Przetwornice DC/DC – szeroki asortyment do każdej aplikacji

Poniedziałek, 09 maja 2022 | Technika

Przetwornica DC/DC to urządzenie, które przekształca energię prądu stałego o jednej wartości napięcia na inny poziom. Innymi słowy, na wejście konwertera DC/DC podaje się napięcie stałe i na wyjściu otrzymuje także napięcie stałe: niskie lub wysokie, wyższe od napięcia wejściowego lub niższe. Z uwagi na to przetwornice DC/DC można podzielić na trzy typy: step-up (boost) – podwyższające, obniżające (buck, step-down) oraz obniżająco-podwyższające (buck-boost). Duży asortyment takich produktów pozwala projektantom wybrać odpowiedni i optymalny konwerter do swojej aplikacji w zależności od wymagań dotyczących poziomów napięć, mocy oraz uwarunkowań aplikacyjnych.

Przetwornice DC/DC – szeroki asortyment do każdej aplikacji

Zastosowania przetwornic DC/DC

Przetwornice DC/DC są szeroko stosowane w aplikacjach sterowania w przemyśle, systemach dystrybucji energii elektrycznej, w komunikacji, transporcie, systemach alarmowych, aparaturze pomiarowej, sprzęcie medycznym, motoryzacji, IoT, energii odnawialnej, komputerach, sprzęcie biurowym, wojsku, lotnictwie i innych dziedzinach. Tak szeroki zakres aplikacyjny powoduje, że te komponenty odgrywają coraz większą rolę w technice. W tych różnych zastosowaniach istnieje wiele urządzeń i obwodów elektrycznych, które wymagają niższych lub wyższych napięć niż te dostarczane przez źródło zasilania. W takim przypadku potrzebny jest obwód konwersji lub zmiany poziomu odbieranego napięcia wejściowego, czyli właśnie przetwornica.

Główne funkcje konwerterów

Podstawowe zadanie to oczywiście zmiana (najlepiej bezstratna) wartości napięcia, ale także odwrócenie polaryzacji, stworzenie dwóch różnych napięć o jednakowej lub przeciwnej polaryzacji.

Drugie zadanie to izolacja galwaniczna. Ma ona za zadanie zapewnienie bezpieczeństwa, a więc fizycznej separacji galwanicznej obwodu wtórnego przed porażeniem napięciem niebezpiecznym podawanym na stronę pierwotną oraz ochronę przed przepięciami, wyładowaniami. Izolacja pozwala też na zasilanie wielu obwodów w urządzeniu będących na różnych potencjałach masy, np. w falowniku z tranzystorami IGBT w układzie mostka do układów sterujących.

Rys. 1. Portfolio konwerterów DC/DC firmy Mornsun obejmuje jednostki o mocy od 0,2 do 400 W

Drugi cel stosowania izolacji to redukcja zakłóceń. Przetwornica pozwala połączyć zasilanie części analogowej i cyfrowej bez przenoszenia zakłóceń, likwidować pętle masy i zasilać czułe obwody analogowe w sprzęcie pomiarowym.

Przetwornica jest też źródłem bezpiecznym, gdyż ma wbudowaną ochronę przed zwarciem, przepięciami, przeciążeniem i odwrotnym podłączeniem zasilania. Wyjściowe napięcie może być stabilizowane, zdalnie włączane, co oszczędza konieczność użycia dodatkowych podzespołów w aplikacji. Może być zatem traktowana jako aktywny filtr zasilania.

Podstawowe parametry

Podstawowe parametry przetwornicy DC/DC to typ i wielkość obudowy, wytrzymałość izolacji, moc wyjściowa oraz napięcia wejściowe i wyjściowe. Obudowy są różnej wielkości i typu: SIP, DIP, SMD, prostopadłościenne typy brick, oraz wersje bez obudowy (open frame). Konwertery małej mocy są zwykle wytwarzane w szczelnych obudowach o kompaktowym kształcie, a produkty dużej mocy zwykle występują w formacie brick (quarter lub half) lub jako konstrukcja otwarta zbudowana na chassis.

Napięcie wejściowe może być stałe (o niewielkiej dopuszczalnej zmianie) lub o szerokim zakresie zmian (2:1–12:1) i może być ono izolowane od wejścia lub nieizolowane.

Przetwornice DC/DC o stałym napięciu wejściowym zwykle pracują przy napięciach 3,3, 5, 12, 15, 24 i 48 V. Szeroki konwerter napięcia wejściowego DC/DC obsługuje zakresy napięcia wejściowego 2:1/4:1/7:1/8:1/12:1, obejmujące 4,5– 9 VDC, 9–36 VDC, 36–75 VDC, 40–160 VDC. Napięcie wyjściowe dla typowych rozwiązań to 3,3, 5, 9, 12, 15, 24, 28 i 48 V oraz wyjścia symetryczne ±5, ±9, ±12, ±15 V.

Wytrzymałość izolacji zwykle waha się od 1000 przez 1500, 3000, 6000 do nawet 12000 VDC i więcej.

Moc wyjściowa jest iloczynem napięcia wyjściowego i prądu i zależy od konkretnego typu. Produkowane wersje mają moc znamionową zaczynającą się od ok. 0,5 W.

