ВИСОКОНАДІЙНІ ІЗОЛЬОВАНІ МОДУЛЬНІ DC/DC-ПЕРЕТВОРЮВАЧІ КОМПАНІЇ GAIA CONVERTER

Вступ

Використання стандартних DC/DC– та AC/DC-перетворювачів, а також інших додаткових модулів (фільтрів завад, коректорів потужності тощо) дозволяє створювати різноманітні блоки живлення на базі модульної архітектури.

Концепція побудови універсальних блоків живлення на базі модульної архітектури значною мірою спрощує процес розробки складних блоків живлення для різних застосувань.

Призначення модульних ізольованих DC/DC-перетворювачів

Модульні ізольовані DC/DС-перетворювачі призначені для експлуатації в жорстких умовах навколишнього середовища. Це апаратура для цивільної та військової авіації, наземної й морської військової техніки, а також промислове обладнання, медична техніка, системи зв’язку тощо .

Висока надійність виробів досягається завдяки прийнятим схемотехнічним, технологічним і конструктивним рішенням, автоматизації процесів складання та контролю якості виконання кожної операції, а також тестуванню й відбору виробів.

У статті розглядаються DC/DC-перетворювачі, що випускаються компанією Gaia Converter (Франція).

Продукція компанії Gaia Converter – це модифікації DC/DC- та AC/DC-перетворювачів, які відрізняються рівнем вихідної потужності, а також вхідними модулями різного призначення.

Багато відомих компаній використовують DC/DC-перетворювачі компанії Gaia Converter у своїх виробах. Це Airbus, Boeing, Bombardier та інші – у цивільній авіації й аерокосмічній сфері; у військовій авіації – F-16 Falcon, F/A-22 Raptor, F-35 JSF, AWACS; у танках – Leclerc і Leopard. Вироби компанії Gaіa Converter застосовуються також у торпедах і безпілотних літальних апаратах, кораблях військово-морського флоту, на транспорті тощо.

Вимоги до джерел живлення військової техніки

До джерел живлення для військової техніки висуваються жорсткі вимоги. Це захист від зникнення до нуля та стрибків вхідної напруги, що виникають під час перехідних процесів, захист від електромагнітного випромінювання, а також висока надійність під час експлуатації в жорстких умовах навколишнього середовища тощо.

Тому більшість джерел живлення розроблено з урахуванням цих та інших специфічних вимог.

Таблиця 1. Параметри DC/DC-перетворювачів компанії Gaіa Converter

Промислове застосування DC/DC-перетворювачів

DC/DC-перетворювачі компанії широко використовуються також у промисловій сфері. Це обладнання електропостачання, системи контролю навколишнього середовища та сейсмоактивності, пристрої гідролокації, нафтогазовидобувне обладнання та багато іншого.

Вироби поділяються на дві категорії – для промислових і високонадійних застосувань, відповідно мають позначення Industrial (I) і Hi-rel (M) Grade (табл. 1).

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

DC/DC-перетворювачі компанії Gaia Converter відзначаються широким діапазоном вхідних напруг — від 4.5 до 480 В — і мають один або кілька незалежних виходів (каналів).

Вхідні модулі мають вбудовані функції захисту від перехідних процесів, містять фільтри електромагнітних завад, а також забезпечують захист від провалів вхідної напруги.

Високонадійні (Hi-rel) ізольовані DC/DC-перетворювачі MGDS-100 номінальною потужністю 100 Вт виготовляються в металевому корпусі й призначені для застосування в системах із розподіленою архітектурою електроживлення, у яких вхідна напруга змінюється в широкому діапазоні значень (від 10.7 до 100 В).

Основні характеристики модифікацій перетворювачів MGDS-100 і MGDSI-100 наведені в таблицях 2 та 3.

Таблиця 2. Модифікації DC/DC-перетворювачів MGDSI (Industrial) потужністю 100 Вт

Таблиця 3. Модифікації DC/DC-перетворювачів MGDS (Hi-rel) потужністю 100 Вт

Відмінні особливості цих перетворювачів — підвищений рівень вхідної напруги, а також можливість синхронізації імпульсного перетворювача від зовнішнього сигналу.

Крім того, передбачена можливість дистанційного вмикання/вимикання. Для збільшення вихідної напруги допускається послідовне з’єднання виходів перетворювачів (рис. 1).

Системи захисту

Передбачено захист від зниження вхідної напруги нижче допустимого рівня (Undervoltage Lock-Out – UVLO) і перевищення його (Overvoltage Lock-Out – OVLO) (рис. 2), а також захист від перевантаження за струмом (Output Current Limitation Protection – OCP) і перегріву (Over Temperature Protection – OTP).

