Użycie zasilających przetwornic prądu zmiennego na stały z chłodzeniem kontaktowym do trudnych warunków środowiskowych

Pierwszym z nich jest kwestia chłodzenia, ponieważ nawet wysokosprawne zasilacze wytwarzają ciepło. Następnie projektant musi wziąć pod uwagę wymagania elektryczne i dotyczące wymiarów na poziomie systemu. Przetwornica musi wreszcie zawierać funkcje, które upraszczają projektowanie i ochronę przetwornicy, użytkownika i obciążenie przed niekorzystnymi zdarzeniami.

W tym artykule pokrótce omówiono wyzwania stojące przed projektantami systemów zasilających, przeznaczonych do pracy w trudnych warunkach. Następnie przedstawiono grupę przetwornic prądu zmiennego na stały 504 W z chłodzeniem kontaktowym firmy Advanced Energy, a także sposoby rozwiązania tych wyzwań.

Zacznijmy od wyzwań związanych z chłodzeniem

Poza nielicznymi wyjątkami, projektanci, którzy umieszczają przetwornice prądu zmiennego na stały w systemach, muszą również określić sposób rozpraszania wytwarzanego ciepła. Pomimo że nowoczesne przetwornice mają zazwyczaj sprawność od 80% do 90%, a nawet więcej, ciepło nadal jest wytwarzane i musi zostać usunięte, aby zapobiec przegrzaniu zasilacza, co może wpłynąć negatywnie na jego parametry i niezawodność.

Termodynamika wyróżnia trzy sposoby rozpraszania ciepła (ilustracja 1):

1. Przewodnictwo - przez bezpośredni kontakt powierzchni stałej z powierzchnią stałą
2. Konwekcja - przez poruszający się płyn, którym może być powietrze lub ciecz
3. Promieniowanie - przez energię elektromagnetyczną (głównie podczerwień), co może zachodzić w próżni

Ilustracja 1: energia cieplna może być rozpraszana w drodze przewodzenia, konwekcji lub promieniowania. (Źródło ilustracji: Nuclear Power)

Chłodzenie oparte na promieniowaniu jest zwykle niewystarczające w układach elektronicznych, gdyż odpowiada za przekazywanie stosunkowo niewielkiej ilości ciepła. Jednak w przypadku statków kosmicznych promieniowanie ma znaczenie krytyczne, ponieważ ciepło musi zostać rozproszone w próżni kosmicznej.

Większość projektantów woli rozpocząć prace nad strategię chłodzenia od konwekcji z wykorzystaniem niewymuszonego (naturalnego) lub wymuszonego przez wentylator przepływu powietrza, które przechodzi przez otwory wentylacyjne przetwornicy. Ta metoda chłodzenia jest względnie niedroga i łatwa do oceny.

Jednak w wielu rzeczywistych instalacjach chłodzenie konwekcyjne nie jest wykonalne. Przetwornica musi znajdować się w szczelnej obudowie chronionej przed wnikaniem czynników (IP), aby zapewnić pełną ochronę przed wodą, deszczem, pyłem i innymi zanieczyszczeniami. Ponadto fizyczny układ i obudowy większości standardowych przetwornic nie są przystosowane do chłodzenia metodą przewodzenia.

Gdy chłodzenie musi się odbywać wyłącznie poprzez przekazywanie ciepła z obudowy przetwornicy do przylegającej powierzchni, wymagana jest inna konstrukcja. Jest to często nazywane chłodzeniem kontaktowym lub wykorzystującym zimną płytę. Konstrukcja obudowy grupy przetwornic mocy Artesyn AIF500 firmy Advanced Energy (ilustracja 2) jest dobrym przykładem takiego podejścia.

Ilustracja 2: przetwornice mocy Artesyn AIF500 wykorzystują chłodzenie kontaktowe, zwane chłodzeniem z użyciem zimnej płyty. (Źródło ilustracji: Advanced Energy)

Wspomniane niskoprofilowe urządzenia są montowane na płytkach drukowanych. Charakteryzują się one standardowymi wymiarami płyty bazowej typu half-brick 116,84 mm × 60,96 mm × 13,95 mm (4,6” × 2,4” x 0,55”) i wadze 260 g (9,2oz).

Są one projektowanie głównie pod kątem wymogów zasilania zdalnych głowic radiowych (RF) w zastosowaniach telekomunikacyjnych 5G. Są one również odpowiednie do wyświetlaczy i zastosowań przemysłowych. Ich średni czas między awariami (MTBF) przekracza jeden milion godzin.

Moduły są zaprojektowane do chłodzenia kontaktowego za pośrednictwem płyty bazowej (ilustracja 3) i mogą dostarczać pełną moc znamionową w szerokim zakresie temperatur płyty bazowej od -40°C do 100°C.

Ilustracja 3: moduły AIF500 zostały zaprojektowane do chłodzenia na zasadzie przewodzenia za pośrednictwem płyty bazowej umieszczonej w bezpośrednim kontakcie z powierzchnią o niższej temperaturze. (Źródło ilustracji: Advanced Energy)

Dobór przetwornicy mocy

Dobór dowolnej przetwornicy mocy rozpoczyna się od kluczowych wymagań dotyczących parametrów. Zalicza się do nich zdolność do dostarczania jednakowego napięcia wyjściowego do obciążenia, pomimo zmian napięcia linii w stanie ustalonym, stanów nieustalonych napięcia, zmian zapotrzebowania obciążenia i zmian temperatury otoczenia.