Kryteria doboru przetwornic DC/DC

Wybór odpowiedniej przetwornicy DC/DC do różnych zastosowań jest jednym z czynników decydujących o powodzeniu wykonania prototypu projektu. Przy wyborze należy wziąć pod uwagę kilka zagadnień:

Zakres napięcia wejściowego i napięcie wyjściowe. Przetwornice o stałym napięciu wejściowym są odpowiednie do np. izolacji sygnału RS485. Do zasilania urządzenia z magistrali przemysłowej (24 V) lub telekomunikacyjnej (48 V) wymagane jest użycie przetwornic akceptujących szerszy zakres napięć wejściowych. To samo dotyczy zasilania kolejowego (110 V) lub wyprostowanym napięciem sieci (220–240 VAC). Szeroki zakres napięć wejściowych jest koniecznością w wszelkiego rodzaju układach z akumulatorami i bateriami, instalacjach energii odnawialnej i podobnych.
Moc znamionowa. Zaleca się, aby obciążenie przetwornicy wynosiło od 30 do 80% jej mocy znamionowej. Za małe obciążenie jest marnotrawstwem kosztów i miejsca, za silne niekorzystnie wpływa na możliwość pracy w dużej temperaturze otoczenia w obudowie i niezawodność. Przy wysokiej temperaturze zaleca się stosowanie deratingu (obniżenia mocy) do 70%. W przypadku wysokiej temperatury otoczenia i słabych warunków odprowadzania ciepła, przy tej samej mocy preferowany jest moduł o większej obudowie.
Obudowa. Zasadą jest wybór obudowy przetwornicy DC/DC w powiązaniu z mocą wyjściową i wymaganym sposobem jej montażu. Najlepiej zacząć od wyboru obudowy zgodnej wymiarami i wyprowadzeniami z międzynarodowymi standardami. Oczywiście wielkość i objętość powinny być jak najmniejsze przy określonej mocy, aby zapewnić więcej miejsca dla innych elementów w systemie. Na koniec obudowa powinna dać możliwość zamiany konwertera na inny bez zmiany PCB, aby ułatwić rozbudowę systemu.
Napięcie izolacji. Wytrzymałość izolacji musi być wyższa niż znamionowe napięcie wejściowe konwertera. Ponadto przy wyborze izolowanej przetwornicy DC/DC należy wziąć pod uwagę specyfikację prądu upływu, który maleje wraz ze spadkiem pojemności izolacji
Zakres temperatur pracy i wymagania dotyczące deratingu. Przetwornice DC-DC są dostępne w kilku zakzakresach temperatur roboczych (klasach): komercyjnym, przemysłowym, wojskowym itp. Im szerszy zakres, tym wyższa cena produktu, co wynika z użytych materiałów i procesów produkcyjnych oraz certyfikacji. Niewłaściwy dobór zakresu temperatur roboczych wpływa na parametry i niezawodność i powinien zostać określony z uwagi na wymaganą moc zasilania i wahań temperatury otoczenia.
Zużycie energii i sprawność. Sprawność konwertera izolowanego wynosi na ogół około 80%, a nieizolowanego około 90% lub nawet więcej. Im większa sprawność, tym mniejsze straty mocy i nagrzewanie. Duża sprawność pozwala na działanie układu przy wyższej temperaturze otoczenia, zapewnia dłuższą żywotność i oszczędność kosztów.

Przetwornice Mornsun

Firma Mornsun od ponad 23 lat projektuje i wytwarza niezawodne zasilacze i konwertery, które spełniają standardy jakościowe w branży. Produkowane przetwornice są kierowane do szerokiego zakresu zastosowań. Na przykład zasilacze dla kolejnictwa obejmują serię o mocach 6–400 W i oznaczeniu URx1D zapewniającym zakres napięć 4:1 oraz rodzinę UWTH1D o mocy 50–200 W pracującą w zakresie 12:1. Rozwiązania te mają certyfikat EN50155 i są przeznaczone do użytku nawet w najtrudniejszych warunkach.

Warto też zwrócić uwagę na kluczowe cechy konwertera z tej serii o mocy 100 W (UWTH1DxxQB-100WR3) w obudowie quarter-brick:

ultraszeroki zakres napięcia wejściowego 14–160 VDC, odpowiedni do wszystkich systemów kolejowych,
czas podtrzymania zasilania wynoszący 10 ms (EN50155),
programowalne parametry wejścia i regulacja napięcia,
wysokie napięcie izolacji we-wy do 3000 VAC, praca do wysokości 5000 m,
zakres temperatur pracy od –40 do + 105°C,
pobór mocy bez obciążenia poniżej 0,6 W,
ochrona przed odwrotną polaryzacją wejścia,
zgodność z normami CSA/EN62368/IEC62368, EN50155, EN45545.

Rys. 2. Konwertery DC-DC UWTH1DxxQB-100WR3 firmy Mornsun zapewniają izolację galwaniczną wytrzymującą napięcie testowe 3000 VAC

Jako przykład aplikacyjny dla takich przetwornic pokazane zostanie rozwiązanie zasilania dla sterownika klimatyzacji w kolejnictwie. Zasilacz musi tutaj zapewnić tłumienie zakłóceń w napięciu wejściowym i odporną na przebicie izolację. Konwerter DC/DC UW-TH1D24QB- 100WR3 z ultraszerokim zakresem wejściowym 14–160 VDC jest optymalną propozycją i spełnia wymagania konstrukcyjne w zakresie wzmocnionej izolacji wytrzymującej 3000 VAC. Ta 100-watowa jednostka działa w szerokim zakresie temperatur pracy od –40 do +105°C i charakteryzuje się dużą odpornością na wstrząsy i wibracje. Ma sprawność sięgającą 90% oraz doskonałe parametry EMC, potwierdzone przez normę EN50155.

Po dodaniu modułu filtrującego FC-C08D na wejściu konwertera zapewniona jest zgodność z wymaganiami EMC normy EN50155. Oczywiście maksymalne napięcie wejściowe przetwornicy nie powinno przekraczać maksymalnego napięcia znamionowego filtra FC-C08D i odwrotnie.