Обмеження струму відбувається у разі збільшення вихідного струму на 30% від максимального значення для даної модифікації перетворювача. Для зменшення вихідного струму вихідна напруга знижується на 25%. Нижче цього порога перетворювач переходить у «пульсуючий» режим роботи (hiccup), тобто здійснюється періодична перевірка наявності перевантаження, і пристрій автоматично повертається до нормального режиму роботи після зняття перевантаження за струмом (рис. 3).

Захист від перегріву

Пристрій захисту від перегріву спрацьовує, і перетворювач вимикається при досягненні температури корпусу 115 ± 5.75 °C. Вмикання перетворювача відбувається при зниженні температури на 10 °C (рис. 4).

Наявність функції «м’якого» старту дозволяє обмежити рівень вхідного та вихідного струму під час увімкнення перетворювачів.

Основні параметри DC/DC-перетворювачів MGDS-100 і MGDSI-100 наведено в табл. 4, а параметри їхньої надійності — у табл. 5.

Таблиця 4. Основні параметри DC/DC-перетворювачів MGDS-100

Регулювання вихідної напруги

У DC/DC-перетворювачах передбачено можливість регулювання вихідної напруги за допомогою зовнішнього резистора, який підключається до спеціально передбачених виводів.

Залежність ККД від вхідної напруги та потужності в навантаженні наведена на рис. 5.

Високонадійні (Hi-rel) ізольовані DC/DC-перетворювачі MGDD-60 номінальною потужністю 60 Вт можуть експлуатуватися при вхідній напрузі 12…160 В.
Допускається короткочасне (до 1 с) зниження вхідної напруги до рівня 10.5 В.

Структура перетворювача MGDD-60 наведена на рис. 6, а його основні технічні характеристики — у табл. 6.

 Таблиця 5. Параметри надійності DC/DC-перетворювачів MGDS-100

MGDD-60

Високонадійні (Hi-rel) ізольовані DC/DC-перетворювачі MGDD-60 номінальною потужністю 60 Вт можуть експлуатуватися при вхідній напрузі 12…160 В.
Допускається короткочасне (до 1 с) зниження вхідної напруги до рівня 10.5 В.

Структура перетворювача MGDD-60 наведена на рис. 6, а його основні технічні характеристики — у табл. 6.

Основні параметри модифікацій DC/DC-перетворювачів потужністю 60 Вт подано у табл. 7, а їх параметри надійності — у табл. 8.

Перетворювачі MGDD-60 мають два виходи з можливістю синхронізації від зовнішнього сигналу.
Передбачено також дистанційне вмикання/вимикання.

Для збільшення вихідної напруги допускається послідовне з’єднання виходів перетворювачів MGDD-60,
а для підвищення вихідної потужності — паралельне з’єднання.

Діапазони вихідних напруг при послідовному та паралельному з’єднанні виходів наведено в табл. 9.

У перетворювачах MGDD-60 передбачено вбудований LC-фільтр, призначений для фільтрації вхідної напруги та забезпечення електромагнітної сумісності.

Для збільшення ємності цього фільтра за рахунок підключення зовнішнього конденсатора передбачено додатковий вивід.
Рекомендується використовувати керамічні конденсатори з низьким значенням еквівалентного послідовного опору (ESR) ємністю 2.2–10 мкФ на відповідну номінальну напругу.

У перетворювачах передбачено захист від зниження вхідної напруги (UVLO) нижче допустимого рівня, перенапруги на виході (Output Overvoltage Protection – OVP), перевантаження за струмом (OCP) та перегріву (OTP).
Наявність функції «м’якого» пуску дозволяє обмежити рівень вхідного та вихідного струму під час увімкнення перетворювачів.

Напруга спрацювання пристрою захисту від зниження вхідної напруги може регулюватися за допомогою зовнішнього резистора, який підключається до входу UVLO.
За відсутності резистора поріг спрацювання становить 10,5 В.
Пристрій захисту від перенапруги на виході обмежує зростання напруги перетворювача на рівні 130±10 % від номінального значення.

Таблиця 6. Основні параметри перетворювачів MGDD-60 (Hi-rel)

Таблиця 7. Модифікації DC/DC-перетворювачів MGDD-60 (Hi-rel) потужністю 60 Вт

Пристрій захисту від перегріву спрацьовує, і перетворювач вимикається при досягненні температури корпусу 125 ± 6,25 °C (гістерезис – 10 °C).
Вимикання перетворювача відбувається також у разі збільшення вихідного струму більш ніж на 5 % від максимального номінального значення для даної модифікації.
У цьому випадку перетворювач переходить у режим Hiccup і періодично перевіряє наявність перевантаження за струмом.
За її відсутності перетворювач автоматично переходить у нормальний режим роботи (рис. 7).
У режимі Hiccup середній споживаний струм становить 25 % від номінального.

