|
Виктор Жданкин
Устройства силовой электроники фирмы Zicon Electronics
Выбор источника вторичного электропитания (ИВЭП) для конкретного применения нередко превращается в раздражающе запутанное дело, особенно если инженер является чистым системотехником и столкнулся с этой задачей, обладая лишь небольшим опытом или неглубокими знаниями в области ИВЭП. При этом задача отнюдь не упрощается существованием огромного числа потенциальных поставщиков источников питания. Просмотр каталогов изготовителей ИВЭП чаще всего оставляет заказчика в неведении относительно целого ряда параметров источника
и их влияния на эксплуатационные свойства конечного изделия.
В предлагаемой статье дан обзор ИВЭП c типами преобразования AC/DC, DC/DC,
а также регуляторов процессов заряда-разряда аккумуляторных батарей (зарядных устройств), разработанных и производимых фирмой Zicon Electronics (Великобритания). В обзор также включены комментарии относительно некоторых параметров представляемых изделий и рекомендации по их использованию.
Компания Zicon Electronics Ltd. основана в 1990 году группой специалистов с многолетним опытом в области разработки и производства устройств силовой электроники. В настоящее время Zicon производит обширный ряд высококачественных изделий силовой электроники для заказчиков во всем мире. Некоторые известные поставщики ИВЭП продают изделия Zicon под своей торговой маркой.
По выходной мощности ИВЭП и зарядные генераторы, поставляемые Zicon, классифицируются как изделия повышенной (от 200 до 1000 Вт) и большой мощности (до 10 кВт). Блоки поставляются в различных конструктивных исполнениях: открытое шасси, шасси с электрическим кожухом, 19" сменные блоки формата 6U, DIN 41494, part 5 (Евромодули). На рис. 1 показан внешний вид блоков ИВЭП и зарядных устройств Zicon.
Рис. 1
Полуагрегатированная конструкция изделий (построение с использованием отдельных функциональных плат) обеспечивает предельную гибкость. Смешивание и согласование входных, выходных и сигнальных плат во всевозможных конструктивных форматах позволяет поддерживать широкий номенклатурный ряд изделий, обеспечивая при этом быстрые сроки поставки даже для небольших партий.
Особенностями продукции Zicon, определяющими интерес потенциального заказчика, являются автоматический выбор диапазона входного питающего напряжения сети переменного тока c коррекцией коэффициента мощности (КМ) или без нее, cигналы функционирования и управления, перфорированный электрический кожух для предотвращения контакта с деталями, находящимися под опасным напряжением, выходные блокирующие диоды для обеспечения параллельного соединения блоков по схеме «ИЛИ» в высоконадежных системах и защита от перегрева.
Все изделия разработаны для международных рынков и поэтому соответствуют требованиям стандарта IEC 950 (российский аналог — стандарт ГОСТ Р 50377-92 «Безопасность оборудования информационной технологии, включая электрическое конторское оборудование». Кроме того, продукция Zicon сертифицирована на соответствие требованиям стандартов VDE (Verband Deutscher Elektrotechniker), UL (Underwriters Laboratories) и CSA (Сanadian Standards Association). Особое внимание к вопросам электромагнитной совместимости позволило добиться снижения уровня помех, излучаемых в пространство и передаваемых по проводам питания, сигнализации и управления, до уровня, допускающего эксплуатацию этих изделий как в промышленных, так и в коммерческих системах обработки данных.
Система управления качеством продукции фирмы Zicon Electronics соответствует требованиям стандарта ISO 9001 (Cертификат № 7437).
Производятся четыре серии изделий, которые кодируются следующим образом:
- серия «C» разработана специально для регулирования процессов заряда-разряда аккумуляторных батарей (AБ);
- серия «PL» — ряд блоков, имеющих один выход питающего напряжения и конструктивно размещенных на U-образном металлическом шасси;
- серия «Z» — универсальное конструктивное решение, предлагающее множество вариантов в пределах серии (рис. 2);
- серия «M» — блоки большой мощности (от 1,1 до 10 кВт).
