Контроль над мощностью. Новые подходы к проектированию систем электропитания

Современные разработчики систем электропитания для сложных многофункциональных устройств сталкиваются с многочисленными трудностями при выборе элементной базы для построения качественного, надежного и недорогого изделия. Современная электроника, выполняющая всё более сложные задачи, требует в процессе своего функционирования огромное количество энергии, при этом требования к качеству энергии также становятся все жестче. При этом с увеличением производительности и с повышением быстродействия, потребление энергии также растет. Увеличение потребления тока ведет к тому, что для снижения различного рода аварий и повышения надежности коммутирующих устройств и соединительных проводов, необходимо использовать «умные» устройства, позволяющие контролировать различного рода перегрузки и нештатные ситуации и избегать, таким образом, аварий, что, в конечном счете, ведет к повышению надежности всей системы энергообеспечения в целом. В качестве таких «умных» устройств в современных системах электропитания все большую популярность приобретают «интеллектуальные» реле – твердотельные контроллеры мощности (общепринятое обозначение SSPC – Solid-State Power Controller). Использование современных SSPC позволяет:

- защитить нагрузку и токоведущие провода от перегрузок по току и перегрева в соответствии с мощностной характеристикой I²t;

- осуществлять точный контроль уровня потребляемой мощности;

- позволяет строить сложные системы, отслеживающие колебания мощности и реагирующие на произошедшие аварии с целью минимизации ущерба, как для нагрузки, так и для самой системы электропитания.

Современные твердотельные контроллеры мощности в качестве прародителя имеют обычное электромагнитное реле с тепловой защитой, реализованной при помощи биметаллической пластины. Протекание электрического тока через биметаллическую пластину приводило к ее нагреву, и если температура превышала установленное критическое значение, то пластина размыкалась, тем самым обеспечивалась защита от перегрузок потребителей электрической энергии и перегрева токоведущих проводов. За счет инерционности нагрева биметаллической пластины обеспечивается отсутствие ложных срабатываний защиты при кратковременных бросках мощности или перенапряжениях, возникающих при использовании нагрузок с большой реактивной составляющей, таких как различного рода двигатели. Современные требования, предъявляемые к устройствам коммутации, такие как низкий уровень электромагнитных помех, снижение массогабаритных показателей, энергоемкости управления, возможность иметь различные статусные сигналы о том в каком состоянии находится реле в данный момент, не позволяют использовать электромагнитные реле для построения современных систем электропитания.

В основе архитектуры современных твердотельных контроллеров мощности лежит система, основанная на микроконтроллере, с помощью которого реализуются все основные функции SSPC:

- включение/выключение силовых ключей, в качестве которых выступают MOSFET или IGBT транзисторы с малым уровнем потерь в статическом режиме и требуемыми динамическими характеристиками для реализации соответствующих защит;

- защиту от перегрузки по току, реализованную с использованием встроенного токоизмерительного шунта, измеренные данные с которого обрабатываются при помощи микроконтроллера, для реализации соответствующего алгоритма функционирования защиты;

- защиту от перегрева, позволяющую контролировать не только температуру силовых ключей SSPC, но и температуру в месте контакта силовой шины с соединительными проводами;

- ограничение коммутируемого напряжения, при его кратковременном превышении максимально допустимого уровня, при коммутации индуктивных нагрузок, с целью защиты, как самого реле, так и нагрузки на которую работает данный SSPC.

Рисунок 1 – Структурная схема SSPC

Согласно структурной схемы, приведенной на рисунке 1, твердотельный контроллер мощности состоит из следующих составных частей:

- встроенный DC/DC-преобразователь, обеспечивающий энергией соответствующие узлы SSPC и реализующий изоляционный барьер между частями устройства, имеющими различный потенциал;

- микроконтроллер, формирующий сигнал включения/выключения для силовых транзисторов, реализующий алгоритм функционирования защиты и формирующий статусные сигналы состояния SSPC;

- драйвер силовых транзисторов, являющийся усилителем-формирователем сигнала управления с микроконтроллера для непосредственного управления силовыми транзисторами SSPC;

- блок оптической развязки, с помощью которого через изоляционный барьер передается сигнал управления и статусные сигналы состояния SSPC;

- силовая часть, состоящая из силовых MOSFET или IGBT транзисторов, токоизмерительного шунта и терморезистора, контролирующего температуру силовой части.

