eng
Выпуск #1/1998
Ю. Конев,А. Гончаров,В. Колосов.
Отечественная энергетическая электроника: проблемы, тенденции, достижения
Отечественная энергетическая электроника: проблемы, тенденции, достижения
Просмотры: 2900
Продолжаем серию статей, посвященных проблемам и тенденциям развития отечественной энергетической электроники, а также анализу российских достижений в этой области в сравнении с зарубежными.
Удельные конструктивно-энергетические показатели ИВЭП
Как известно, источники вторичного электропитания (ИВЭП) в значительной степени определяют характеристики современной радиоэлектронной аппаратуры. Поэтому миниатюризация ИВЭП и повышение их КПД при заданной выходной мощности имеют важнейшее значение для конкретных систем, в которых они используются.
Одним из основных показателей ИВЭП считается удельная мощность, т.е. выходная мощность источника питания, приходящаяся на единицу объема. Однако в оценке этого параметра зарубежными и отечественными производителями ИВЭП существует принципиальное различие. Корректность этих оценок можно проверить на примере конверторных модулей класса DC/DC, в которых наиболее ярко проявляются тенденции развития ИВЭП.
Зарубежные фирмы-производители ИВЭП (в основном, фирмы США) для характеристики своих изделий используют по существу рыночное определение удельной мощности, которое, как они полагают, наилучшим образом отражает достигнутый уровень по габаритам и энергетической эффективности. Назовем этот показатель рыночной удельной мощностью [1]:
...
Последние 10–15 лет рыночная удельная мощность модулей ИВЭП непрерывно повышается. Типовые значения Wр производимых модулей класса DC/DC составляют 200–850 Вт/дм3 для изделий с выходной мощностью 3–15 Вт и 1000–2200 Вт/дм3 для модулей с выходной мощностью 100–200 Вт. В рекламных материалах американских фирм уже появились сообщения о создании модулей сWp=4000–6100 Вт/дм3. Естественно, такие ИВЭП кажутся весьма привлекательными некоторым нашим службам, приобретающим комплектующие изделия для систем. Однако реальную пригодность подобных ИВЭП для конкретных радиоэлектронных систем невозможно оценить без учета по крайней мере таких параметров ИВЭП, как КПД (h) и площадь поверхности, необходимая для отвода в окружающую среду единицы мощности (Sто), при заданных коэффициенте теплоотдачи и разности температур корпус ИВЭП–окружающая среда. Именно поэтому отечественными производителями ИВЭП предложено понятие системной удельной мощности WC [2].
При размещении ИВЭП на печатных платах, расположенных с шагом Н, системная удельная мощность составляет:
Wс=2h/Н Sто(1-h).
Анализ показывает, что при значительном разбросе значений Wр у ИВЭП, производимых различными фирмами, (например, от 300 до 2200 Вт/дм3), их системная удельная мощность Wс колеблется в значительно меньших пределах, составляя 150–300 Вт/дм3. Различия между Wр и Wс объясняются тем, что в определении рыночной удельной мощности не учитываются КПД ИВЭП и расстояние между печатными платами, необходимое для обеспечения теплоотвода. Конечно, есть множество конструктивных способов построения аппаратуры и ИВЭП могут монтироваться в ней по-разному, однако снижение реальной удельной мощности в системе по отношению к Wр – общая закономерность для всех методов сборки.
Сейчас формируется новый – “маркетинговый” – способ оценки реальной удельной мощности ИВЭП в системе. В соответствии с ним, чтобы выбрать наиболее эффективные модули ИВЭП с учетом цены, условий поставки, надежности и т.п., крайне важно сравнить модули ИВЭП различных фирм в составе радиоэлектронной аппаратуры и в унифицированных условиях охлаждения. В связи с этим было предложено ввести сравнительный показатель унифицированной удельной мощности Wуниф, т.е. удельной мощности модуля ИВЭП в единых для всех сравниваемых модулей ИВЭП условиях охлаждения [3,4].
