Använda en kontaktkyld växel-/likströmsomvandlare i krävande tillämpningar

I takt med att mängden elektroniska enheter blir allt fler ställs konstruktörer av nätaggregat och moduler för växel-/likströmsomvandling i tuffa miljöer, inför allt mer utmanande krav på prestanda, miljö och kapsling. Även om rollen för en nätansluten kraftomvandlingsmodul inte har förändrats i grunden krävs det mer för att den ska fungera fullt ut i fält.

Det första problemet är kylning, eftersom även ett effektiv aggregat avger värme. Därefter måste konstruktören ta hänsyn till elektriska krav och storlekskrav på systemnivå. Slutligen måste omvandlaren innehålla funktioner som förenklar konstruktionen och skyddar omvandlaren, användaren och lasten från negativa händelser.

Artikeln beskriver kortfattat de utmaningar som konstruktörer av kraftsystem avsedda för tuffa miljöer ställs inför. Därefter presenteras en familj av växel-/likströmsomvandlare på 504 W med kontaktkonduktionskylning från Advanced Energy och hur de kan lösa dessa utmaningar.

Börja med kylningsutmaningen

Med mycket få undantag måste konstruktörer som integrerar en växel-/likströmsomvandlare i ett system också bestämma hur den värme som genereras ska avledas. Även om moderna omvandlare har relativt hög verkningsgrad, vanligtvis 80-90 % eller högre, skapas det fortfarande värme som måste ledas bort för att garantera att aggregatet inte överhettas, vilket äventyrar prestanda och tillförlitlighet.

Värmeläran visar att det finns tre sätt att avleda värmen (figur 1):

1. Konduktion, genom direkt kontakt mellan en fast yta och en fast yta
2. Konvektion, genom en rörlig vätska, som kan vara luft eller en vätska
3. Strålning, som elektromagnetisk (främst infraröd) energi, som kan inträffa i vakuum

Figur 1: Värmeenergi kan avledas genom konduktion, konvektion eller strålning. (Bildkälla: Nuclear Power)

Strålningsbaserad kylning är i allmänhet otillräckligt för elektroniska system, eftersom den endast överför en relativt liten mängd värme. Strålning är dock avgörande för rymdfarkoster som måste sprida sin värme ut i rymdens vakuum.

De flesta konstruktörer föredrar att börja sin kylningsstrategi med konvektion av ett oförstärkt (naturligt) eller fläktstyrt luftflöde, där luften flödar genom öppningar och ventiler i omvandlaren. Denna metod för kylning är relativt billig och lätt att utvärdera.

Konvektionskylning är dock i realiteten inte praktiskt genomförbar i många installationer. Omvandlaren behöver vara placerade i tillämpningens förseglade IP-klassificerade hölje, för att vara helt skyddad mot vatten, regn, damm och andra föroreningar. Dessutom är de flesta standardomvandlare inte fysiskt konstruerade eller kapslade för konduktionsbaserad kylning.

En annan konstruktion krävs när kylningen måste ske enbart genom värmeledning från omvandlarens hölje till en angränsande yta. Detta kallas ofta kontaktkylning eller kallväggskylning. Konstruktionen av kapslingen för kraftomvandlaren Artesyn AIF500 från Advanced Energy (figur 2) är ett bra exempel på detta tillvägagångssätt.

Figur 2: Kraftomvandlaren Artesyn AIF500 använder kontakt- eller kallväggskylning. (Bildkälla: Advanced Energy)

Enheterna med låg profil är monterade på ett kretskort. De använder branschstandarden full-brick och har måtten 116,84 × 60,96 × 13,95 mm, med en vikt på 260 g.

De är främst utformade för att klara kraven på strömförsörjning av tillämpningar för 5G-telekommunikation med avstånd till radiohuvudet. De är även lämpliga för displayer och industriella tillämpningar. Den genomsnittliga tiden mellan fel (MTBF) är över en miljon timmar.

Modulerna är konstruerade för kontaktkylning via sin basplatta (figur 3) och kan ge full nominell effekt i en stor mängd temperaturer för basplattan från -40 °C till +100 °C.

Figur 3: Modulerna AIF500 är konstruerade för konduktionskylning genom att basplattan placeras i direkt kontakt med en kallare yta. (Bildkälla: Advanced Energy)

Val av kraftomvandlare

Valet av kraftomvandlare börjar med de grundläggande prestandakraven. Den ska bland annat kunna ge en jämn utspänning till lasten trots variationer i nätspänningen vid stationärt läge, spänningstransienter, förändringar i lastbehovet och temperaturväxlingar i omgivningen.