Таблиця 8. Параметри надійності DC/DC-перетворювачів MGDD-60 (Hi-rel)

Таблиця 9. Значення вихідних напруг при послідовному та паралельному з’єднанні виходів DC/DC-перетворювачів MGDD-60 (Hi-rel)

У перетворювачах MGDD-60 передбачена можливість регулювання вихідної напруги за допомогою зовнішнього резистора, який підключається до виводу (Vtrim).

У петлю зворотного зв’язку (рис. 6), за допомогою якої здійснюється регулювання вихідної напруги, включено первинний вихід (V01/G01).
Щоб забезпечити правильну роботу перетворювача при незбалансованому навантаженні, потужність споживання за цим виходом повинна бути не менше 6 Вт.
Вторинний вихід (V02/G02) може залишатися незавантаженим.
Мінімальне навантаження може бути відсутнім, якщо два виходи підключено паралельно або збалансовано.

Тепловий розрахунок

Нижня межа діапазону робочих температур перетворювачів MGDD-60/100 становить –40 °C.
За окремим замовленням можливе постачання перетворювачів для експлуатації при температурі –55 °C.
Верхня межа залежить від умов тепловідведення від корпусу.
Можна використовувати кілька варіантів відведення тепла:
– природну конвекцію без застосування радіатора;
– примусовий відвід тепла потоком повітря (з радіатором або без нього).

Теплопередача

Теплопередача – це фізичний процес передачі теплової енергії від більш нагрітого тіла до менш нагрітого, або безпосередньо (при контакті), або через роздільну перегородку з певного матеріалу.

Основна мета теплового розрахунку полягає у прогнозуванні (оцінці) ступеня нагрівання DC/DC-перетворювач а під час експлуатації з метою недопущення перевищення максимально допустимої температури.

Теплова енергія передається із зони з високою температурою в зону з нижчою температурою трьома основними механізмами:
• теплове випромінювання, тобто електромагнітне випромінювання
• теплопровідність, тобто передача тепла через тверде середовище (наприклад, через теплообмінник, виконаний у вигляді алюмінієвого радіатора)
• конвекція, тобто передача тепла через текучу середу (зазвичай повітря).

Усі ці механізми теплопередачі тією чи іншою мірою присутні завжди.

Теплове випромінювання

Теплове випромінювання – це передача тепла за допомогою електромагнітного випромінювання, головним чином у інфрачервоному діапазоні. Випромінювання є єдиним способом передачі тепла між тілами, розділеними вакуумом.

На ефективність випромінювання впливають багато факторів – це різниця температур, площа та випромінювальна здатність поверхні. Наприклад, радіатор, виконаний з чорного анодованого алюмінію та з максимальною площею поверхні для даного об’єму, можна ефективно використовувати для теплового випромінювання.

Однак у більшості випадків для потужних перетворювачів на теплове випромінювання припадає не більше 5 % загальної теплопередачі.

Ефект теплового випромінювання краще використовувати як “запас міцності” в тепловому розрахунку, оскільки його внесок у загальну теплопередачу незначний, його важко кількісно визначити, а для ефективності випромінювання потрібна велика площа поверхні радіатора.

Теплопровідність

Теплопровідність – основний і найважливіший механізм теплопередачі. В електричному ланцюзі аналогом теплового потоку є струм.

Процес передачі тепла є функцією теплових опорів і градієнта температури. Найпростіша еквівалентна модель передачі тепла наведена на рис. 8.

Для відведення тепла повсюдно використовуються різноманітні радіатори, які характеризуються тепловим опором. Одиниця вимірювання – °C/Вт.

Багато виробників радіаторів у технічній документації наводять значення теплового опору. Як приклад, на рис. 9 подано параметри радіаторів типу SK DC 5 59 SA і SK DC 5 1 59 SA компанії Fisher Elektronik . На рис. 10 показані можливі варіанти відведення тепла від корпусу перетворювача.

Для ефективної передачі тепла та мінімізації теплового опору між провідними середовищами, тобто між корпусом перетворювача та радіатором, надзвичайно важливо забезпечити тісний контакт.

Тепловий опір нерухомого повітря може бути приблизно в 5000 разів вищим, ніж у алюмінію. Поверхні площею 25 см² при повітряному зазорі 0.254 мм мають тепловий опір 3.5 °C/Вт. Це надто багато для ефективного відведення тепла.

Під час монтажу радіатора на корпус перетворювача необхідно мінімізувати сумарний тепловий опір, що, як правило, досягається використанням спеціальних термопрокладок. Оптимальний тиск становить 1…7 кг/см², а поверхня повинна бути рівною та гладкою.

