Импульсный DC/DC-преобразователь напряжения с уменьшенными массогабаритными параметрами

Автор: Иванов Е.А., Якунин А.Н.
Источник: Известия вузов. Электроника. 2020. Т. 25. № 5. С. 423–431

Аннотация

При изготовлении преобразователей энергии значительное внимание уделяется высокой надежности при максимальной их миниатюризации. Также к конструкции и технологии создания преобразователей энергии предъявляются жесткие требования в части эффективного отвода тепла. В работе рассмотрена концепция изготовления DC/DC-преобразователей энергии с уменьшенными массогабаритными параметрами за счет отказа от систем отвода тепла. Предложено использовать коммутационные платы на основе алюмонитридной керамики, имеющей теплопроводность 180–200 Вт/(м·К). Для дополнительного снижения потерь энергии на перегрев компонентов (в преобразователь энергии) интегрирована цифровая система управления процессом коммутации силовых ключей. Значительное снижение высоты экспериментального образца достигнуто заменой моточного трансформатора на планарный. Отработка концепции на экспериментальном образце позволила получить следующие результаты: увеличена удельная мощность с 2,18 до 3,23 кВт/дм³; увеличена пиковая удельная мощность с 5,66 до 8,4 кВт/дм³; снижена высота с 32 до 13 мм; уменьшен объем с 0,115 до 0,077 дм³; увеличен КПД с 85 до 88,6 %.

Ключевые слова

Алюмонитридная керамика; квазирезонансная коммутация; транзисторы; цифровая система управления; планарный трансформатор

Введение

При разработке преобразователя энергии для питания фазовращателей и модуляторов в системе активной фазированной антенной решетки (АФАР) особые требования предъявляются к габаритным размерам при заданных номинальной и пиковой мощностях преобразователя. Это связано с тем, что в радиолокационных станциях с АФАР преобразователи энергии монтируются в два ряда и ограничиваются жесткими массогабаритными параметрами. Значительная пиковая удельная мощность при КПД существующих преобразователей порядка 80 % предъявляет жесткие требования к конструкции и технологии создания преобразователя в части эффективного отвода тепла. Расчеты показывают, что использование в конструкции преобразователя энергии традиционных полимерных материалов (стеклотекстолита, полиимида, тефлона и т.п.), применяемых в современной радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), не позволяет достичь требуемых максимальных значений удельной мощности из-за значительного перегрева изделия.

Коммутационные платы на основе DBC-керамики

Эффективный отвод тепла может быть реализован при использовании керамических коммутационных плат на основе DBC-керамики (Direct Bond Copper) – алюмооксидной или алюмонитридной керамики, плакированной толстой медной фольгой. DBC-керамика позволяет монтировать коммутационную плату непосредственно на базовое металлическое основание и обеспечивает малое тепловое сопротивление перехода между платой и основанием. Теплопроводность керамики более чем на два порядка выше по сравнению с теплопроводностью полимерных материалов, традиционно используемых для производства коммутационных плат: 24 Вт/(м·К) для алюмооксидной, 180–200 Вт/(м·К) для алюмонитридной керамики и 0,1–0,5 Вт/(м·К) для полимеров). При плотном контакте коммутационной платы с базовым металлическим основанием создаются условия для надежного отвода тепла даже при высокой удельной мощности преобразователя энергии.

Кроме того, коммутационные платы на основе керамических материалов характеризуются механической стабильностью и сохранением линейных размеров; хорошими электрическими характеристиками, в том числе в СВЧ-диапазоне; высокой радиационной стойкостью; стабильностью эксплуатационных параметров в широком диапазоне изменения свойств окружающей среды, в частности температуры и влажности. Это особенно важно при эксплуатации аппаратуры в условиях космического пространства .

Применение в конструкции РЭА керамических коммутационных плат хорошо сочетается с внедрением цифровых систем управления процессами преобразователей энергии. Перспективные методики построения преобразователей энергии на основе квазирезонансных подходов при коммутации транзисторов позволяют дополнительно снизить теряемую в тепло энергию в процессе работы источника питания. Цифровая система управления по сравнению с аналоговой дает возможность уменьшить массогабаритные параметры за счет применения меньшего числа компонентов и имеет следующие преимущества: микроконтроллер выполняет корректировку рабочей точки в процессе работы преобразователя энергии; возможна реализация синхронного выпрямления во вторичной цепи параллельно с дополнительными функциями микроконтроллера; возможно применение гальванической высокоскоростной развязки без оптопар, имеющих ограничения при работе в космосе.

Таким образом, применение DBC-керамики в конструкции преобразователей энергии и вторичных источников питания, а также систем управления, основанных на квазирезонансных подходах, позволяет значительно снизить массогабаритные показатели (рис.1) и увеличить при этом удельную мощность по сравнению с существующими аналогами.

Принцип построения преобразователя

Рассмотрим концепцию построения высокоэффективных преобразователей энергии на образце, созданном на основе алюмонитридной (AlN) керамики в качестве теплоотводящей основы для силовой части преобразователя энергии. Цифровая система управления основана на современном квазирезонансном подходе к коммутации силового транзистора. Моточный трансформатор заменен на полиимидный планарный. Конструкция образца представлена на рис.2.

Силовой блок преобразователя энергии выполнен из медного основания толщиной 0,5 мм. К силовому блоку припаяна алюмонитридная плата со смонтированными на ней компонентами, требующими отвода тепла. Алюмонитридный материал силовой платы выбран по результатам испытаний конструкции макетных образов (рис.3). В ходе испытаний на смонтированный резистор 2512 номиналом 100 Ом подавалось напряжение 10,1 В и измерялась температура его поверхности. Разность температур равна T = T_i – T₀, где T_i, T₀ – соответственно температура поверхности резистора в фиксируемый и начальный моменты времени.

Керамическая плата рассматриваемого преобразователя энергии выполнена на основе DBC-керамики (рис.4) при толщине диэлектрического слоя 130 мкм и толщине фольги 380 мкм. Переходные отверстия в керамике сделаны по типу колодца с дополнительными операциями гальванического заращивания этих отверстий медью с предварительной уникальной обработкой после лазерного удаления AlN. Такая особенность вызвана трудностью обработки керамики механическими способами, в частности сверлением, вследствие ее хрупкости. Альтернативная технология создания переходных металлизированных отверстий делает возможным выполнение топологического рисунка меди на обоих слоях керамической подложки. Двусторонняя трассировка сокращает площадь преобразователя энергии, определяемую размером керамической платы, с 7650 до 6957 мм². Значительная толщина медной фольги силовой платы при ширине проводников 2 мм позволяет преобразователю энергии выдавать в нагрузку в импульсном режиме токи до 25 А при 28 В.

Цифровой блок управления не нуждается в значительном отводе тепла и может быть выполнен на стеклотекстолитовой основе толщиной 0,5 мм с фольгой толщиной 18 мкм. Особенность данного блока заключается в квазирезонансном подходе в управлении силовым транзистором [9]. Блок выполняет постоянную оцифровку формы преобразуемой в силовой цепи энергии (рис.5) с помощью АЦП.

В массиве оцифрованных значений микроконтроллер вычисляет значения, соответствующие ложбинам (см. рис.5), в свою очередь соответствующим моментам времени, коммутация транзистора в которые будет сопровождаться минимальным значением потерь энергии. В отличие от аналогов разработанный микроконтроллер не останавливается на фиксировании положения только первой ложбины. Определение положения нескольких последующих ложбин создает гибкую последовательность импульсов управления затвором силового транзистора. Последовательность состоит из чередования импульсов разной длины с различными временными промежутками для обеспечения передачи требуемого уровня энергии (рис.6).

Регулирование выходной мощности преобразователя энергии осуществляется по принципу частотно-импульсного регулирования изменением временных промежутков между импульсами, так как требуется сохранять форму импульсов для обеспечения мягкой коммутации транзистора.

Планарный трансформатор

Планарный трансформатор в конструкции преобразователя энергии позволяет минимизировать массогабаритные параметры источника питания. Разработанный для преобразователя энергии образец планарного трансформатора имеет габариты 32/45/9 мм и массу 36,3 г. Масса альтернативного моточного трансформатора тороидальной формы равна 65,2 г при внешнем диаметре 35 мм и высоте 12 мм. Таким образом, планарный трансформатор характеризуется несколько большим объемом, но его высота и масса на 3 мм и 44,5 % меньше соответственно.

Конструкция разработанного планарного трансформатора (рис.7) имеет ряд особенностей:– для фольгированного полиимида слоев первичной и вторичной обмоток выполнены дополнительные операции гальванического наращивания меди для снижения омического сопротивления токоведущих дорожек трансформатора и обеспечения требуемого уровня тока во вторичной цепи;– введены слои полиимидной пленки между чередующимися слоями первичной и вторичной обмоток для защиты от пробоя по напряжению.Дальнейшее уменьшение высоты преобразователя возможно интегрированием трансформатора в одну из печатных плат , но требует значительного изменения конструкции.

Результаты и сравнение

В таблице представлены характеристики преобразователя энергии, разработанного на основе концепции применения современных DBC-материалов и квазирезонансных подходов в управлении процессом преобразования энергии, в сопоставлении с характеристиками передовых аналогов.