De helt inkapslade enheterna AIF500 drivs med 90 V_AC till 264 V_AC. Bland alternativen finns AIF42BAC-01N med fast utgång för 12 V/42 A eller AIF11WAC-01N för 48 V/10,5 A. Starttiden till full utspänning, en viktig parameter i många tillämpningar, är 3,5 s, medan regleringen av matningen är ±0,2 % och regleringen av lasten ±4 %.

Förutom ett stort växelströmsområde för matningen och en väl reglerad likström på utgången har omvandlarna AIF500 även skyddsfunktioner som UVLO (underspänningsspärr), OVP (överspänningsspärr) och OCP (överströmsskydd). Den interna begränsningen av strömrusning vid start minimerar behovet av externa kretsar för att förhindra skador från strömrusning vid start.

Omvandlarna är dessutom godkända för att uppfylla relevanta säkerhetsstandarder enligt EN, UL, Canada UL, IEC och EN 62368-1 och de är CE- och UKCA-märkta. De uppnår dessa certifieringar delvis tack vare sina många isolationsvärden på 4000 V_DC från inspänning till utspänning, 2500 V_DC från inspänning till basplatta och 100 V_DC från utspänning till basplatta.

Krav i bestämmelser och god teknisk praxis kräver minimering av värmebelastningen för att uppnå en drift med hög verkningsgrad. Omvandlarna har en verkningsgrad på över 90% när de arbetar med halverad uteffekt eller mer. Enheten för 12 V som drivs med 230 V_AC har exempelvis en verkningsgrad på mer än 93 % vid en uteffekt på 300 W eller mer (figur 4). Ovanför 300 W överstiger effektfaktorn (PF) 0,99, vilket överträffar bestämmelsekraven.

Figur 4: Verkningsgraden för effektomvandling i AIF500 är högre än 90 % vid drift över medelbelastningsgränsen, vilket minskar värmeavledningen och uppfyller bestämmelsekrav. (Bildkälla: Advanced Energy)

Lägga till egenskaper och funktioner på systemnivå

Dagens omvandlare måste kunna erbjuda mer än två ledningar för växelspänning på ingången, två ledningar för likspänning på utgången och två ledningar för fjärravkänning. De måste även kunna integreras på systemnivå med ytterligare anslutningar och funktioner.

Omvandlarna AIF500 har exempelvis en direkt utgång med en ledning för "unit good" och en TTL-ingång för fjärraktivering. När de inte är aktiverade är deras standby-effekt 5 W. Dessa rapporterings- och styrsignaler är bara en startpunkt för anslutningsmöjligheterna, eftersom omvandlarna även har ett PMBus-gränssnitt.

Ytterligare funktioner är den ständigt aktiva externa utgången med fast spänning på 8 V_DC till 11 V_DC vid 250 mA, för stöd av små, viktiga laster.

Konfiguration med en enhet kräver endast ett externt EMI-filter (elektromagnetiska störningar), en stabiliseringskondensator och en kondensator för utspänningen.

I tillämpningar där utströmmen från en enda AIF500 är otillräcklig har enheterna stöd för aktiv strömdelning, vilket utökar konfigurationen från en enda enhet till maximalt tio enheter med enkla sammankopplingar mellan enheterna (figur 5). Detta arrangemang med parallella utgångar kräver bara att man lägger till stabiliserings- och utgångskondensatorer för den andra enheten (och respektive ytterligare enhet); inga andra komponenter krävs.

Figur 5: En AIF500 kräver endast ett fåtal externa komponenter för drift (överst); upp till tio enheter kan enkelt parallellkopplas i de fall en högre utspänning behövs (nederst). (Bildkälla: Advanced Energy)

PMBus möjliggör ett grafiskt användargränssnitt (GUI). Det grafiska användargränssnittet förenklar styrning och övervakning av en eller flera moduler i utvecklingsfasen och vid driftsättning av tillämpningar. Det ger insikt i spänningar, strömmar och status för viktiga mätvärden vid drift och fysiska punkter.

Sammanfattning

En stabil växel-/likströmsomvandlare börjar med en stabil design, men tillräcklig kylning är alltid ett problem, i synnerhet i utsatta installationer. Den helt inkapslade omvandlarfamiljen Artesyn AIF500 är konstruerad för att fungera enligt specifikationer upp till +100 °C vid sina basplattor med hjälp av kontaktkylning. Enheterna har överlägsen prestanda och innehåller ytterligare funktioner och egenskaper, som t.ex. ett PMBus-gränssnitt, som gör att de kan fungera som systemkompatibla omvandlare snarare än bara viktiga källor till reglerade likströmsutgångar.