Рис. 2
По заказу фирма Zicon Electronics осуществляет модификацию стандартных изделий в соответствии с требованиями потребителя. Могут не устанавливаться некоторые типовые функциональные узлы, если в выполняемых ими функциях нет необходимости (например, узел дистанционного включения-выключения сигналом малой мощности, узлы формирования логических сигналов), варьироваться однотипные узлы (например, помехоподавляющие фильтры), а также вноситься изменения в базовые несущие конструкции ИВЭП.
Основные, общие для всех ИВЭП электрические характеристики приведены в табл. 1–4. С учетом полуагрегатированной конструкции блоков электрические параметры приводятся раздельно для входных плат, обеспечивающих работу блоков от сетей переменного и постоянного напряжений, и выходных плат, определяющих число выходов питающих напряжений блока и подразделяющихся на одноканальные и многоканальные (максимальное число выходов для ИВЭП Zicon равно пяти).
Таблица 1. Основные электрические параметры входных плат, обеспечивающих работу от сетей переменного тока
Примечания
- Для 750-ватных моделей предельные значения отклонения напряжения питающей сети переменного тока (универсальный вход) - 170...264 В, так как при понижении значений напряжения питающей сети происходит нагрев дросселя входного фильтра.
- Для определения суммарного КПД изделия необходимо перемножить значения КПД входной и выходной плат и разделить результат на 100.
- Входные предохранители с большой тепловой инерцией, способные выдержать значительные кратковременные перегрузки током (предохранители заменяются только квалифицированным персоналом).
- Для определения суммарного значения среднего времени безотказной работы всего устройства необходимо перемножить значения MTBF входной и выходной плат и разделить результат на сумму этих значений.
ИВЭП cерии «Z»: общие комментарии и рекомендации по применению
Обзор начнем с рассмотрения наиболее популярной и универсальной серии «Z».
Модульный принцип построения и гибкость, обеспечиваемая этим подходом, проиллюстрированы на рис. 2. Конструкция ИВЭП типа «открытое шасси» серии ZX350 показана на рис. 3.
Рис. 3
При таком подходе устройство с необходимыми техническими параметрами быстро конфигурируется из имеющихся в наличии базовых плат.
Все ИВЭП реализованы по схеме двухтактного преобразователя с трансформаторными регулируемыми конверторами. При этом для реализации ИВЭП с номинальными значениями входных напряжений свыше 100 В применяется двухтактный полумостовой конвертор с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и постоянной рабочей частотой преобразования 50 кГц. В основе ИВЭП с номинальными значениями входных напряжений ниже 100 В применяется двухтактный двухфазный конвертор с частотой преобразования 50 кГц [1–4].
Таблица 2. Основные электрические параметры входных плат, обеспечивающих работу от сетей постоянного тока
Примечания
- Для 750-ваттных моделей предельные значения отклонения питающей сети постоянного тока (универсальный вход) - 200...360 В.
- Для определения суммарного значения КПД устройства необходимо перемножить значения КПД входной и выходной плат и результат разделить на 100.
- Входные предохранители с большой тепловой инерцией, способные выдержать значительные кратковременные перегрузки током (предохранители заменяются только квалифицированным персоналом).
- Для определения суммарного значения среднего времени безотказной работы всего устройства необходимо перемножить значения MTBF входной и выходной плат и разделить результат на сумму этих значений.
- При испытании на элетромагнитную совместимость положительная шина входной цепи подключается к корпусу устройства.
Для управления двухтактными преобразователями применяется расположенный на выходной плате интегральный двухтактный ШИМ-контроллер SG3524 (IC1), который формирует две последовательности управляющих импульсов, разделенные гарантированной паузой. Интегральные ШИМ-контроллеры семейства SG1524/2524/3524 были разработаны в 1976 году Бобом Маммансом, работавшим в то время в фирме Silicon General, и являлись тогда первыми интегральными схемами управления импульсными источниками питания [5]. В настоящее время эти ИС производятся не менее чем 10 различными изготовителями. Выпускается и отечественный аналог — 1114ЕУ1, хорошо известный российским разработчикам.
Таблица 3. Технические параметры выходных одноканальных плат
Примечания
- Устройство защиты от превышения выходного напряжения выполнено в виде электронной схемы, которая ограничивает уровень выходного напряжения до безопасного значения при его чрезмерном повышении, работоспособность устройства может быть восстановлена путем отключения входного напряжения.
- Выходная характеристики типа "постоянное напряжение-постоянный ток" идеальна для нелинейных нагрузок.
- Для определения суммарного значения времени безотказной работы всего устройства необходимо перемножить значения MTBF входной и выходной плат и разделить результат на сумму этих значений.
- Для определения суммарного значения КПД устройства необходимо перемножить значения КПД входной и выходной плат и результат разделить на 100.
- Установленная по заказу схема защиты от превышения температуры срабатывает в случае перегрева внутри конструкции (например, при отказе вентилятора).
- Выносная отрицательная обратная связь (ООС) компенсирует падение напряжения 0,5 В на соединительных проводах. Для использования выносной ООС необходимо соединить контакты "0V5" c "0V" и "+V5" c "+V" непосредственно на нагрузке.
- Сигнал Remote On0Off (ROF) - дистанционное включение-отключение; сигнал запрета выходного напряжения поступает на ТТЛ совместимый относительно "0V" вход, нулевой уровень сигнала ТТЛ запрещает выходное напряжение.
- Смотри раздел "Дополнительные сервисные функции: сигналы AC Fail (ACF) - провал напряжения в питающей сети переменного тока, DC Fail (DCF) - провал в питающей сети постоянного тока, распределение тока (power-share), сигнал контроля за мощностью (power-monitor), (N+1) резервирование, блокирующие диоды (OR-диоды)".
В планы данной статьи не входит описание и анализ принципиальных схем ИВЭП, а лишь обращается внимание на основные моменты, позволяющие оценить уровень исполнения представляемых устройств. Для подробного ознакомления с техническими особенностями в конце статьи приведены ссылки на соответствующую литературу.
Транзисторные ключи
В качестве ключей в ИВЭП Zicon применяются мощные биполярные транзисторы, что позволяет получить высокий кпд. Достоинства биполярных транзисторов общеизвестны (большие значения коллекторных токов, обратных напряжений коллектор-эмиттер, малое падение напряжения на транзисторе в открытом состоянии, небольшие значения времени выключения), но опыт разработки транзисторных силовых устройств выявил ряд проблем, обусловленных характерными свойствами биполярных транзисторов. Это малый коэффициент передачи тока, большой разброс его значений в силу технологических и температурных факторов, необходимость применения знакопеременного управляющего напряжения, сильная внутренняя обратная связь в транзисторе даже на низкой частоте, малая область безопасной работы из-за склонности транзистора к кумуляции тока, наличие весьма заметного времени рассасывания [6]. Устранение отмеченных проблем требует большого количества вспомогательных цепей, в которых необходимо организовать сложные процессы, обеспечивающие управление биполярными транзисторами и их защиту. Цепи управления и защиты выполняются различными способами, что привело к появлению множества известных схемных и конструкторских решений.
По схемотехнике их условно можно разделить на четыре наиболее широко применяющихся вида: с потенциальным управлением; с управлением через разделительный трансформатор; с управлением от дополнительной (базовой) обмотки, располагаемой на силовом трансформаторе преобразователя; с пропорционально-токовым управлением силового транзисторного ключа от трансформатора тока, когда мгновенные значения базового тока изменяются в соответствии с изменениями тока коллектора [1, 7].
Исследования показывают энергетическое превосходство ключей с трансформаторами тока практически во всем диапазоне напряжений первичного питания — от единиц до сотен вольт.
Несомненно, что практически во всех классах устройств, особенно в инверторах, устройствах управления электродвигателями и устройствах коммутации и защиты, современные мощные МДП-транзисторы имеют принципиальные преимущества перед биполярными. Удельная мощность транзисторных ключей на МДП-транзисторах и силовых устройствах на основе этих ключей может быть такой, которая принципиально недостижима при применении биполярных транзисторов. Однако из этого не следует делать вывода о том, что надо отказаться от разработки и внедрения устройств на биполярных транзисторах.
Таблица 4. Технические параметры выходных плат многоканальных устройств
Примечания
- При установленном номинальном значении напряжения выходного канала ОР1 и нагруженных на 50% всех каналах выходных напряжений дополнительных каналов будут установлены в пределах 2% их номинальных значений.
- Устройство защиты от превышения выходного напряжения выполнено в виде электронной схемы, которая ограничивает уровень выходного напряжения до безопасного значения при его чрезмерном повышении, работоспособность устройства может быть восстановлена путем отключения входного напряжения.
- Выходные каналы ОР1, ОР5 и ОР4 имеют защиту от перегрузки, основанную на ограничении тока в первичной обмотке, поэтому эти выходные каналы могут запитывать виды аппаратуры с импульсной характеристикой потребляемого тока. Идеальны для запитки систем, имеющих в своем составе печатающие головки, моторы, лентопротяжные механизмы и т.п.
Выходные каналы ОР2 и ОР3 не предназначены для питания аппаратуры с импульсным видом потребляемого тока и поэтому нуждаются в дополнительных надежных средствах защиты от перегрузок по току (применены элементы токовой защиты PolySwitch - самовосстанавливающиеся предохранители).
- Для определения суммарного значения среднего времени безотказной работы всмего устройства необходимо перемножить значения MTBF входной и выходной плат и разделить результат на сумму этих значений.
- Для определения суммарного значения КПД устройства необходимо перемножить значения КПД входной и выходной плат и результат разделить на 100.
- Для определения максимальных значений постоянного тока в других сетях питающего напряжения при иных температурах и потоках охлаждающего воздуха приводятся соответствующие характеристики.
- Установленная по заказу схема защиты от превышения температуры срабатывает в случае перегрева внутри конструкции (например, при отказе вентилятора).
- Выносная отрицательная обратная связь имеется только в канале ОР1 и компенсирует падение напряжения 0,25 В на соединительных проводах.
- Сигнал Remote On-Off (ROF) - дистанционное включение-отключение; сигнал запрета выходного напряжения поступает на ТТЛ совместимый относительно "0V" вход, нулевой уровень сигнала ТТЛ запрещает выходное напряжение.
- Смотри раздел "Дополнительные сервисные функции: сигналы AC Fail (ACF) - провал напряжения в питающей сети переменного тока, DC Fail (DCF) - провал в питающей сети постоянного тока, распределение тока (power-share), сигнал контроля за мощность (power0monitor), (N+1) резервирование, блокирующие диоды (OR-диоды)".
- Для выходных каналов с номинальным значением напряжения 15 В устанавливаются 4-амперные элементы защиты PolySwitch производства Raychem Corporation.
Опыт специалистов фирмы Zicon подтверждает данный вывод. Максимальное значение удельной конструктивной мощности для cетевого ИВЭП ZX1K1-4624 с выходной мощностью 1,1 кВт cоставляет 330 Вт/дм3, КПД 85 %.
КПД ИВЭП
Относительно параметра кпд уместным будет следующее замечание. Зачастую в спецификациях ИВЭП, охлаждаемых вентилятором, не уточняется, учтена ли потребляемая вентилятором электрическая мощность при вычислении общего кпд. Во многих спецификациях указывается на значительное расширение диапазона рабочих температур ИВЭП при использовании принудительного воздушного охлаждения, но при этом мало кто из производителей указывает на соответствующее снижение КПД.
Рис. 4
Для своих ИВЭП с установленными вентиляторами при выходных мощностях 350, 550, 600, 750 Вт, 1,1 кВт фирма Zicon приводит зависимости допустимой выходной мощности от кпд и температуры окружающей среды. На рис. 4 в качестве примера представлен график для охлаждаемых вентилятором ИВЭП с выходными мощностями 600, 750 Вт и 1,1 кВт. При расчете КПД всей системы необходимо учесть, что мощность, потребляемая вентиляторами на ИВЭП с выходными мощностями 300 или 600 Вт, составляет 2 Вт, а на источниках с выходной мощностью 550, 750 Вт и 1,1 кВт — 3 Вт.
Продолжение следует...
andrey@prosoft.ru
|