При определении Wуниф исходят из того, что простейшим теплоотводом модуля ИВЭП служит конвекционный радиатор, который при Sто=0,25 дм2/Вт в большинстве случаев обеспечивает допустимый перегрев поверхности ИВЭП в 30–45ОС по отношению к температуре окружающей среды. Более эффективные теплоотводы – кондуктивный, принудительный воздушный и т.п. – снижают определенный для конвекционного теплоотвода перегрев. В этом случае для сравнения модулей может быть использовано значение Sто, присущее конкретной системе охлаждения. Например, при интенсивном обдуве ненагретым воздухом можно использовать Sто=0,05 дм2/Вт (значение Sто, как правило, определяют экспериментально).
Введем понятие коэффициента тепловой напряженности поверхности модуля ИВЭП (Ктн), который показывает, во сколько раз с учетом устройств охлаждения увеличивается площадь, занимаемая в системе низкопрофильным модулем ИВЭП, и, одновременно, во сколько раз уменьшается максимальная выходная мощность модуля при его работе без устройств охлаждения:
Ктн=Sто Pвых(1–h)/Sh , где S – площадь собственной теплоотводящей поверхности модуля.
Теперь понятие сравнительного показателя унифицированной удельной мощности логично представить как
Wуниф=Wр (при КтнЈ1) и Wуниф=Wр/Ктн= =Sh/0,25V(1-h ) (при Ктн>1).
Как видим, этот показатель учитывает КПД, собственную теплоотводящую поверхность и объем ИВЭП, что крайне важно для объективной оценки различных ИВЭП в системе. Размерность показателя Вт/дм3 удобна для тех, кто привык измерять удельную мощность ИВЭП в этих единицах. Обоснованность введения предложенного показателя подтверждает следующий пример.
Возьмем два низкопрофильных модуля DC/DC мощностью 5 Вт. Первый – модуль MSA2805S-5 фирмы Inter Point – имеет габариты 27х27х7 мм и КПД 0,73. Его рыночная удельная мощность Wр?0 Вт/дм3. Второй – модуль PKF4611S1 фирмы Ericsson – имеет габариты 48х24х8 мм и КПД 0,83. Его WрT3 Вт/дм3. Сравнение модулей по Wр указывает на весьма высокий для приведенной выходной мощности рыночный уровень первого модуля – он кажется почти в два раза эффективнее второго. Однако если учесть более низкий КПД первого модуля и дефицит его поверхности для отвода тепла по сравнению со вторым (Wуниф1F9 Вт/дм3 и Wуниф2T3 Вт/дм3), окажется, что второй модуль займет в системе заметно меньше пространства, чем первый, а осуществить теплоотвод от него проще – в ряде случаев отдельный радиатор может не понадобиться вовсе. Если разработчика системы устраивают и другие характеристики второго модуля, его можно признать более эффективным для системы, в том числе и по экономическим показателям.
Еще значительнее будут отличаться результаты, если сравнить рассмотренные модули по показателю системной удельной мощности Wс. Для примера рассмотрим случай размещения ИВЭП на печатных платах, расположенных в аппаратуре с шагом Н=0,2 дм. Значения Wс для модулей составят: Wс1 8Вт/дм3 и Wс 2 5 Вт/дм3. Поскольку в отечественных модулях ИВЭП, как правило, разрабатываемых для конкретных систем, все названные выше особенности учтены, сравнение их с зарубежными изделиями может дать неплохие результаты.
НТФ “Энергетическая электроника” располагает результатами сравнения по Wуниф низкопрофильных модулей ИВЭП класса DC/DC производства ряда зарубежных и отечественных фирм. В таблице приведены основные конструктивно-энергетические показатели некоторых из них. Для объективного сравнения взяты модули с выходным напряжением 5 В, которые распределены по пяти группам в соответствии с выходными мощностями.