Тепловий опір (Rth) однорідної провідної термопрокладки можна визначити з простого виразу:

Rth = L / (K × A),

де
Rth – тепловий опір (°C/Вт),
L – довжина або ширина (мм),
A – площа поперечного перерізу (мм²),
K – теплопровідність матеріалу (Вт/мм °C).

Природна або примусова конвекція – це передача тепла через навколишнє текуче середовище (зазвичай повітря). Ефективність цього механізму теплопередачі залежить від багатьох факторів і є досить складною для розрахунку. Необхідно враховувати площу поверхні, градієнт температури, теплопровідність, швидкість руху та густину середовища, а також низку інших факторів.

Природну (вільну) конвекцію реалізувати легше, ніж примусову. Однак її недолік полягає у неможливості досягнення низького теплового опору. При природній конвекції швидкість руху повітря визначається локальним нагріванням повітря на поверхні радіатора. Густина повітря при нагріванні зменшується, що викликає його підйом і, відповідно, переміщення шарів повітря.

Ефективність природної конвекції знижується на великих висотах через зменшення густини повітря. Для тепловідведення при конвекції обов’язковим є переміщення повітря. «Обмежене у своєму поширенні повітря» не забезпечує ефективного охолодження.

Зазвичай це трапляється з DC/DC-перетворювачами, встановленими без теплового контакту, тобто в закритому об’ємі (корпусі).

Для забезпечення ефективного тепловідведення при природній конвекції необхідно дотримуватися простих рекомендацій:
• встановлювати радіатори так, щоб максимальна довжина поверхонь (ребер) була у вертикальній площині;
• розташовувати радіатор так, щоб повітря могло підніматися вгору;
• забезпечити вентиляцію корпусу для природної конвекції;
• враховувати, що зменшення відстані між ребрами радіатора знижує ефективність відведення тепла.

Через складність точного розрахунку параметрів теплопередачі з урахуванням лише природної конвекції виробники DC/DC-перетворювачів і радіаторів визначають характеристики теплового опору, зумовлені як механізмом теплопровідності, так і природною конвекцією.

Примусова конвекція передбачає використання вентиляторів для збільшення швидкості руху повітря через теплообмінник. Тепловий опір радіатор–повітря може бути зменшений до 10 разів порівняно з природною конвекцією.

Зазвичай цей механізм тепловідведення застосовують при високій температурі навколишнього середовища, великих потужностях або за обмеженого простору. Вентилятори створюють шум, а в запиленому середовищі необхідно використовувати фільтри, які у разі несвоєчасної заміни можуть стати причиною виходу вентилятора з ладу.

Швидкість потоку повітря вентилятора зазвичай подається в одиницях LFM (Linear Feet per Minute). Продуктивність вентилятора – це об’єм повітря у кубічних футах за хвилину (Cubic Feet per Minute – CFM).

Між цими одиницями існує просте співвідношення:

LFM = CFM / S,

де S – площа поперечного перерізу, через яке проходить потік повітря.

Продуктивність вентилятора 400 футів/хв (2 м/с) забезпечує значне поліпшення теплопередачі за рахунок конвекції. Потік повітря зі швидкістю понад 1000 футів/хв не дає суттєвого покращення теплообміну.

Для максимальної теплопередачі при примусовій конвекції слід враховувати такі рекомендації:
• компоненти з малою потужністю розсіювання розташовують вище;
• відстань між ребрами радіатора можна зменшити порівняно з конструкцією для природної конвекції;
• потік повітря необхідно спрямовувати в проміжки між ребрами радіатора.

Через складність розрахунку теплопередачі з урахуванням лише примусового повітряного охолодження доцільно користуватися даними про тепловий опір, наданими виробниками радіаторів.

У цьому разі подаються або графіки залежності теплового опору від швидкості повітряного потоку, або залежності приросту температури від розсіюваної потужності для різних швидкостей повітря.

Модель еквівалентного ланцюга теплопередачі для DC/DC-перетворювача показано на рис. 11.

Співвідношення між перегрівом (ΔT), тепловим опором (Rth) і розсіюваною потужністю (Pdiss) визначається виразом:

Rth = ΔT / Pdiss.

Ця модель використовується для визначення перегріву корпусу перетворювача (тобто перевищення температури корпусу над температурою навколишнього середовища) залежно від розсіюваної потужності перетворювача та теплового опору корпус–навколишнє середовище.

У використаній тепловій моделі є аналогії з параметрами електричного кола: перегрів (ΔT) відповідає напрузі (V), тепловий опір (Rth) – електричному опору (R).

