В современных космических аппаратах (КА) различного назначения широко внедряются электросистемы постоянного напряжения номиналом 100–120 В, характеризующиеся высокой удельной мощностью. Увеличение информационной пропускной способности бортовой аппаратуры обусловливает повышение энергоёмкости КА и, как следствие, необходимость использования мощных источников питания.
В составе систем вторичного электропитания КА важную функцию выполняют преобразователи напряжения, которые:
- обеспечивают стабильное электропитание функциональных частей аппаратуры;
- оснащены дополнительными сервисными функциями.
Для построения источников вторичного электропитания в составе бортовой аппаратуры КА с повышенным напряжением бортовой сети предлагаются радиационно‑стойкие гибридно‑плёночные 350‑ваттные модули DC/DC‑преобразователей напряжения HDCD/100‑24‑350/SP и HDCD/100‑28‑350/SP с диапазоном входного напряжения 70–120 В. Модули производятся предприятием, которое является частью Китайской корпорации электронных технологий, что позволяет российским предприятиям космического приборостроения смягчить последствия западных санкций.
Преобразователи реализованы на базе двухтактной полумостовой схемы. Благодаря ей напряжение на транзисторных ключах снижается по сравнению с однотактными решениями, что даёт возможность применять MOSFET‑транзисторы с более низким рабочим напряжением. Низковольтные транзисторы, в свою очередь, отличаются меньшим остаточным сопротивлением и более высоким быстродействием, благодаря чему динамические и статические потери в схеме существенно сокращаются.
К другим преимуществам двухтактных схем относятся вдвое большая частота пульсаций выходного напряжения, что позволяет уменьшить массу и габариты выходного сглаживающего фильтра, а также более полно использовать петлю гистерезиса сердечника, что приводит к уменьшению массы силового трансформатора.
Гибридная технология обеспечивает высокую плотность упаковки компонентов бескорпусного исполнения, минимальное сопротивление теплопередачи от всех теплонагруженных элементов конструкции к поверхности теплоотвода.
Для снижения массы (масса модулей не более 180 г) гибридно‑плёночного модуля эффективным является применение склеивания вместо других способов соединения. Большая часть всех пассивных и активных компонентов в модулях смонтирована на подложке при помощи электропроводящей клеевой композиции. Применяемые клеящие материалы имеют максимально достижимые эксплуатационные характеристики в части теплопроводности, электропроводности, прочности, стабильности в условиях воздействия спецфакторов космического пространства, что обеспечивает надёжную работу изделий.
Для герметизации корпуса применяется шовно‑роликовая сварка. Система шовно‑роликовой сварки, интегрированная в атмосферную камеру (наполненную азотом высокой чистоты), обеспечивает высокую герметичность изделия и заданную атмосферу внутри сборки.
Гибридная технология позволяет уменьшить объём конструкции до величины, полностью определяемой энергетическими соотношениями и условиями теплообмена. Габаритные размеры корпуса модулей — 90,20 × 50,20 × 14 мм (на фотографии представлена конструкция раннего макетного образца модуля). Значение удельной мощности модулей составляет 5 521 Вт/дм³, что демонстрирует высокий уровень миниатюризации.
Модули снабжены набором сервисных и защитных функций. Интегрирована схема блокировки при пониженных напряжениях на входе, защита от короткого замыкания — защиты являются самовосстанавливающимися. После устранения причины короткого замыкания модуль автоматически запускается.
Функция выключения внешним сигналом со стороны входа и выхода (выводы INH1 и INH2) повышает гибкость применения преобразователей в бортовой системе электропитания за счёт реализации определённого алгоритма подачи напряжения к отдельным узлам функциональной части аппаратуры. Сервисная функция регулировки выходного напряжения позволяет получить нестандартные значения напряжения подключением подстроечного резистора между выводом TRIM и общим проводом или выводом выходного напряжения — в зависимости от требуемого направления регулировки. При параллельном соединении нескольких модулей имеется вывод управления равномерным распределением тока при работе на общую нагрузку.
Для оценки радиационной стойкости модули испытывались на стойкость к воздействию ионизирующих излучений. Гарантируется стойкость к эффекту полной накопленной дозы не менее 100 крад (Si). Оценка дозовых эффектов проводится при небольших мощностях дозы 0,1 рад (Si)/с.
Стойкость к одиночным эффектам гарантируется при воздействии заряженных частиц с пороговыми линейными потерями энергии (ЛПЭ) ≥75 МэВ·см²/мг. Критерием обратимого отказа является переходная ионизационная реакция в виде изменения выходного напряжения ≥±10% при минимальной длительности импульса ≥5 мс.
На завершающем этапе производства каждое изделие проходит многоступенчатый выходной контроль, направленный на выявление потенциально ненадёжных экземпляров. Комплекс проверок включает:
- визуальный внутренний контроль (выполняется перед герметизацией);
- проверку на наличие грубых и тонких течей;
- контроль содержания паров воды внутри корпуса;
- PIND‑контроль (Particle Impact Noise Detection Test);
- испытания на постоянное ускорение (с использованием центрифуги);
- термоциклирование;
- обработку в стабилизационной печи;
- электротермотренировку;
- проверку критических электрических параметров при крайних температурах;
- рентгеновский радиографический контроль.
