УДК 621.3

Подходы к проектированию малогабаритного силового DC-DC преобразователя

Непомнящих Денис Владимирович – инженер-технолог 1 категории Научно-производственной фирмы «Микран»

Чучупало Александр Михайлович – начальник сектора УП Научно-производственного объединения «Полюс»

Кулинич Иван Владимирович – кандидат технических наук, старший научный сотрудник Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники

Аннотация: В работе представлены результаты проведенных исследований и разработка DC-DC преобразователя на основе технология импульсных источников питания с ШИМ. В качестве контроллеров ШИМ, использовалась микросхема 1114ЕУ7. Проведены исследования динамических потерь, анализ зависимости КПД от частоты коммутации.

Ключевые слова: GaN транзистор, DC-DC преобразователь, вторичный источник питания.

Введение

Тысячи спутников следят за планетой круглые сутки, благодаря чему появилось множество удобных для человека услуг. Для работы любой электронной аппаратуры требуется источник питания (батарея) и различные функциональные узлы (потребители). В зависимости от функций потребителей, они так же отличаются напряжением питания и мощностью. Следовательно, используя один источник питания с фиксированным напряжением, требуется использование вторичных источников питания, которые выполняют функцию преобразования напряжения. Среда обитания спутников накладывает дополнительные требования к элементам аппаратуры, которые обусловлены наличием радиации в космосе.

Существуют различные способы борьбы с радиационным воздействием, одним из которых является использование радиационно-устойчивых МОП-транзисторов, но для достижения высокой радиационной стойкости производители ухудшают мощностные параметры прибора. В результате источники питания космического уровня на основе МОП технологии имеют существенно меньшую эффективность преобразования, чем источники питания, применяемые в наземных приложениях. Нитрид галлия (GaN), широкозонный полупроводник с более высокой эффективностью преобразования энергии, чем у кремния, и собственной радиационной защитой, стал одной из последних инноваций. Помимо значительного повышения эффективности коммерческих преобразователей постоянного тока в постоянный ток различных топологий и уровней мощности, полевые транзисторы на основе GaN также продемонстрировали исключительную устойчивость к гамма-излучению [1]. На российском рынке отсутствуют отечественные малогабаритные источники питания на основе GaN транзисторов, что в обусловлено отсутствием коммерческой технологии производства силовых GaN транзисторов на Российских фабриках.

В представленной работе проведена разработка DC-DC преобразователя напряжения, результаты которой позволили сформировать требования к разрабатываемой технологии изготовления GaN силовых трназисторов.

Теоретическая часть

Среди источников питания можно рассматривать три основные технология преобразования энергии [2-3]:

  1. Линейные стабилизаторы;
  2. Импульсные источники питания с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ);
  3. Резонансная технология импульсных источников питания с высоким КПД.

Сравнение технологий по ряду показателей представлено в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Сравнительная таблица источников питания.

Показатель

Линейные стабилизаторы

Импульсные источники питания с ШИМ

Резонансная технология импульсных источников

Стоимость

Низкая

Высокая

Очень высокая

Масса

Большая

Небольшая

Небольшая

КПД

35-50%

70-85%

78-92%

Несколько выводов

Нет

Есть

Есть

По результатам анализа показателей таблицы 2.1 для DC-DC преобразователя был выбрана технология импульсных источников питания с ШИМ, т.к. линейные стабилизаторы проигрывают по всем показателям кроме стоимости, а у резонансных источников питания при не значительном выигрыше по КПД, гораздо выше стоимость конечного продукта.

Функциональная блок-схема импульсных источников питания с широтно-импульсной модуляцией представлена на рисунке 2.1.

image001

Рисунок 2.1. Функциональная блок-схема импульсных источников питания с широтно-импульсной модуляцией.

Для проектирования топологий импульсных источников питания с широтно-импульсной модуляцией, по показателям КПД и относительная стоимость элементов, была выбрана топологию обратноходовых преобразователей.

Исследование драйвера управления

Для выбора схемы управления оценим наиболее важными аспектами являются:

  • Небольшое количество элементов;
  • Управление в токовом режиме;
  • Выход драйвера на полевом транзисторе(двухтактный);
  • Один выходной драйвер;
  • Низкая стоимость;
  • Блокировка недостаточного напряжения;
  • 50%-ое ограничение рабочего цикла.

Из списка доступных на Российском рынке микросхем контроллеров ШИМ, была выбрана микросхема 1114ЕУ7 (аналог UC3845P), которая удовлетворяет всем вышеперечисленным требованиям.

Экспериментальная часть

На рисунке 3.1 представлена электрическая принципиальная схема DC-DC преобразователя:

image002

Рисунок 3.1. Электрическая принципиальная схема DC-DC преобразователя.