Тепловий опір корпус–навколишнє середовище Rth(b–a) істотно змінюється залежно від механізму теплопередачі. Для перетворювачів типу MGDD-60 тепловий опір Rth(b–a) варіюється у широких межах – від 1.13 до 6.5 °C/Вт (табл. 10) , оскільки він залежить від способу охолодження (примусова чи природна конвекція, із застосуванням радіатора або без нього).

У більшості випадків тепловий опір корпус–навколишнє середовище є сумою теплових опорів еквівалентного ланцюга теплопередачі від корпусу до навколишнього середовища.

При наявності радіатора та термопрокладки величина Rth(b–a) визначається з виразу:

Rth(b–a) = Rth(b–m) + Rth(m–h) + Rth(h–a),

де
Rth(b–a) – тепловий опір корпус–навколишнє середовище (°C/Вт),
Rth(b–m) – тепловий опір корпус–термопрокладка (°C/Вт),
Rth(m–h) – тепловий опір термопрокладка–радіатор (°C/Вт),
Rth(h–a) – тепловий опір радіатор–навколишнє середовище (°C/Вт).

Зазвичай у процесі тепловідведення задіяні всі механізми. Тепловий опір в еквівалентній моделі є мірою здатності відводити тепло від корпусу перетворювача.

Чим вища теплопровідність – тим нижчий тепловий опір і, відповідно, менший перегрів корпусу.

Зі збільшенням висоти над рівнем моря в розрахунки теплопередачі необхідно вносити поправки, що враховують зміни у всіх механізмах теплопередачі – випромінюванні, теплопровідності та конвекції.

У поправках враховується зниження густини повітря, зумовлене нижчим атмосферним тиском на великих висотах, а також низка інших факторів.

У таблиці 11 наведено поправкові коефіцієнти залежно від висоти об’єкта над рівнем моря.

Теплове випромінювання – передача тепла за допомогою електромагнітного випромінювання, головним чином в інфрачервоному діапазоні. Випромінювання є єдиним засобом передачі тепла між тілами, розділеними вакуумом.

На ефективність випромінювання впливають численні фактори – різниця температур, площа поверхні та її випромінювальна здатність. Наприклад, радіатор, виготовлений із чорного анодованого алюмінію з максимальною площею поверхні для даного об’єму, може ефективно використовуватися для теплового випромінювання.

Однак у більшості випадків для потужних перетворювачів на теплове випромінювання припадає не більше ніж 5 % від загальної теплопередачі.

Ефект теплового випромінювання доцільно враховувати як «запас міцності» у тепловому розрахунку, оскільки його внесок у загальну теплопередачу незначний, кількісно його важко визначити, а для ефективного випромінювання потрібна велика площа поверхні радіатора.

 Теплопровідність

Теплопровідність – основний і найважливіший механізм теплопередачі.
В електричному колі аналогом теплового потоку є електричний струм.

Процес перенесення тепла є функцією теплових опорів і градієнта температури.
Найпростіша еквівалентна модель перенесення тепла наведена на рис. 8.

Для відведення тепла широко застосовуються різноманітні радіатори, які характеризуються тепловим опором (одиниця вимірювання – °C/Вт).

Багато виробників радіаторів у своїй технічній документації наводять значення теплового опору.
Як приклад, на рис. 9 показано параметри радіаторів типу SK DC 5 59 SA і SK DC 5 1 59 SA компанії Fisher Elektronik .

На рис. 10 наведено можливі варіанти відведення тепла від корпусу перетворювача.

Для ефективної передачі тепла і мінімізації теплового опору між кондуктивними середовищами, тобто між корпусом перетворювача та радіатором, надзвичайно важливо забезпечити щільний контакт.

Тепловий опір нерухомого повітря може бути приблизно у 5000 разів вищим, ніж у алюмінію.

Поверхні площею 25 см² при повітряному зазорі 0,254 мм мають тепловий опір 3,5 °C/Вт, що є занадто великим для ефективного тепловідведення.

Під час монтажу радіатора на корпус перетворювача слід мінімізувати сумарний тепловий опір, що зазвичай досягається застосуванням спеціальних термопрокладок.
Оптимальний тиск притискання становить 1…7 кг/см², а поверхні повинні бути рівними та гладкими.

Тепловий опір (Rth) однорідної провідної термопрокладки можна визначити за простим виразом:

Rth = L / (K × A),

де
Rth – тепловий опір (°C/Вт),
L – довжина або товщина (мм),
A – площа поперечного перерізу (мм²),
K – теплопровідність матеріалу (Вт/мм °C).

Конвекція

Природна або примусова конвекція – це передача тепла через навколишнє текуче середовище (зазвичай повітря).
Ефективність цього механізму теплопередачі залежить від багатьох чинників і є досить складною для точного розрахунку.