Проверочные испытания проводятся согласно методикам национального стандарта GJB2438B‑2017 «Общая спецификация производства гибридно‑плёночных микросхем», который соответствует американскому стандарту MIL‑PRF‑38534F «Hybrid Microcircuits, General Specification For».
Абсолютные максимальные значения параметров модулей:
- Входное напряжение VI — 0 В ~ 130 В (HDCD/100‑24‑350/SP, HDCD/100‑28‑350/SP).
- Выходная мощность PO — 360 Вт.
- Температура хранения Tstg — −65 °C ~ +150 °C.
- Температура пайки выводов Th — +300 °C (10 с).
Рекомендуемые условия эксплуатации:
- Входное напряжение VI — 70 В ~ 120 В (HDCD/100‑24‑350/SP, HDCD/100‑28‑350/SP).
- Выходной ток IO — 1,46 А ~ 14,58 А (HDCD/100‑24‑350/SP), 1,25 А ~ 12,5 А (HDCD/100‑28‑350/SP).
- Диапазон рабочих температур (по основанию корпуса) TC — −55 °C ~ +125 °C.
Электрические параметры модуля DC/DC-преобразователя HDCD/100-28-350/SP
|
Параметр |
Обозначение |
Режим измерения (если не указано иное, температура -55°С≤ ТС ≤+125°С, входное напряжение 70В ≤VI ≤120В, INH не используется, CL =0) |
Минимальное значение |
Максимальное значение |
Единица измерения |
|
Выходное напряжение |
VO |
VI = 100 В, IO = 12,5 A |
27,72 |
28,28 |
В |
|
Выходной ток |
IO |
VI = 70, 100, 120 В |
- |
12,5 |
A |
|
Пульсация выходного напряжения (от пика до пика) |
Vg |
VI =100 В, ширина полосы пропускания BW = 20 МГц, IO =12,5A |
- |
280 |
мВ |
|
Переходное отклонение при скачке входного напряжения |
SV |
VI = 70 → 120 В, IO =12,5 A |
- |
200 |
мВ |
|
Переходное отклонение при скачке тока нагрузки |
SI |
VI = 100 В, IO = 0 A → 12,5 A |
- |
420 |
мВ |
|
Входной ток |
IIN |
VI = 100 В, IO = 12,5 A |
- |
30 |
мA |
|
Частота преобразования |
fS |
TC = 25°С, VI = 100 В, IO =12,5A |
300 |
500 |
кГц |
|
КПД |
ƞ |
VI = 100 В, IO = 12,5 A |
- |
89 |
% |
|
Рассеиваемая мощность при коротком замыкании на выходе |
PD |
TC = 25°С, VI = 100 В, короткое замыкание нагрузки |
- |
60 |
Вт |
|
Емкостная нагрузка |
CL |
TC = 25°С, VI = 100 В, не оказывает влияние на параметры постоянного установившегося напряжения |
- |
5000 |
мкФ |
|
Электрическое сопротивление изоляции |
RISO |
TC = 25°С, испытательное напряжение 500 В прикладывается между входными и выходными клеммами, а также между любой входной клеммой и корпусом |
100 |
- |
МОм |
|
Изменение выходного напряжения при скачкообразном изменении выходного тока |
VROR |
TC = 25°С, VI = 100 В, 50% нагрузка → полная нагрузка или полная нагрузка → 50% нагрузка, 10% нагрузка → 50% нагрузка или 50% нагрузка → 10% нагрузка |
-2800 |
2800 |
мВ |
|
Время переходного процесса к установившемуся значению при скачке тока нагрузки |
tROR |
TC = 25°С, VI = 100 В, 50% нагрузка → полная нагрузка или полная нагрузка → 50% нагрузка, 10% нагрузка → 50% нагрузка или полная нагрузка→ 50% нагрузка |
- |
2000 |
мкс |
|
Переходное отклонение выходного напряжения (пиковое значение) при изменении входного напряжения |
VVOR |
TC = 25°С, входное напряжение VI = 70В → 120 В, IO =12,5A, входное напряжение VI = 120 В → 70 В, IO = 12,5 A |
-2800 |
2800 |
мВ |
|
Время установления выходного напряжения при скачкообразном изменении входного напряжения |
tVOR |
TC = 25°С, входное напряжение VI: 70В → 120 В, IO =12,5A, входное напряжение VI: 120 В → 70 В, IO = 12,5 A |
- |
2000 |
мкс |
|
Перерегулирование при запуске |
VIO |
Входное напряжение VI: 0 → 100 В, IO = 12,5 A |
- |
280 |
мВ |
|
Задержка запуска |
tTR |
Входное напряжение VI: 0 → 100 В, IO = 12,5 A |
- |
50 |
мс |
|
Время установления выходного напряжения после снятия к.з. |
tLF |
TC = 25°С, VI = 100В, выходной ток IO от 0 до 12,5 A |
- |
50 |
мс |