Низкопрофильные гибридно-плёночные DC/DC-преобразователи с выходными мощностями до 133 Вт для применения в аппаратуре специального назначения

Для достижения высокого КПД в DC/DC-преобразователях требуется решение ряда взаимосвязанных проблем: энергетических и структурных. Режим синхронного выпрямления обеспечивает более высокий КПД и удельные массогабаритные показатели высокочастотных регулируемых преобразователей напряжения.

В схемах синхронного выпрямления используются полевые транзисторы (MOSFET), которые заменяют прямой и возвратный диод Шоттки. Особенно это важно для преобразователей с низкими уровнями выходного напряжения от 5 В и ниже. Доля потерь в выходных диодах у таких устройств составляет примерно 50% от суммарных потерь преобразователя напряжения. Широкое применение синхронного выпрямления в наше время обусловлено развитием современных технологий, обеспечивающих снижение стоимости силовых MOSFET, а также значительным уменьшением сопротивления в открытом состоянии.

В двухтактных силовых структурах к силовым ключам прикладывается существенно меньшее напряжение, чем в однотактных схемах, что позволяет использовать менее высоковольтные транзисторы. Основным преимуществом низковольтных транзисторов является небольшое остаточное сопротивление при более высоком быстродействии. Как следствие, у данных транзисторов существенно меньше динамические и статические потери. К другим преимуществам двухтактных схем относится вдвое большая частота пульсаций выходного напряжения, что позволяет уменьшить габариты выходного сглаживающего фильтра, а также более полно использовать петлю гистерезиса сердечника, что приводит к уменьшению массы силового трансформатора.

Достоинством полумостовой схемы является отсутствие подмагничивания трансформатора. Применение для изготовления индуктивных элементов преобразователей магнитомягких ферритов позволяет уменьшить габаритные размеры и снизить величину суммарных потерь мощности при высоких частотах (до 500 кГц). Также современные марки ферритов характеризуются высокой величиной индукции насыщения (до 0,4 Тл).

Все указанные средства снижения мощности потерь были применены при проектировании гибридно-плёночных модулей DC/DC-преобразователей серии WTHZ, выпускаемые под торговой маркой Wibbow. Модули серии WTHZ предназначены для работы в системах электропитания постоянного напряжения с номинальным напряжением 28 В с диапазоном изменения от 16 до 40 В и переходным отклонением напряжение до 50 В длительностью 1 с. Преобразователи выполнены по полумостовой схеме с применением широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для регулирования выходного напряжения, максимальная рабочая частота преобразования 330 кГц.

Выбранное значение выходного напряжения передаётся через оптопару на первичную сторону преобразователя, длительность выбранного импульса напряжения модулируется микросхемой контроллера для формирования замкнутой системы управления с целью обеспечения стабильного выходного напряжения. Синхронное выпрямление для минимизации потерь мощности применяется только в одноканальных моделях.

Герметичный корпус c габаритами 76,7×38,6×10,66 мм и весом 95 г выполнен из холоднокатаной стали, основание покрыто никелем, крышка выполнена из железно-никелевого сплава 4J42. Медные выводы покрыты золотом, корпус герметизирован параллельной шовно-роликовой сваркой в инертной среде.

Конструкция модулей и производственный процесс соответствуют требованиям общих технических условий GJB2438A-2002 к гибридным интегральным микросхемам (соответствует американскому стандарту MIL-PRF-38534 «Hybrid Microcircuits, General Specification For»).

Модули оснащены обширным набором сервисных и защитных функций, необходимых для безопасной эксплуатации и расширения возможностей их практического использования. В перечень защитных функций включены: схема блокировки при пониженных и повышенных входных напряжений; схема защиты от пониженного напряжения, обеспечивающая корректную работу преобразователя при питании от аккумуляторной батареи; схема защиты от перегрузки по току и короткого замыкания.

Подключая внешний потенциометр между специализированным выводом TRIM и положительным или отрицательным выводом модуля, можно регулировать выходное напряжение на +10% вверх и на -20% вниз от номинального значения. Выключение внешним сигналом со стороны входа обеспечивает формирование программного включения отдельных модулей в соответствии с необходимым алгоритмом решения определённой задачи аппаратуры. Внешняя обратная связь по напряжению используется для компенсации падения напряжения на соединительных проводах. Синхронизация внешним сигналом позволяет синхронизировать работу нескольких преобразователей.

Для соответствия дополнительным требованиям по электромагнитной совместимости рекомендуется применять на входе помехоподавляющие фильтры WTF15-28 (проходной 15A) или WTF7-28 °F (проходной ток 7A), которые обеспечивают ослабление помех до 50 дБ на частоте 500 кГц.

Массогабаритные характеристики модулей серии WTHZ, координаты выводов и их функциональное назначение практически идентичны с параметрами преобразователей серии DVFL (VPT, США) и MOR28 (Crane Electronics, Interpoint). Но значение КПД модулей серии WTHZ с низкими выходными напряжениями выше примерно на 10%, чем у модулей указанных компаний.

Состав серии WTHZ и основные параметры входящих в нее модулей

Заказной код	Выходная мощность, Вт	Выходное напряжение, В	КПД (при полной нагрузке, мин.), %	Совместимая модель VPT	Совместимая модель Crane Electronics, Interpoint
WTHZ100-28S5	100	5	88	DVFL2805S	MOR2805S
WTHZ100-28S6V3	100	6,3	88	DVFL286R3S	MOR286R3S
WTHZ133-28S9V5	133	9,5	85	DVFL289R5S	MOR289R5S
WTHZ110-28S12	110	12	88	DVFL2812S	MOR2812S
WTHZ120-28S15	120	15	86	DVFL2815S	MOR2815S
WTHZ120-28S24	120	24	83	-	-
WTHZ120-28S28	120	28	87	DVFL2828S	MOR2828S
WTHZ100-28D5	100	±5	82	DVFL2805D	MOR2805D
WTHZ110-28D12	110	±12	87	DVFL2812D	MOR2812D
WTHZ120-28D15	120	±15	87	DVFL2815D	MOR2815D
WTHZ66-28S3R3	66	3,3	88	DVFL283R3S	MOR283R3S

Основные характеристики преобразователей серии WTHZ:

• КПД до 91% (в определённых режимах);
• частота преобразования напряжения 330 кГц (макс.);
• удельная мощность 80 Вт/дюйм³ (примерно 4200 Вт/дм³) — для модуля WTHZ133-28S9V5;
• диапазон рабочей температуры от — 55 до +125°С, диапазон температуры хранения от — 65 до +150°С (основание корпуса);
• стойкость к механическому удару одиночного действия 1500 g (пиковое ударное ускорение);
• сопротивление электрической изоляции между входными и выходными цепями 100 Мом;
• небольшой пусковой ток и малое время установления выходного напряжения (20 мс);
• расчётное среднее значение времени наработки до отказа (Mean Time Between Failure, MTBF) составляет 3 000 000 ч (при температуре корпуса 25°C и условий применении в стационарном наземном оборудовании);
• предназначены для применения в аппаратуре специального назначения наземного и морского базирования, авиационной и ракетной техники.

С полной номенклатурой гибридно-плёночных преобразователей и фильтров Wibbow можно ознакомиться по ссылке.