Необхідно враховувати площу поверхні, градієнт температури, теплопровідність, швидкість руху й густину середовища, а також інші фактори.

Природну (вільну) конвекцію реалізувати легше, ніж примусову, проте її недолік полягає у неможливості отримання низького теплового опору.

При природній конвекції швидкість повітря визначається локальним нагріванням повітря на поверхні радіатора.
Густина нагрітого повітря зменшується, що спричиняє його підйом і переміщення шарів.

Ефективність природної конвекції знижується на великих висотах через зменшення густини повітря.
Для ефективного тепловідведення при конвекції обов’язковим є рух повітря.

«Повітря, обмежене у своєму поширенні», не забезпечить позитивного результату.
Зазвичай це спостерігається у DC/DC-перетворювачів, встановлених без теплового контакту, тобто в закритому об’ємі (корпусі).

Рекомендації щодо природної конвекції

Для ефективного тепловідведення при природній конвекції необхідно:
• встановлювати радіатори так, щоб максимальна довжина поверхонь (ребер) була у вертикальній площині;
• розташовувати радіатор так, щоб повітря піднімалося вгору;
• забезпечити вентиляцію корпусу для природної конвекції;
• враховувати, що зменшення відстані між ребрами радіатора знижує ефективність тепловідведення.

Через складність точного розрахунку параметрів теплопередачі лише для природної конвекції виробники DC/DC-перетворювачів і радіаторів наводять характеристики теплового опору, що враховують як механізм теплопровідності, так і природну конвекцію.

Примусова конвекція

Примусова конвекція передбачає використання вентиляторів для збільшення швидкості руху повітря через теплообмінник.

Тепловий опір система радіатор–повітря може бути зменшений у 10 разів порівняно з природною конвекцією.

Зазвичай цей метод застосовують при високій температурі навколишнього середовища, великих потужностях або обмеженому просторі.

Вентилятори створюють шум, а в запиленому середовищі потрібні фільтри, які при несвоєчасній заміні можуть стати причиною виходу вентилятора з ладу.

Швидкість повітряного потоку вентилятора зазвичай наводиться в LFM (Linear Feet per Minute).
Продуктивність вентилятора – це об’єм повітря в кубічних футах за хвилину (CFM).

Між цими одиницями існує просте співвідношення:

LFM = CFM / S,

де
S – площа поперечного перерізу, через яку проходить повітряний потік.

Продуктивність вентилятора 400 футів/хв (≈ 2 м/с) суттєво покращує теплопередачу за рахунок конвекції.
Зі збільшенням швидкості понад 1000 футів/хв ефективність теплообміну зростає незначно.

2.5.8 Рекомендації для примусової конвекції

Для максимальної ефективності теплопередачі при використанні примусової конвекції необхідно:
• розміщувати компоненти з малою потужністю розсіювання вище;
• зменшити відстань між ребрами радіатора порівняно з конструкцією для природної конвекції;
• спрямовувати повітряний потік у проміжки між ребрами радіатора.

Через складність розрахунку теплопередачі з урахуванням лише примусового повітряного охолодження найкраще використовувати дані про тепловий опір, надані виробниками радіаторів. У цьому випадку наводяться або графіки залежності теплового опору від швидкості потоку повітря, або залежності підвищення температури від розсіюваної потужності для різних швидкостей повітря.

Модель еквівалентної сумарної ланцюгової теплопередачі для DC/DC-преобразовувача показана на Рис. 11. Взаємозв’язок між перегрівом (ΔT), тепловим опором (Rth) та розсіюваною потужністю (Pdiss) визначається наступним виразом:

Rth = DT/Pdiss.

Ця модель використовується для визначення перегріву корпусу перетворювача (тобто перевищення температури корпусу над температурою навколишнього середовища) залежно від розсіюваної потужності перетворювача та теплового опору корпус–середовище. У використаній тепловій моделі є аналогії з параметрами електричного ланцюга: перегрів (ΔT) — це напруга (V), тепловий опір (Rth) — електричний опір (R).

Тепловий опір корпус–середовище Rth (b-a) суттєво відрізняється залежно від механізму теплопередачі. Тепловий опір Rth (b-a) перетворювача типу MGDD-60 варіюється у широких межах — від 1,13 до 6,5 °C/Вт (Табл. 10) , оскільки залежить від способу охолодження: примусова або природна конвекція, використання радіатора або без нього тощо. У більшості випадків тепловий опір корпус–середовище є сумою теплових опорів еквівалентної ланцюгової моделі від корпусу до навколишнього середовища. При наявності радіатора та термопрокладки Rth (b-a) визначається з наступного виразу:

Rth(b−a)=Rth(b−m)+Rth(m−h)+Rth(h−a),

де:

Rth (b-a) — тепловий опір корпус–середовище (°C/Вт),

Rth (b-m) — тепловий опір корпус–термопрокладка (°C/Вт),

Rth (m-h) — тепловий опір термопрокладка–радіатор (°C/Вт),

Rth (h-a) — тепловий опір радіатор–середовище (°C/Вт).