Из приведенных данных видно, что принятые зарубежными фирмами показатели рыночной удельной мощности Wр порой дезориентируют разработчиков и производителей систем. Модули с большими значениями Wр, особенно с большой выходной мощностью, как правило, использующие уникальную элементную базу и дорогостоящие материалы плат и корпуса, в ряде случаев могут оказаться гораздо менее эффективными (как по энергетическим, так и по экономическим показателям), чем модули средних габаритов, использующие стандартную элементную базу, недорогие материалы и изготавливаемые по отработанной технологии.
Среди высокоэффективных зарубежных модулей ИВЭП заслуживают внимания модули фирмы Ericsson, проектировавшиеся с оптимизацией по тепловой напряженности. Значение их Sто близко к 0,25 дм2/Вт для выходных мощностей 5–25 Вт, что в большинстве случаев позволяет обходиться без дополнительных устройств охлаждения. Модули японской фирмы Nemic-Lambda имеют высокие удельные показатели, их КПД при выходном напряжении 5 В достигает 90%.
Исследования, проводимые НТФ “Энергетическая электроника” в рамках программы “Постановка серийного производства модулей вторичного электропитания для аппаратуры ВВТ на основе высокоэффективных технических решений и ресурсосберегающих технологий”, показывают, что при меньшей стоимости модули отечественных ИВЭП имеют характеристики, близкие к зарубежным. Использование перспективных, но более дорогих отечественных конструктивно-технологических решений и элементной базы позволит при необходимости повысить удельные показатели российских ИВЭП.
Литература
1. Конев Ю.И., Гончаров А.Ю., Колосов В.А. Отечественная энергетическая электроника: проблемы, тенденции, достижения. – Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 1997,№6 .
2. Конев Ю.И. Проблемы ресурсосбережения в энергетической электронике. – Радиопромышленность, 1996, N1.
3. Гончаров А.Ю. Российское производство конверторных модулей электропитания. – Электроника и компоненты, 1997,№3.
4. Гончаров А.Ю., Титкин В.М., Рыбак А.Л. Необходимые технические характеристики ИВЭП по результатам маркетинга российского рынка. – Тезисы доклада на заседании подсекции “Научные проблемы источников вторичного электропитания” Научного совета по электрофизике и электроэнергетике РАН, 1997.
Как известно, источники вторичного электропитания (ИВЭП) в значительной степени определяют характеристики современной радиоэлектронной аппаратуры. Поэтому миниатюризация ИВЭП и повышение их КПД при заданной выходной мощности имеют важнейшее значение для конкретных систем, в которых они используются.
Одним из основных показателей ИВЭП считается удельная мощность, т.е. выходная мощность источника питания, приходящаяся на единицу объема. Однако в оценке этого параметра зарубежными и отечественными производителями ИВЭП существует принципиальное различие. Корректность этих оценок можно проверить на примере конверторных модулей класса DC/DC, в которых наиболее ярко проявляются тенденции развития ИВЭП.
Зарубежные фирмы-производители ИВЭП (в основном, фирмы США) для характеристики своих изделий используют по существу рыночное определение удельной мощности, которое, как они полагают, наилучшим образом отражает достигнутый уровень по габаритам и энергетической эффективности. Назовем этот показатель рыночной удельной мощностью [1]:
...
Последние 10–15 лет рыночная удельная мощность модулей ИВЭП непрерывно повышается. Типовые значения Wр производимых модулей класса DC/DC составляют 200–850 Вт/дм3 для изделий с выходной мощностью 3–15 Вт и 1000–2200 Вт/дм3 для модулей с выходной мощностью 100–200 Вт. В рекламных материалах американских фирм уже появились сообщения о создании модулей сWp=4000–6100 Вт/дм3. Естественно, такие ИВЭП кажутся весьма привлекательными некоторым нашим службам, приобретающим комплектующие изделия для систем. Однако реальную пригодность подобных ИВЭП для конкретных радиоэлектронных систем невозможно оценить без учета по крайней мере таких параметров ИВЭП, как КПД (h) и площадь поверхности, необходимая для отвода в окружающую среду единицы мощности (Sто), при заданных коэффициенте теплоотдачи и разности температур корпус ИВЭП–окружающая среда. Именно поэтому отечественными производителями ИВЭП предложено понятие системной удельной мощности WC [2].