Сигнал управления через оптическую развязку поступает на микроконтроллер, который формирует сигнал для включения силовых транзисторов. В зависимости от модификации SSPC сигнал управления может быть не одиночным, это может быть два или более сигнала, с помощью которых можно сформировать необходимый алгоритм управления. К примеру, может быть два входа управления – один прямой, другой инверсный, с помощью которых можно реализовать алгоритм, когда блокирование работы SSPC можно осуществить по внешнему сигналу управления, не снимая основного управляющего сигнала.

Микроконтроллер после получения соответствующего сигнала управления, разрешающего работу SSPC, включает силовые транзисторы и начинает контролировать протекающий через силовые транзисторы ток. В зависимости от алгоритма функционирования, микроконтроллер может формировать статусные сигналы, сигнализирующие о состоянии SSPC, к примеру, критерием выдачи статусного сигнала может быть протекание тока нагрузки равного 10% от номинального тока, что свидетельствует о том, что питание подано.

При превышении величины тока, протекающего через SSPC, выше номинальной, в течении промежутка времени определенного алгоритмом функционирования происходит отключение силовых транзисторов с выдачей статусного сигнала о перегрузке по току. Твердотельные контроллеры мощности спроектированы так, что реализуют характеристику I²t, определяющую значение предельной тепловой мощности, которую должно выдержать SSPC, без повреждения силовых транзисторов, при наступления короткого замыкания в нагрузке или долговременного превышения тока, способного привести к повреждению соединительных проводов. Перегрузочная характеристика функционирования SSPC, изображенная на рисунке 2, реализует функцию I²t, взятую с аналоговой модели биметаллической пластины, которая осуществляет аналогичную функцию в электромагнитных реле. Преимущества модели биметаллической пластины при реализации защиты по току очевидны:

- инерционность нагрева биметаллической пластины не позволяют реле реагировать на кратковременные коммутационные выбросы, которые неизбежны при подаче питания на любое реальное устройство, так как добиться использования только резистивной нагрузки очень сложно и как правило любой нагрузке присуща реактивная составляющая;

- наличие «тепловой памяти» пластины позволяет избегать многократных долговременных перегрузок по току, к примеру, если после восстановления функционирования SSPC после срабатывания защиты по току происходит повторная перегрузка по току, то разрыв цепи коммутации произойдет значительно быстрее, так как биметаллическая пластина уже находится в нагретом состоянии.

Рисунок 2 – Диапазон перегрузочных характеристик SSPC

Использование вышеперечисленных свойств биметаллической пластины, при реализации защиты по току в совокупности с такими преимуществами твердотельных реле по сравнению с электромагнитными, как отсутствие механических контактов, исключающих образование дуги при коммутации, снижающих уровень электромагнитных помех, низкая энергоемкость управления, позволяет создать устройство, выполняющее функции электромагнитного реле с тепловой защитой, имеющее на порядок большее значение надежности и совершенно иной уровень функциональности, позволяющие использовать SSPC в современных перспективных разработках систем электропитания.

В соответствии с перегрузочной характеристикой функционирования токовой защиты, приведенной на рисунке 2, видно, что номенклатура SSPC делится на несколько классов: верхняя и нижняя характеристики определяют границы самого распространенного диапазона срабатывания защиты по току, в пределах которого, существует еще несколько общепринятых характеристик, которые определены в зависимости от типов нагрузок, которые коммутируют при помощи SSPC.

МККТ – отечественный твердотельный контроллер мощности.

Пути, по которым пошли отечественные разработчики силовых устройств, при переходе с электромагнитных устройств на твердотельные реле, несколько отличались от путей ведущих зарубежных разработчиков в этой области. Среди отечественных разработок в сфере полупроводниковых устройств, наибольшее распространение получили полупроводниковые реле с защитой по току, алгоритм функционирования которой предельно прост: размыкание реле происходит мгновенно, при любом, даже самом небольшом превышении тока, протекающего в нагрузке, выше уровня уставки срабатывания защиты. Простота реализации реле подобного типа, как следствие имеет все вышеперечисленные недостатки при мгновенном срабатывании токовой защиты. Поэтому среди отечественных разработок практически невозможно найти устройство, соответствующее принципам построения и функционирующее по алгоритмам, подобным тем, что заложены в твердотельных контроллерах мощности – SSPC. Те устройства, с алгоритмами функционирования SSPC, что были разработаны отечественными разработчиками, как правило, реализовывались под конкретную единичную систему электропитания, и поэтому серийного выпуска не имеют.

После анализа ситуации, сложившейся на рынке устройств подобного типа, фирмой ЗАО «Электрум АВ» была проведена разработка устройств, в основу алгоритма функционирования которых были заложены принципы построения твердотельных контроллеров мощности. Разработанное устройство получило название МККТ1 – модуль коммутации и контроля тока. МККТ1 предназначен для применения в составе радиоэлектронной аппаратуры в качестве силового элемента для коммутации постоянного тока со следующими функциями:

- контроль протекания тока в нагрузке в соответствии с характеристикой I²t с защитой силовых транзисторов от перегрузки по току;

- защиту от перенапряжения сток – исток на силовых транзисторах;

- защиту от перегрева силовых транзисторов;

- выдачу статусного сигнала Ст1 при коммутации тока по критерию 10% от номинального тока;

- выдачу статусного сигнала Ст2 при срабатывании защиты по току;

- выдачу статусного сигнала Ст3 при перегреве силовых транзисторов и срабатывании защиты по перегреву.

Рисунок 3 – Структурная схема МККТ1

Согласно структурной схемы, приведенной на рисунке 3, управление модулем МККТ1 можно осуществлять при помощи двух сигналов управления: «Упр+» - прямого входа управления и «Упр-» - инверсного входа управления; для разрешения коммутации модулем тока необходимо на вход «Упр+» подать состояние логической единицы, а на вход «Упр-» подать состояние логического нуля. Таким образом, при наличии двух входов управления, возможно реализовать сложный алгоритм управления, когда состояние модуля определяется разрешающими сигнала от двух задатчиков.

Модификация модуля с прямым и инверсным входами управления имеет встроенную схему сброса модуля при срабатывании защиты: при срабатывании защиты, разрешение коммутации модуля возможно путем снятия разрешающего сигнала «Упр+» или «Упр-» и повторной его подачи, таким образом возможна реализация модулем ограничения среднего тока на определенном уровне, путем регулирования скважности управляющего сигнала.

Также разработана модификация модуля МККТ1 с внешним сбросом – МККТ1А. У модуля МККТ1А отсутствует вход «Упр-», а вместо него добавлен вход «Сброс», при подаче высокого логического уровня на который, происходит сброс модуля после срабатывания защиты. Наличие входа «Сброс» позволяет реализовать алгоритм функционирования модуля, когда будет невозможным перезапуск модуля по входу «Упр+», а снятие режима аварии будет возможно только с использованием входа «Сброс».

Рисунок 4 – Диаграмма функционирования МККТ1

Согласно диаграмме функционирования модуля МККТ1, приведенной на рисунке 4, модуль работает по следующему алгоритму. При подаче на вход «Упр+» логической единицы, а на вход «Упр-» логического нуля, происходит разрешение коммутации модулем силового напряжения Uвых и через нагрузку начинает протекать ток, величина которого измеряется при помощи встроенного в модуль токоизмерительного шунта. При превышении тока через нагрузку выше уровня Iст1, включается оптически изолированный статусный сигнал Ст1, который можно использовать для сигнализации протекания тока в нагрузке. При дальнейшем увеличении тока в нагрузке, модуль продолжает непрерывно контролировать протекающий в нагрузке ток, до момента превышения величины тока выше уровня Iзащ. При превышении уровня тока выше величины Iзащ, происходит срабатывание защиты модуля по перегрузке, с задержкой tзад.сраб.защ., зависящей от величины перегрузки по току. Если обратить внимание на рисунок 4, то видно, что задержки tзад.сраб.защ.1 и tзад.сраб.защ.2 не равны друг другу. Происходит это из-за того, что уровень перегрузки по току в случае с tзад.сраб.защ.1 ниже, чем в случае с задержкой tзад.сраб.защ.2, но и в том и в другом случае мощность потерь в соответствии с перегрузочной характеристикой I²t, приводящая к перегреву как самого модуля, так и соединительных проводов будет одинакова.

Для пояснения функционирования защиты модуля МККТ1 на рисунке 5 приведены осциллограммы срабатывания защиты модуля. Для наглядности несколько осциллограмм совмещены на одном рисунке. На осциллограмме, по каналу 1 – управляющий сигнал на входе модуля МККТ1, по каналу 2 – осциллограммы токов, протекающих в нагрузке. Отчетливо видно что, с увеличением значения тока, протекающего в нагрузке, уменьшается значение задержки срабатывания защиты по току tзад.сраб.защ.

Рисунок 5 – Осциллограмма срабатывания защиты модуля МККТ1

Силовая часть модуля МККТ1 спроектирована таким образом, чтобы выдерживать все перегрузки в допустимом диапазоне перегрузочной характеристики модуля, приведенной на рисунке 6, без выхода из строя силовых транзисторов модуля, предотвращая таким образом перегрев и выход из строя самого модуля и соединительных проводов, также не допуская протекания в нагрузке долговременного тока способного повредить нагрузку или ее составные части.

При срабатывании защиты по току происходит включение оптически изолированного статусного сигнала Ст2, сигнализирующего об аварии, который можно использовать для организации пересброса модуля, либо для подачи питания в нагрузку через резервный канал организации питания для нагрузки.

При многократном срабатывании защиты по току, приводящем к перегреву радиатора модуля выше уровня срабатывания защиты по перегреву Ткрит, происходит срабатывание защиты по перегреву, силовые транзисторы модуля отключаются, включается оптически изолированный статусный сигнал Ст3, сигнализирующий о превышении температуры силовых транзисторов модуля выше уровня срабатывания защиты модуля по перегреву. Разрешение коммутации модуля произойдет только в том случае, если температура силовых транзисторов модуля МККТ1 снизиться ниже уровня Траз, свидетельствующего о том, что функционирование силовых транзисторов модуля вновь осуществляется в пределах области безопасной работы транзисторов.

Согласно диаграмме на рисунке 4 пересброс модуля МККТ1 после срабатывания защиты можно организовать, как при помощи входного управляющего сигнала «Упр+», так и при помощи сигнала «Упр-». Если на вход «Упр-» подать состояние логического нуля, а на вход подавать прямоугольные импульсы необходимой скважности, то при срабатывании защиты по перегрузке по току при поступлении следующего разрешающего импульса на вход «Упр+» произойдет внутренний сброс модуля и модуль возобновит коммутацию. Таким образом, управляя скважностью сигналов на входе модуля «Упр+» в режиме срабатывания защиты модуля по току, можно регулировать величину среднего тока протекающую через модуль.

Рисунок 6 – Перегрузочная характеристика модуля МККТ1

Модуль МККТ1 можно использовать в качестве быстродействующего ключа с защитой по току, способного осуществлять коммутацию с частотой до 30 кГц, но в этом режиме эффективность обеспечения модулем защиты снижается. К примеру, на частоте коммутации 10 кГц, защита модуля согласно перегрузочной характеристике модуля, приведенной на рисунке 5, будет срабатывать только при токе нагрузке в 3…4 раза превышающей максимальный ток коммутации модулем. При таком режиме срабатывания защиты, долговременное функционирование модуля, когда коммутируемый ток превышает максимальный ток в 2…3 раза, будет приводить к регулярному перегреванию силовых транзисторов модуля и срабатывании защиты по перегреву. Наличие многократных предельных энергоциклов перегрева, снижает надежность силовых транзисторов, используемых в модуле, и может привести к преждевременному выходу модуля из строя. Поэтому перед принятием решения об использование модуля МККТ1 в качестве быстродействующего ключа, разработчик устройства должен тщательно изучить все аспекты данного применения модуля МККТ1 (в том числе с предварительным макетированием устройства), во избежание разработки устройства с низкой надежностью в целом, из-за неучтенных последствий применения модуля.

Рисунок 7 – Схема электропитания с модулем МККТ1

Наиболее оптимальным применением приборов серии МККТ является их использование в качестве первичного защитного элемента обеспечивающего питание для сложного устройства с возможностью эффективной защиты всего устройства в целом. Примерная структурная схема подобного устройства изображена на рисунке 7. Модуль МККТ1 контролирует общий  ток, протекающий в цепи нагрузки. Система управления, формируя соответствующие управляющие сигналы, обеспечивает нагрузку необходимым питанием, как при помощи быстродействующего реле, так и без него. В качестве нагрузки может выступать сложная система, в процессе своего функционирования потребляющая ток в широком диапазоне. Обмен информацией системы управления с модулем МККТ позволяет системе принять необходимое решение при наступлении той или иной аварии, что позволит предотвратить различные повреждения и выходы из строя в результате перегрузок. Выбросы, возникающие при включении и выключении быстродействующих реле в особенности при работе реле на реактивную нагрузку не будут приводить к срабатыванию защиты модуля МККТ1, так как длительности во время которых через модуль МККТ1 протекает повышенный ток составляют, как правило, от сотен микросекунд до десятков миллисекунд, что согласно перегрузочной характеристике модуля, приведенной на рисунке 6, входит в область допустимых перегрузок, не приводящих к срабатыванию защиты модуля. В случае, если средний ток через нагрузку превысит уровень срабатывания защиты в течении времени не входящем в область допустимых перегрузок модуля, а также если в нагрузке или соединительных проводах произойдет короткое замыкание, произойдет срабатывание защиты модуля по току.

Рисунок 8 – Схема резервирования с использованием МККТ1

Другой перспективной областью применения модулей МККТ1 является построение сложных систем с резервированием питания. Пример реализации подобной системы изображен на рисунке 8. Нагрузка получает питание через произвольное количество каналов, либо от общего мощного источника питания, либо от отдельных источников питания с небольшой мощностью. Сложность архитектуры построения системы определяется требованиями надежности, функциональности, эффективности функционирования, простоты проверки  и отладки на этапе ввода устройства в эксплуатацию, предъявляемыми ко всей системе электропитания в целом. Система управления формирует соответствующие сигналы управления, включающие необходимое количество каналов подачи питания к нагрузке при повышении потребления нагрузкой тока или при срабатывании у какого-либо модуля МККТ защиты по перегреву или по перегрузке по току. Быстродействие модуля МККТ1 позволяет в течении 1…10 мкс сигнализировать о необходимости в дополнительной мощности для нагрузки и включить дополнительное количество каналов питания или переключить нагрузку на другой источник питания, тем самым обеспечивается бесперебойная работа во всем диапазоне режимов потребления тока нагрузкой.

Рисунок 9 – Модули МККТ1

АО «Электрум АВ» разработан широкий спектр номенклатуры устройств типа МККТ1, в который входят:

- модификации с различным напряжением питания – 15, 24 и 36 В;

- модификации с различным максимально допустимым пробивным напряжением транзисторов силовой части модуля – 60, 100, 200, 400, 600, 1200 В;

- модули на различный максимальный коммутируемый ток – 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 75, 90, 120, 150, 180, 240, 320 А;

- два варианта управления – модули с прямым и инверсным управлением с наличием внутреннего сброса и модули с прямым управлением с внешним сбросом;

- два типоразмера корпусов выпускаемых модулей;

- различные варианты перегрузочной характеристики I²t.

Перспективы развития твердотельных контроллеров мощности.

Современные тенденции проектирования радиоэлектронных устройств таковы, что при создании нового устройства разработчик, как правило, стремиться использовать в его составе как можно большее количество готовых блоков, выполняющих определенные функции, которые разработчику необходимо всего лишь грамотно объединить в систему и запрограммировать получившееся устройство на выполнение необходимых функций. Поэтому более востребованным, будет тот функциональный блок, который выполняет максимальное количество функций, при тех же массогабаритных показателях и еще лучше, при той же стоимости. Так, к примеру, бóльшим спросом пользуется не просто реле с защитой по току, а реле, в котором можно регулировать уровень срабатывания защиты по току в широком диапазоне значений.

Рисунок 10 – Структурная схема перспективных SSPC

Поэтому на смену твердотельным контроллерам мощности в прежнем их понимании будут приходить новые, более функциональные устройства. На рисунке 10 приведена примерная структурная схема твердотельных контроллеров мощности, в соответствии с которой были разработаны самые современные на данный момент времени SSPC, а также те из устройств, разработка которых только ведется.

Во всех SSPC нового поколения имеются возможность программирования основных параметров и режимов функционирования модуля. Программирование осуществляется при помощи подключения резисторов соответствующего номинала к опорному напряжению, выведенному из модуля, как правило, по «высокой стороне» коммутируемого напряжения. Использование такого способа подключения резисторов программирования удобно в плане осуществления гальванической развязки, так как нет необходимости передавать сигналы программирования через барьер изоляции, недостатком здесь является невозможность оперативного изменения необходимых параметров функционирования при помощи системы управления модулем.

«Значение максимального тока» - с помощью этой уставки можно изменять значение тока срабатывания защиты. К примеру, если имеется модуль с максимальным коммутируемым током в 50 А, а конкретные режимы функционирования нагрузки определяют допустимый ток, протекающий в нагрузке равным 30 А, то установкой резистора соответствующего номинала, можно задать уставку срабатывания защиты равной 30 А. Таким образом, меняя номинал резистора R1 можно регулировать значение тока срабатывания защиты в диапазоне 0…100%.

«Уровень перегрузки» - регулирование этой уставки позволяет изменять перегрузочную характеристику модуля I²t. Возможность менять максимальный уровень перегрузки позволяет точно настроить SSPC под режимы функционирования нагрузки, позволяющие без аварийных отключений осуществлять включение нагрузок с большой реактивной составляющей, избегая при этом повреждения и выхода из строя соединительных проводов и самого модуля SSPC. Изменяя номинал резистора R2, можно регулировать уровень перегрузки от максимально допустимой перегрузки для модуля данного класса до минимального значения, при котором еще целесообразно функционирование модуля, как правило, минимальная величина уровня перегрузки не должна снижаться меньше 200% от максимального коммутируемого модулем тока.

«Уровень нагрузки» - наличие этой уставки позволяет задавать значение тока, при котором будет включаться статусный сигнал, сигнализирующий об уровне загруженности модуля. Диапазон, в котором, как правило, задается значение данной уставки, составляет 10…90% от величины тока срабатывания защиты. Если ток, протекающий в нагрузке, ниже значения уставки «Уровень нагрузки», то на выходе статусного сигнала высокий логический уровень, как только ток в нагрузке превышает значение уставки, статусный выход переходит в низкое логическое состояние. Возможность изменения данной уставки позволяет более рационально распределять уровни загрузок модулей в системах с резервированием каналов подачи питания или создавать эффективную сигнализацию об уровне нагрузки модуля.

При создании систем электропитания с большим количеством однотипных силовых реле удобно пользоваться многоканальными блоками силовых коммутационных устройств. Имеются реализации подобных блоков и на основе твердотельных контроллеров мощности. Как правило, подобные блоки содержат 2, 4, 8 или 16 каналов с независимой организацией защиты в каждом канале. Обмен данных такого блока SSPC с системой управления, как правило, реализуется при помощи сетевых протоколов обмена данных, что позволяет организовать программирование, дистанционное управление уровнем загрузки каждого модуля в составе блока, организовать контроль состояния нагрузки, уровня коммутируемой мощности и ее качество, что позволяет создавать целые комплексы с возможностью централизованного управления. Наличие возможности запараллеливания каналов SSPC позволяет создать конфигурацию устройства с очень большим максимальным коммутируемым током, при очень низком значении потерь мощности на сопротивлении открытых силовых транзисторов, что снижает перегрев и позволяет обойтись без громоздкой системы охлаждения блока.

Рисунок 11 – Перегрузочные характеристики разрабатываемых МККТ

АО «Электрум АВ» производит регулярную модернизацию твердотельных контроллеров мощности типа МККТ1 и занимается разработкой нового поколения приборов МККТ, учитывающего все современные требования, предъявляемые к устройствам подобного типа. Так, к примеру, ведется разработка  серии приборов, с различными классами перегрузочных характеристик, пример которых изображен на рисунке 11, с возможностью реализации программирования различных режимов функционирования.

Заключение

Построение надежной и эффективной системы электропитания невозможно без тщательной проработки вариантов использования устройств, используемых в разработке, изучения особенностей функционирования при различных условиях эксплуатации, самого жесткого отбора комплектации используемой при производстве изделий. Грамотное использование современных многофункциональных силовых модулей и блоков позволяет в короткие сроки реализовать большой спектр недорогих, надежных и эффективных устройств.

Список литературы

1. Материалы сайта АО «Электрум АВ» www.electrum-av.com