Общие характеристики преобразователей энергии

Параметр	Изготовленный образец	МДМ240-П («Александр Электрик», Россия)	CN200A («TDK Labda», Япония)
Выходное напряжение, В	28	28	24
Номинальная мощность, Вт	250	240	200
Удельная мощность, кВт/дм3	3,26	1,81	2,86
Пиковая мощность, Вт	650	–	–
Пиковая удельная мощность, кВт/дм3	8,46	–	–
Высота преобразователя, мм	11	13	12,7
Объем преобразователя, дм3	0,075	0,133	0,07
КПД при номинальной нагрузке, %	88,6	87	88
Частота преобразования, кГц	500	100	150
Масса, г	103	115	100

Исходя из данных таблицы, можно сделать вывод о целесообразности и перспективности разработки преобразователей энергии на основе предлагаемой концепции.

Заключение

Применение керамических материалов и квазирезонансный подход в управлении процессом коммутации силовых транзисторов позволили отказаться от систем отвода тепла и значительно снизить габаритные размеры преобразователя энергии и, соответственно, увеличить его удельную мощность. Удельная мощность разработанного преобразователя энергии, равная 3,26 кВт/дм³, превосходит мощность современных отечественных и зарубежных аналогов. При работе на импульсную нагрузку преобразователь энергии имеет пиковую удельную мощность 8,46 кВт/дм³ при выходной мощности 650 Вт. Медное основание играет роль фиксирующего элемента и может быть заменено на более легкую алюминиевую подложку с монтажными отверстиями для крепления преобразователя энергии.

Список использованной литературы

1. Лейте Н.Л. Перспективы развития техники печатных плат и микросборок. «Что было – что будет» // Технологии в электронной промышленности. 2011. № 7. С. 40–42.
2. Нака К., Карташев Е. LFC-технология производства керамических подложек для автомобильной промышленности // Компоненты и технологии. 2007. № 5. С. 170–172.
3. Глубоков А.А., Бондарь Д.Б., Шелковников Б.Н. Широкополосные трансформаторы для интегральных схем в технологии LTCC // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2006. № 3. С. 26–31.
4. Технология изготовления керамических теплонагруженных печатных плат на основе LTCC / В.Д. Ходжаев, К.В. Егоров, В.А. Алексеев и др. // Перспективные технологии в средствах передачи информации. 2017. С. 208–210.
5. Хроденко Т.С., Торгаш Т.Н., Яковлев А.Н., Перцель Я.М. Многослойные платы ГИС, изготовленные по технологии LTCC с применением тонких пленок // Техника радиосвязи. 2017. № 1. С. 79–91.
6. Жданкин В. Радиационно-стойкие гибридно-пленочные DC/DC-преобразователи – стандартные компоненты систем электропитания КА // Аппаратные средства. 2012. № 1. С. 26–41.
7. Иванов Е.А. Методика уменьшения значения коммутируемого напряжения в силовых ключах обратноходовых источников питания // Нано- и микросистемная техника. 2017. Т. 19. № 11. С. 694–698.
8. Егоров А.П., Огурцова С.Г. Корректор коэффициента мощности с мягким переключением с интегрированным двухключевым преобразователем с переключением при нуле напряжения // Практическая силовая электроника. 2017. № 2. С. 38–43.
9. Иванов Е.А., Якунин А.Н. Алгоритм коммутации силовых ключей обратноходовых источников питания в квазирезонансном режиме с низкими энергетическими потерями // Материалы 11-й Всероссийской науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы информатизации в науке и образовании – 2018». М.: МИЭТ, 2018. С. 48–54.
10. Антонов А.А., Картович М.С., Пичугин И.В., Васильев В.Ю. Разработка и верификация интегральной микросхемы драйвера «мягкой» коммутации силовых ключей для мощных источников электропитания // Нано- и микросистемная техника. 2015. №9. С. 57–64.
11. McMurray W. Optimum snubbers for power semiconductors // IEEE IAS transactions. 1972. Vol. I. No. 5. P. 593–600.
12. McMurray W. Selection of snubbers and clamps to optimize the design of transistor switching converters // IEEE IAS transactions. 1980. Vol. I. No. 4. P. 513–523.
13. Johansen J.K. Characterization of high power IGBT’s with sinewave current // IEEE Transactions on Industry Applications. 1994. Vol. 30. No. 5. P. 1142–1147.
14. Zhang Y., Sobhani S., Chokhawala R. Snubber considerations for IGBT applications, international rectifier designer’s manual // IGBT-3. TPAP-5. 1995. P. 135–144.
15. Любимов А.В., Иванов Е.А., Коровин Г.В., Королев А.Н. Плоский трансформатор. Патент №176671 РФ. 2018. Бюл. № 3.