При размещении ИВЭП на печатных платах, расположенных с шагом Н, системная удельная мощность составляет:
Wс=2h/Н Sто(1-h).
Анализ показывает, что при значительном разбросе значений Wр у ИВЭП, производимых различными фирмами, (например, от 300 до 2200 Вт/дм3), их системная удельная мощность Wс колеблется в значительно меньших пределах, составляя 150–300 Вт/дм3. Различия между Wр и Wс объясняются тем, что в определении рыночной удельной мощности не учитываются КПД ИВЭП и расстояние между печатными платами, необходимое для обеспечения теплоотвода. Конечно, есть множество конструктивных способов построения аппаратуры и ИВЭП могут монтироваться в ней по-разному, однако снижение реальной удельной мощности в системе по отношению к Wр – общая закономерность для всех методов сборки.
Сейчас формируется новый – “маркетинговый” – способ оценки реальной удельной мощности ИВЭП в системе. В соответствии с ним, чтобы выбрать наиболее эффективные модули ИВЭП с учетом цены, условий поставки, надежности и т.п., крайне важно сравнить модули ИВЭП различных фирм в составе радиоэлектронной аппаратуры и в унифицированных условиях охлаждения. В связи с этим было предложено ввести сравнительный показатель унифицированной удельной мощности Wуниф, т.е. удельной мощности модуля ИВЭП в единых для всех сравниваемых модулей ИВЭП условиях охлаждения [3,4].
При определении Wуниф исходят из того, что простейшим теплоотводом модуля ИВЭП служит конвекционный радиатор, который при Sто=0,25 дм2/Вт в большинстве случаев обеспечивает допустимый перегрев поверхности ИВЭП в 30–45ОС по отношению к температуре окружающей среды. Более эффективные теплоотводы – кондуктивный, принудительный воздушный и т.п. – снижают определенный для конвекционного теплоотвода перегрев. В этом случае для сравнения модулей может быть использовано значение Sто, присущее конкретной системе охлаждения. Например, при интенсивном обдуве ненагретым воздухом можно использовать Sто=0,05 дм2/Вт (значение Sто, как правило, определяют экспериментально).
Введем понятие коэффициента тепловой напряженности поверхности модуля ИВЭП (Ктн), который показывает, во сколько раз с учетом устройств охлаждения увеличивается площадь, занимаемая в системе низкопрофильным модулем ИВЭП, и, одновременно, во сколько раз уменьшается максимальная выходная мощность модуля при его работе без устройств охлаждения:
Ктн=Sто Pвых(1–h)/Sh , где S – площадь собственной теплоотводящей поверхности модуля.
Теперь понятие сравнительного показателя унифицированной удельной мощности логично представить как
Wуниф=Wр (при КтнЈ1) и Wуниф=Wр/Ктн= =Sh/0,25V(1-h ) (при Ктн>1).
Как видим, этот показатель учитывает КПД, собственную теплоотводящую поверхность и объем ИВЭП, что крайне важно для объективной оценки различных ИВЭП в системе. Размерность показателя Вт/дм3 удобна для тех, кто привык измерять удельную мощность ИВЭП в этих единицах. Обоснованность введения предложенного показателя подтверждает следующий пример.