DC-DC преобразователь реализован на ШИМ-контроллере 1114ЕУ7, упрощенная структурная схема представлена на рисунке 2.2.

Схема постоянного питания ШИМ-контроллера организуется IV обмоткой трансформатора. Также присутствует узел, который позволяет первичный запуск UC3845N, после чего контроллер начинает работать от IV обмотки. Вторая обмотка предназначена для обеспечения питания потребителя. Были проведены расчеты параметров компонентов схемы и собран макета источника питания. Для запуска, настройки и измерения параметров DC-DC преобразователя, был собран измерительный стенд, включающий макет DC-DC преобразователя, осциллограф, нагрузка и источник питания.

Проведение измерений

Для проверки параметров макета DC-DC преобразователя, была подключена электронная нагрузка и были получены результаты выходного тока и напряжения и рассчитан КПД (таблице 2.2).

Таблица 2.2. Электрические параметры макета DC-DC преобразователя в зависимости от нагрузки.

Uвх

Iвх

Uвых

Iвых

КПД

60

0,22

20,13

0,5

0,78

60

0,42

20,07

1

0,79

60

0,63

20,03

1,5

0,79

60

0,82

20,01

2

0,81

60

1,02

20

2,5

0,82

60

1,23

20

3

0,81

60

1,46

20,02

3,5

0,8

60

1,71

20

4

0,78

60

1,90

19,99

4,5

0,79

60

2,08

19,97

5

0,8

В таблице 2.3 приведен сравнительный анализ динамических потерь от частоты коммутации при одинаковом напряжении и токе для IRF530 и GS66504B.

Таблица 2.3. Сравнительный анализ динамических потерь транзисторов.

F, кГц

IRF530, Psw Вт

GS66504B, Psw Вт

150

4,07

0,81

500

13,55

2,71

1000

27,11

5,42

1500

40,66

8,13

2000

54,22

10,84

 

На основе анализ динамических потерь от частоты коммутации был проведен анализ зависимости КПД от частоты коммутации при одинаковом напряжении питания 60 В и токе нагрузки 5 А для IRF530 и GS66504B. Результаты анализа представлены в таблице 2.4.

Таблица 2.4. Сравнительный анализ зависимости КПД от частоты коммутации при напряжении питания 60 В.

F, кГц

IRF530 КПД, %

GS66504B КПД, %

150

0,80

0,82

500

0,74

0,81

1000

0,68

0,79

1500

0,62

0,77

2000

0,57

0,76

Также одной из трудностей перехода на более высокую частоту преобразования является необходимость соблюдения ГОСТ Р 51317.2.5-2000 «СОВМЕСТИМОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ОБСТАНОВКА Классификация электромагнитных помех в местах размещения технических средств». В соответствии с ГОСТ Р 51317.2.5-2000, чем выше частота сигнала, тем жестче к нему требования.

В случае со схемами, использующими GaN-транзисторы, для снижения помехоэмиссии крайне важно контролировать и минимизировать проникновение шумов от источника питания в цепь затвора. Сигналы с высокой скоростью dV/dt и di/dt в сочетании с минимальной входной емкостью затвора и низким пороговым напряжением «затвор-исток» приводят к тому, что шумы и помехи в цепи затвора, а также эффект Миллера способны вызывать осцилляции и звон. Результатом этого становятся ложные переключения, снижение эффективности и даже отказ устройства.

Заключение

В ходе проведенной работы был проведен расчет блока трансформации энергии, блока фильтров в силовом преобразователи. В результате был спроектирован DC-DC преобразователя на ШИМ-контроллере 1114ЕУ7, определены номиналы необходимых для работы микросхемы компонентов, проведен расчет расчете трансформатора. Проведенные исследование характеристик силового преобразователя показали, что, при увеличении частоты работы преобразователя и использовании одного типа магнитопровода, объем и масса трансформатора уменьшается в 2 раза. Увеличение частоты работы преобразователя снижает КПД на 6 %.

Работа выполнена в рамках договора 56ГУРЭС14/72773 от 28.12.2021 фонда содействия инновациям.

Список литературы

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Rad-tolerant DC/DC Converters based on GaN Improve Efficiency in Critical Applications. EEWEB, June 2022.
  2. Weijia ZhangYahui Leng A Gate Driver IC for Enhancement Mode GaN Power Transistors with SenseFET Reverse Conduction Detection Circuit ISPS 2018.
  3. Yangyang Lu A 600 V high voltage gate driver IC with excellent allowable negative VS bias capability for E-mode GaN power devices Analog Integrated Circuits and Signal Processing 2020.

Интересная статья? Поделись ей с другими: