/300, — у таблиці 5.

У стандартах визначаються граничні значення робочої напруги та параметри імпульсів перенапруги на вхідних силових клемах обладнання, підключеного до системи електроживлення. На рис. 8 подано структурну схему формування тестового імпульсу перенапруги та його параметри згідно зі стандартом DO-160E (E = 600 В, Ri = 50 Ом) .

Таблиця 4. Орієнтовні параметри елементів фільтра перешкод, що забезпечують виконання рекомендацій стандарту DEF-STAN 59-411 та DEF-STAN 61-5

 Таблиця 5. Перелік стандартів, яким відповідають модулі LGDS-100/300

DC/DC-перетворювачі

Компанія Gaia Converter також випускає численні модифікації DC/DC-перетворювачів, що відрізняються рівнем вихідної потужності, діапазоном вхідних напруг та іншими параметрами.

Розглянемо характеристики (табл. 6) високонадійних (Hi-rel) DC/DC-перетворювачів, орієнтованих на експлуатацію в жорстких умовах навколишнього середовища. Це апаратура для цивільної та військової авіації, наземної та морської військової техніки, промислового обладнання, систем зв’язку тощо .

Вироби для високонадійних застосувань проходять відбір відповідно до стандарту MIL-STD-883C і відрізняються, головним чином, параметрами надійності та підтвердженими протоколами випробувань.

Переваги застосування DC/DC-перетворювачів Gaia Converter

Використання DC/DC-перетворювачів із розширеним діапазоном вхідних напруг суттєво спрощує розробку вхідних ланцюгів захисту від небажаних впливів перехідних процесів і дозволяє відмовитися від додаткових заходів захисту від кидків напруги.

Ізольовані DC/DC-перетворювачі компанії Gaia Converter забезпечують ККД понад 90%, випускаються в металевих герметизованих корпусах і можуть працювати в широкому діапазоні температур від -55 до +105 °C.

Відсутність оптичної розв’язки у DC/DC-перетворювачах значно підвищує їхню надійність. Пристрої містять спеціалізовані схеми захисту та синхронізації, стабілізують вихідну напругу в усьому діапазоні навантажень — від нуля до повної потужності, мають можливість регулювання вихідної напруги, а також дистанційного вмикання і вимикання.

Крім того, передбачено плавний запуск, захист від зниженого вхідного напруження, перевищення вихідного струму, перегріву, а також вбудований фільтр електромагнітних завад.

DC/DC-перетворювач MGDS-155 (Hi-rel)

Високонадійні ізольовані DC/DC-перетворювачі MGDS-155 номінальною потужністю 150 Вт виготовляються в алюмінієвому корпусі й орієнтовані на використання в системах із розподіленою архітектурою електроживлення, де вхідна напруга змінюється в широкому діапазоні від 16 до 80 В.

Перетворювачі MGDS-155 витримують кидки напруги амплітудою до 100 В і тривалістю до 0,1 с. Основні характеристики модифікацій MGDS-155 наведено в таблицях 7 і 8.

Структуру DC/DC-перетворювача MGDS-155 показано на рис. 9. Його відмінні особливості — підвищений рівень вхідної напруги та можливість синхронізації імпульсного перетворювача від зовнішнього сигналу.

Також передбачена можливість дистанційного вмикання/вимикання. Для підвищення вихідної напруги допускається послідовне з’єднання виходів перетворювачів.

Таблиця 6. Параметри деяких ізольованих DC/DC-перетворювачів компанії Gaia Converter

Таблиця 7. Основні параметри DC/DC-перетворювачів MGDS-155 (Hi-rel)

Таблиця 8. Модифікації DC/DC-перетворювачів MGDS (Hi-rel) потужністю 155 Вт

Системи захисту DC/DC-перетворювача MGDS-155

У DC/DC-перетворювачі MGDS-155 передбачено такі системи захисту:

• від зниження вхідної напруги нижче допустимого рівня (Undervoltage Lock-Out — UVLO);

• від перевищення вихідної напруги (Output Overvoltage Protection — OVP);

• від перевантаження за струмом (Output Current Limitation Protection — OCP);

• від перегріву (Over Temperature Protection — OTP).

Значення теплових опорів DC/DC-перетворювача MGDS-155 за різних умов тепловідведення наведено в таблиці 9.

У разі короткого замикання на виході обмеження струму реалізується за допомогою пульсуючого режиму роботи (hiccup), у якому перетворювач періодично перевіряє наявність перевантаження.
Коли перевантаження зникає, пристрій автоматично переходить у нормальний режим роботи.

У режимі hiccup середній струм споживання становить 25% від номінального.
Захист від перегріву спрацьовує, коли температура корпусу досягає 120 ± 5 °C, а повернення до нормального режиму відбувається при зниженні температури на 10 °C.