W pełni zamknięte jednostki AIF500 pracują w zakresie od 90 V~ do 264 V~. Jedną z wersji jest urządzenie AIF42BAC-01N o ustalonych parametrach wyjściowych 12 V/42A lub 48 V/10,5 A AIF11WAC-01N. Czas rozruchu do osiągnięcia pełnych parametrów wyjściowych - parametr ważny w wielu zastosowaniach - wynosi 3,5s, regulacja linii wynosi ±0,2%, a regulacja obciążenia wynosi ±4%.

Oprócz szerokiego zakresu wejściowego linii prądu zmiennego i dobrze regulowanego wyjścia prądu stałego, przetwornice AIF500 zawierają również funkcje zabezpieczające, takie jak blokada pracy przy zbyt niskim napięciu (UVLO), zabezpieczenie nadnapięciowe (OVP) i zabezpieczenie nadprądowe (OCP). Wewnętrzne ograniczenie początkowych prądów rozruchowych minimalizuje zewnętrzne obwody potrzebne, aby zapobiec uszkodzeniom spowodowanym udarami prądu rozruchowego.

Ponadto przetwornice posiadają aprobaty zgodności z odpowiednimi normami bezpieczeństwa EN, UL, Canada UL, IEC i EN 62368-1 oraz posiadają znaki bezpieczeństwa CE i UKCA. Otrzymały one wspomniane certyfikaty częściowo ze względu na znamionowe parametry izolacji: 4000 V= między wejściem i wyjściem, 2500 V= między wejściem i płytą bazową oraz 100 V= między wyjściem i płytą bazową.

Wymogi przepisów i dobra praktyka inżynieryjna wymagają minimalizacji obciążeń termicznych w celu uzyskania wysokiej sprawności działania. Omawiane przetwornice oferują sprawność powyżej 90% podczas pracy przy połowie mocy znamionowej lub wyższej. Na przykład, jednostka 12 V zasilana z linii 230 V~ ma sprawność powyżej 93% przy mocy wyjściowej 300 W lub wyższej (ilustracja 4). Powyżej 300 W współczynnik mocy (PF) przekracza 0,99, co przewyższa wartość nakazywaną przepisami.

Ilustracja 4: sprawność konwersji mocy urządzenia AIF500 przekracza 90% podczas pracy powyżej połowy obciążenia znamionowego, co zmniejsza ciepło rozpraszane i spełnia wymagania prawne. (Źródło ilustracji: Advanced Energy)

Dodawanie cech i funkcji na poziomie systemu

Współczesne przetwornice muszą oferować coś więcej niż tylko dwa przewody wejściowe prądu zmiennego, dwa przewody wyjściowe prądu stałego i dwa odprowadzenia pomiaru zdalnego. Muszą one również być zintegrowane na poziomie systemu z dodatkowymi połączeniami i funkcjami.

Na przykład przetwornice AIF500 posiadają bezpośrednie jednoliniowe wyjście sprawności jednostki i wejście logiki TTL do zdalnego włączania. Niewłączone urządzenie pobiera moc 5W. Te sygnały zgłaszania i sterowania są tylko punktem wyjścia dla łączności, ponieważ przetwornice zawierają również interfejs PMBus.

Dodatkowe funkcje obejmują stale włączone wyjście pomocnicze o ustalonym napięciu od 8 V= do 11 V= i prądzie 250mA, które pozwala zasilić niewielkie obciążenia o znaczeniu krytycznym.

Konfiguracja pojedynczej przetwornicy wymaga tylko zewnętrznego filtra zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), kondensatora podtrzymującego i kondensatora wyjściowego.

W przypadku zastosowań, w których prąd wyjściowy pojedynczego urządzenia AIF500 jest niewystarczający, istnieje możliwość prostego połączenia ze sobą maksymalnie dziesięciu takich urządzeń, pracujących w konfiguracji aktywnego podziału prądu (ilustracja 5). Taki układ równoległego połączenia wymaga tylko dodania kondensatorów podtrzymujących i wyjściowych dla drugiego (i każdego kolejnego) urządzenia. Nie są wymagane żadne inne komponenty.

Ilustracja 5: jedno urządzenie AIF500 wymaga do działania tylko kilku komponentów zewnętrznych (u góry). W celu uzyskania wyższych prądów wyjściowych można z łatwością łączyć równolegle maksymalnie 10 urządzeń (u dołu). (Źródło ilustracji: Advanced Energy)

Interfejs PMBus pozwala na współpracę z graficznym interfejsem użytkownika (GUI). Graficzny interfejs użytkownika upraszcza kontrolę i monitorowanie modułu lub modułów przez projektantów w fazie rozwojowej oraz podczas wdrażania zastosowań. Pozwala on śledzić napięcia, prądy oraz statusy kluczowych wskaźników operacyjnych i punktów fizycznych.

Podsumowanie

Stworzenie odpornej przetwornicy prądu zmiennego na stały zaczyna się od solidnej konstrukcji, jednak zapewnienie odpowiedniego chłodzenia jest zawsze problemem, zwłaszcza w instalacjach nieosłoniętych. Grupa Artesyn AIF500 całkowicie zamkniętych przetwornic została zaprojektowana do pracy z parametrami określonymi specyfikacją przy temperaturze na płycie bazowej do 100°C z wykorzystaniem chłodzenia kontaktowego. Omawiane urządzenia zapewniają znakomite parametry działania i posiadają dodatkowe funkcje i cechy, na przykład interfejs PMBus, które umożliwiają im pracę jako przetwornice zgodne z całymi systemami, a nie tylko podstawowe źródła regulowanych napięć prądu stałego.

Źródło: Użycie zasilających przetwornic prądu zmiennego na stały z chłodzeniem kontaktowym do trudnych warunków środowiskowych

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.