У процесі відведення тепла задіяні всі механізми теплопередачі. Тепловий опір у еквівалентній моделі є мірою здатності відводити тепло від корпусу перетворювача. Більша теплопровідність — це менший тепловий опір і, відповідно, менший перегрів корпусу.

Зі збільшенням висоти над рівнем моря в розрахунки теплопередачі доводиться вносити поправки, що враховують зміни у всіх механізмах теплопередачі: випромінюванні, теплопровідності та конвекції. У поправках враховується зниження щільності повітря через менший тиск на великій висоті, а також низка інших факторів. У Табл. 11 наведено поправочні коефіцієнти залежно від висоти об’єкта над рівнем моря.

Поперевод теплового опору та перегрів

Таблиця 10. Значення теплових опорів для DC/DC-преобразовувача MGDD-60 (Hi-rel) за різних умов теплоотведення

Перегрів корпусу перетворювача визначається з виразу:

ΔT=Pout​(η1​−1)×Rth(b−a), 

де η — ККД.

При вихідній потужності 60 Вт, ККД 90% і природній конвекції для перетворювача MGDD-60 перегрів становить:

• 43,3 °C — без радіатора,

• 26,8 °C — з радіатором,

Для визначення ККД (Рис. 12) і максимально допустимої температури корпусу (Рис. 13) слід використовувати дані з Data Sheet .

Таблиця 11. Поправочні коефіцієнти залежно від висоти об’єкта над рівнем моря

Електромагнітна сумісність

Щоб не перевищувати рекомендовані військовими стандартами США MIL-STD-461C/D/E (зокрема CE102 і CE03) рівні випромінюваних перешкод, разом з DC/DC-преобразовувачами серії MGDD-60 спеціалісти компанії Gaia Converter пропонують використовувати модуль фільтра електромагнітних перешкод типу FGDS (Рис. 14)

Для військових наземних транспортних засобів Міністерством оборони США (Department of Defense – DOD) рекомендується використовувати стандарт MIL-STD-1275Е , який регламентує характеристики систем живлення постійного струму з номінальною напругою 28 В.
Стандарт визначає граничні значення робочої напруги та параметри імпульсів перенапруг на вході обладнання, підключеного до розподіленої системи живлення військових платформ. Короткочасні імпульси перенапруг виникають через викид попередньо запасеної електромагнітної енергії в реактивне навантаження або в процесі роботи різних електромеханічних пристроїв (електродвигуни, генератори тощо).

У останній редакції стандарту MIL-STD-1275E розширено вимоги щодо стійкості до короткочасних викидів напруги. Енергія імпульсів тривалістю до 1 мс збільшена з 15 мДж до 2 Дж.
Запропонована фахівцями Gaіa Converter схема підключення DC/DC-преобразовувачів серії MGDD-60 (Рис. 16) забезпечує працездатність при впливі викидів напруги енергією до 2 Дж.

Перетворювачі MGDD-60 можуть працювати при вхідній напрузі від 12 до 160 В. Вхідний TVS-діод (D1) обмежує рівень викидів напруги до ±160 В, негативні імпульси блокує діод D4, а енергія, запасена в конденсаторі C1, підтримує живлення перетворювача під час перехідного процесу. Резистор R1 обмежує пусковий струм під час зарядки конденсатора C1.

Перетворювач MGDD-60 здатен працювати при зниженні вхідної напруги до 10,5 В протягом 1 с, що відповідає вимогам MIL-STD-1275E, без необхідності великого накопичувального конденсатора.

HUGD-300

Під час експлуатації різної електронної авіаційної, військової, зв’язкової та іншої апаратури можливі короткочасні зниження вхідної напруги до нуля. Це може призводити до втрати даних і збільшення кількості аварійних відмов.

У стандартах MIL-STD-704 та DO-160 визначено, що джерела живлення повинні забезпечувати безперебійну роботу системи протягом 50…1000 мс, а в деяких випадках — навіть кілька секунд. Один із прикладів короткочасного зниження напруги — переключення на резервне джерело живлення. Для забезпечення безперебійної роботи застосовують спеціальні заходи.

Класичне рішення — використання на вході перетворювача накопичувального конденсатора великої ємності, який заряджається до робочої вхідної напруги. При відсутності напруги конденсатор розряджається та забезпечує живлення DC/DC-перетворювача.