Возьмем два низкопрофильных модуля DC/DC мощностью 5 Вт. Первый – модуль MSA2805S-5 фирмы Inter Point – имеет габариты 27х27х7 мм и КПД 0,73. Его рыночная удельная мощность Wр?0 Вт/дм3. Второй – модуль PKF4611S1 фирмы Ericsson – имеет габариты 48х24х8 мм и КПД 0,83. Его WрT3 Вт/дм3. Сравнение модулей по Wр указывает на весьма высокий для приведенной выходной мощности рыночный уровень первого модуля – он кажется почти в два раза эффективнее второго. Однако если учесть более низкий КПД первого модуля и дефицит его поверхности для отвода тепла по сравнению со вторым (Wуниф1F9 Вт/дм3 и Wуниф2T3 Вт/дм3), окажется, что второй модуль займет в системе заметно меньше пространства, чем первый, а осуществить теплоотвод от него проще – в ряде случаев отдельный радиатор может не понадобиться вовсе. Если разработчика системы устраивают и другие характеристики второго модуля, его можно признать более эффективным для системы, в том числе и по экономическим показателям.
Еще значительнее будут отличаться результаты, если сравнить рассмотренные модули по показателю системной удельной мощности Wс. Для примера рассмотрим случай размещения ИВЭП на печатных платах, расположенных в аппаратуре с шагом Н=0,2 дм. Значения Wс для модулей составят: Wс1 8Вт/дм3 и Wс 2 5 Вт/дм3. Поскольку в отечественных модулях ИВЭП, как правило, разрабатываемых для конкретных систем, все названные выше особенности учтены, сравнение их с зарубежными изделиями может дать неплохие результаты.
НТФ “Энергетическая электроника” располагает результатами сравнения по Wуниф низкопрофильных модулей ИВЭП класса DC/DC производства ряда зарубежных и отечественных фирм. В таблице приведены основные конструктивно-энергетические показатели некоторых из них. Для объективного сравнения взяты модули с выходным напряжением 5 В, которые распределены по пяти группам в соответствии с выходными мощностями.
Из приведенных данных видно, что принятые зарубежными фирмами показатели рыночной удельной мощности Wр порой дезориентируют разработчиков и производителей систем. Модули с большими значениями Wр, особенно с большой выходной мощностью, как правило, использующие уникальную элементную базу и дорогостоящие материалы плат и корпуса, в ряде случаев могут оказаться гораздо менее эффективными (как по энергетическим, так и по экономическим показателям), чем модули средних габаритов, использующие стандартную элементную базу, недорогие материалы и изготавливаемые по отработанной технологии.
Среди высокоэффективных зарубежных модулей ИВЭП заслуживают внимания модули фирмы Ericsson, проектировавшиеся с оптимизацией по тепловой напряженности. Значение их Sто близко к 0,25 дм2/Вт для выходных мощностей 5–25 Вт, что в большинстве случаев позволяет обходиться без дополнительных устройств охлаждения. Модули японской фирмы Nemic-Lambda имеют высокие удельные показатели, их КПД при выходном напряжении 5 В достигает 90%.
Исследования, проводимые НТФ “Энергетическая электроника” в рамках программы “Постановка серийного производства модулей вторичного электропитания для аппаратуры ВВТ на основе высокоэффективных технических решений и ресурсосберегающих технологий”, показывают, что при меньшей стоимости модули отечественных ИВЭП имеют характеристики, близкие к зарубежным. Использование перспективных, но более дорогих отечественных конструктивно-технологических решений и элементной базы позволит при необходимости повысить удельные показатели российских ИВЭП.
Литература
1. Конев Ю.И., Гончаров А.Ю., Колосов В.А. Отечественная энергетическая электроника: проблемы, тенденции, достижения. – Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 1997,№6 .
2. Конев Ю.И. Проблемы ресурсосбережения в энергетической электронике. – Радиопромышленность, 1996, N1.
3. Гончаров А.Ю. Российское производство конверторных модулей электропитания. – Электроника и компоненты, 1997,№3.
4. Гончаров А.Ю., Титкин В.М., Рыбак А.Л. Необходимые технические характеристики ИВЭП по результатам маркетинга российского рынка. – Тезисы доклада на заседании подсекции “Научные проблемы источников вторичного электропитания” Научного совета по электрофизике и электроэнергетике РАН, 1997.
Отзывы читателей