Таблиця 9. Значення теплових опорів DC/DC-перетворювача MGDS-155 (Hi-rel) за різних умов тепловідведення

Регулювання вихідної напруги

У перетворювачах MGDS-155 передбачена можливість регулювання вихідної напруги за допомогою зовнішнього резистора, який підключається до виводу Vtrim.

Продукція класу Hi-Rel компанії Gaia Converter проходить відбір згідно зі стандартами MIL-STD-810/202 та іншими .
Перелік і умови проведення деяких кліматичних випробувань DC/DC-перетворювачів типу MGDS-155 наведено в таблиці 10 .
Зміни параметрів навколишнього середовища під час тестування відповідно до стандарту MIL-STD-810E (метод 507.3) наведені в таблиці 11.
Графічні залежності відносної вологості та температури від часу випробувань показано на рис. 10 .

Таблиця 10. Перелік і умови проведення деяких кліматичних випробувань DC/DC-перетворювачів типу MGDS-155

Термоудар

Ці випробування проводяться для визначення стійкості виробів до впливу екстремальних температур — як високих, так і низьких — а також до різких температурних перепадів (теплових ударів), наприклад, під час переміщення обладнання або компонентів.

Таблиця 11. Зміна параметрів навколишнього середовища під час випробувань за стандартом MIL-STD-810E (метод 507.3)

Зміни робочих характеристик і фізичні пошкодження виробу, спричинені тепловим ударом, є результатом, головним чином, трансформації розмірів або інших фізичних властивостей. Наслідки теплового удару включають:

• Тріскання та розшарування зовнішнього покриття;

• Тріскання та руйнування герметизуючих компаундів, термостійких ущільнювачів та інших матеріалів;

• Зміни електричних характеристик через механічне зміщення або розрив провідників чи ізолюючих матеріалів.

У стандарті MIL-STD-202G (метод 107G) передбачено проведення випробувань на вплив теплового удару як у повітряній, так і у рідинній середовищах. Останній метод більш жорсткий і під час його проведення можуть пошкодитися деякі компоненти, які не руйнуються при випробуваннях у повітряній середовищі. Крім того, цей метод призначений для використання лише з герметизованими виробами.

Неізольований DC/DC-преобразувач MPGS-14A

Неізольований DC/DC-преобразувач MPGS-14A з максимальним вихідним струмом 14 А орієнтований на застосування як локалізовані до навантаження (Point of Load – PoL) понижуючі імпульсні стабілізатори напруги у системах із розподіленою архітектурою живлення. У таких системах зазвичай використовується один перетворювач із гальванічною розв’язкою та кілька малогабаритних неізольованих POL-модулів.

• Вхідна напруга: 4,75…33 В (допускаються викиди напруги амплітудою до 42 В та тривалістю до 0,1 с).

• Вихідна напруга: регулюється в діапазоні від 1,2 до 24 В.

• Габаритні розміри: 27,4 × 19,2 × 15,3 мм.

Основні характеристики MPGS-14A наведено в табл. 12. В перетворювачі передбачено:

• Захист від зниження вхідної напруги нижче допустимого рівня (UVLO);

• Захист від перевантаження по струму (OCP);

• Захист від перегріву (OTP).

Таблиця 12. Основні параметри модифікацій неізольованих перетворювачів MPGS-14A (Hi-rel)

ВИСНОВОК

При проектуванні систем електроживлення високонадійної апаратури доводиться вирішувати різні технічні завдання, серед яких забезпечення електромагнітної сумісності, стійкості до перенапруг, вібрацій та впливу екстремальних температур. Продукція компанії Gaia Converter характеризується широкими функціональними можливостями, виготовляється з урахуванням жорстких вимог до параметрів та якості виробів, що дозволяє створювати надійні системи електроживлення.

Hi-Rel-компоненти компанії Gaia Converter відповідають рекомендаціям стандартів DO-160, MIL-STD-704/810 та ін. Завдяки високій надійності вони застосовуються у військовій та цивільній авіації, військовій техніці (безпілотних літальних апаратах, обладнанні кораблів військово-морського флоту тощо), на транспорті, в промисловому обладнанні (приладах гідролокації, нафтогазовидобувному обладнанні тощо). На завершення на рис. 11 наведено варіант структури джерела живлення постійного струму, створеного на базі компонентів компанії Gaia Converter. Джерело містить вхідний фільтр перешкод FGDS-12A-100V, модуль обмеження викидів напруги LGDS-100, модуль захисту від провалів вхідної напруги HUGD-300 та ізольований DC/DC-перетворювач. Хоча в більшості випадків використання одного фільтра перешкод FGDS-12A-100V цілком достатньо для відповідності рекомендаціям стандартів MIL-STD-461 та DO-160, можна підключити другий фільтр для досягнення більшого придушення перешкод .

Приклад розшифровки позначення перетворювачів серії MGDS-155 наведено на рис. 12. Компанія Gaia Converter випускає також DC/DC-перетворювачі серії MGDS-155-S з збільшеною вхідною напругою до 155…480 В.