Ємність (C) накопичувального конденсатора визначається за формулою:

С = 2 PA t/(V1²– V2²),

де:

P — сумарна потужність, споживана перетворювачем і навантаженням;

t — тривалість інтервалу утримання напруги в заданих межах;

V1 — початкова напруга на конденсаторі;

V2 — мінімальна робоча вхідна напруга перетворювача.

Наприклад, для перетворювача потужністю 60 Вт, ККД 90%, мінімальної робочої вхідної напруги 11 В, початкової напруги конденсатора 38 В і тривалості утримання 20 мс, ємність складе близько 2000 мкФ:

C=1440−1212⋅60/0.9⋅0.02​=201×10−5 Ф.

Недоліки цього підходу: збільшення площі плати та габаритів виробу, великий імпульсний пусковий струм, який потребує модифікації вхідної ланцюга.

Ємність накопичувального конденсатора можна зменшити, розширивши діапазон вхідної напруги DC/DC-перетворювача та збільшивши початкову напругу на конденсаторі. При тих самих параметрах і вхідній напрузі 11–70 В ємність складе приблизно 560 мкФ:

C=4900−1212⋅60/0.9⋅0.02​=556×10−6 Ф.

При цьому необхідно враховувати, що максимально допустима напруга конденсатора має бути вищою.

Використання модуля контролю та захисту від провалів вхідної напруги HUGD-300 дозволяє зменшити масо-габаритні показники джерел живлення та обмежити величину пускового струму, що підвищує надійність системи.

Структура модуля HUGD-300 та схема його підключення до DC/DC-перетворювача наведені на рис. 17.

Графіки залежності ємності накопичувального конденсатора від тривалості інтервалу утримання при різній потужності навантаження представлені на рис. 18.

В табл. 12 наведені основні параметри модуля HUGD-300.

Тимчасові діаграми, що пояснюють роботу модуля HUGD-300, наведені на рис. 19.

Залежність напруги на накопичувальному конденсаторі від опору резистора (Rset) показана на рис. 20.

У модулі HUGD-300 також реалізовано вбудований захист від помилкового підключення вхідної ланки із зворотною полярністю, що відповідає рекомендаціям ряду стандартів, зокрема MIL-STD-704 та MIL-STD-1275.

Це рішення дозволяє запобігти пошкодженню DC/DC-перетворювача та підключеного обладнання у разі неправильної полярності, підвищуючи надійність електропостачання системи навіть у складних експлуатаційних умовах.

Когда напряжение на накопительном конденсаторе (Chu) в процессе его зарядки достигнет значения 90% от заданного, на выводе СС (Capacitor Charged) устанавливается активный сигнал высокого уровня – «конденсатор заряжен», и модуль переключается в рабочий режим. В этом режиме для поддержания конденсатора в заряженном состоянии затрачиваемая модулем мощность составляет менее 3 Вт. При уменьшении входного напряжения ниже заданного порога формируется сигнал PF (Power Fail), происходит подключение к нагрузке заряженного до заданного уровня накопительного конденсатора и отключение от источника входного напряжения. В этом случае энергопитание DC/DC- преобразователя осуществляется исключительно от конденсатора. При разрядке конденсатора до уровня напряжения аварийного порога формируется сигнал CD (Capacitor Discharged) – «конденсатор разряжен».

Табл. 12. Основні параметри модуля HUGD-300.

Висновок

Високонадійні ізольовані DC/DC-перетворювачі компанії Gaіa Converter відповідають вимогам стандартів DO-160, MIL-STD-704/461/810.

Завдяки високій надійності вони застосовуються у:

• військовій та цивільній авіації;

• військовій техніці (безпілотні літальні апарати, обладнання кораблів ВМФ тощо);

• транспорті (метро, трамваї);

• промисловому обладнанні (гідролокаційні прилади, нафто- та газовидобувне обладнання тощо).

Більш детальну інформацію про DC/DC-перетворювачі можна знайти у джерелах або отримати у офіційного дистриб’ютора VD MAIS в Україні.

ЛІТЕРАТУРА
1. Industrial DC/DC converter MGDI-100 wide Input:
100W power.
2. Hi-Rel DC/DC converter MGDM-100: 100W power.
3.Hi-Rel DC/DC converter MGDD-60: 60W power.
4. DC/DC converter. Thermal management. Application notes. – Gaіa Converter.
5. To cool, to protect, to connect. – Fisher Elektronik.
6. MIL-STD-1275E. Characteristics of 28 volt DC input power to utilization equipment in military vehicles (http://everyspec.com/MIL-STD/MIL-STD-1100-1299/MIL-STD-1275E_45886).
7. Hi-Rel Hold-Up module HUGD-300: 300W power.