Высоковольтные источники питания UltraVolt – шаг к надежности

В статье представлено описание основных серий высоковольтных источников питания, изготавливаемых компанией UltraVolt Inc.

Авторы: Иван Пустыльняк, к.т.н.

ivan.pustylnyak@betronik.ru

Источники серий A и AAПри проектировании высоковольтных устройств, таких как фотодетекторы, электровакуумные приборы, фотоэлектронные умножители, часто возникают сложности с высоковольтными источниками питания. Разработка такого источника – процесс сложный. Здесь необходимо уделять внимание не только схемотехнике источника питания, но и учитывать изоляционные параметры всех элементов схемы, рассчитывать напряжение пробоя на корпус и на внешние элементы устройства. И при этом источник должен обладать как можно меньшими размерами. При напряжении более 1кВ использование в качестве изолятора воздушных промежутков приводит к увеличению габаритов источника, и в результате, к увеличению размеров всего устройства, что, в свою очередь, приведет к необоснованному удорожанию прибора.

Источник серии CЧаще всего для решения подобных проблем в качестве изоляционного материала используют компаунды на основе эпоксидной смолы и других застывающих диэлектрических материалов. Но здесь уже возникают проблемы технологического характера. Одна из них – качество и однородность заливки схемы источника питания компаундом. На этом этапе производства источников питания возможно образование в теле компаунда пузырьков воздуха и незаполненных областей, что может существенно ухудшить изоляционные свойства. Исключить возникновение подобных проблем при «ручной» заливке очень сложно, кроме того, для качественного затвердевания компаунда необходима просушка изделия в печи с наличием контроля температуры нагрева, чтобы не допустить перегрева элементов схемы источника. А беспузырьковое заполнение компаундом возможно только с помощью аппаратов вакуумной заливки, т.е. с использованием дорогостоящего оборудования, доступного только крупным профильным предприятиям. Покрытие схемы лаком частично позволяет решить проблему электрической изоляции, но не влияет на отвод тепла от элементов схемы, а, соответственно, не улучшает тепловые параметры источника в отличие от объемного заполнения компаундом.

Многоканальные DC/DC-преобразователи серии AUXГораздо целесообразнее не тратить время на разработку и доведение до приемлемого уровня своих высоковольтных источников питания, а применить готовые изделия, разработанные и испытанные производителями, специализирующимися на производстве подобной продукции. Одним из таких производителей является американская компания UltraVolt Inc. Она была основана в 1990 году в Нью-Йорке. В основу компании вошла группа специалистов, имеющая 35-летний опыт проектирования и производства высоковольтных источников питания для военного и аэрокосмического комплекса. Продукция компании применяется более чем в 100 отраслях промышленности.

Сегодня компания UltraVolt производит высоковольтные преобразователи с КПД до 92%, выходным напряжением в диапазоне от 0-62В до 0-40кВ и мощностью от 4 до 250Вт. В номенклатуре выпускаемой продукции представлено более 10 серий источников питания (всего около 500 моделей). Схемы преобразователей выполнены с использованием компонентов поверхностного монтажа. Заполнение корпуса специальным компаундом осуществляется с помощью установки вакуумной герметизации с последующей термообработкой. Производство преобразователей UltraVolt полностью автоматизировано от входного контроля, электро- и термотренировок и до выходного контроля готовых изделий.

Высоковольтные источники питания UltraVolt обладают следующими преимуществами:

- широкий диапазон входного напряжения;

- широкий диапазон мощностей;

- малый размер;

- защита от дуги и короткого замыкания на выходе;

- высокая наработка на отказ.

Кроме того, все источники UltraVolt являются прецизионными со стабильностью выходных параметров 0,01%.

В номенклатуре компании UltraVolt наиболее широко представлены одноканальные DC-DC преобразователи серии А, серии АА и серии С. Источники серий А и АА представлены на Рис. 1, (A_AA.jpg) источники серии С представлены на Рис. 2. (C.jpg) Основу всех одноканальных высоковольтных источников питания UltraVolt составляет двухтактный преобразователь с номинальной частотой коммутации менее 100кГц. Благодаря встроенному прецизионному источнику опорного напряжения легко организуется внешнее управление, позволяющее установить требуемый уровень выходного напряжения. В источниках реализована защита от пониженного входного напряжения, разрешающая работу источника только после повышения напряжения на входе до минимального допустимого уровня. При подаче на вход управления сигнала высокого логического уровня, преобразователь начинает работать. Для уменьшения выбросов напряжения в этот момент запускается схема плавного пуска, обеспечивающая выход на полную мощность за время более 1мс. Система управления начинает формировать широтно-модулированные импульсы на фиксированной частоте для подачи на двухтактный выходной каскад из полевых транзисторов, подключенный к высоковольтному трансформатору. Силовая схема защищена от перегрузок по току и коротких замыканий на выходе посредством вторичной схемы ограничения тока, DC/DC-преобразователи серии Bi-Polar Cоптимизированной на работу с низкоимпедансной емкостной нагрузкой. Многокаскадным умножителем вырабатывается высокое напряжение, для обеспечения стабилизации которого формируется и подается в систему управления соответствующий сигнал. Преобразователь содержит встроенные входной и выходной фильтры для снижения уровня пульсаций в соответствующих напряжениях.

КПД одноканальных источников питания этих серий составляет до 90% в режиме полной нагрузки. Преобразователи серий А и АА работают в диапазоне выходных напряжений +11…+16В или +23…+30В без снижения выходной мощности. Диапазон входного напряжения преобразователей серии С составляет от +23В до +30В.

По выходу одноканальные источники питания серий А, АА и С представляют собой неизолированные однополярные преобразователи напряжения, поэтому при заказе необходимо указывать требуемую полярность выходного напряжения: положительная или отрицательная. Выходное напряжение регулируется в пределах от 0В до 40кВ в зависимости от выбранного источника. Так как выходное напряжение может опускаться до 0В, то нагрузочная способность по току остается неизменной.

Все источники UltraVolt содержат датчик, позволяющий измерять выходной ток источника. Встроенные делители напряжения создают небольшое линейное смещение, поддающееся компенсации.

Регулировка выходного напряжения всех DC-DC преобразователей UltraVolt осуществляется подачей постоянного управляющего напряжения в диапазоне от 0 до +5В на вход управления. Источники с отрицательным выходным напряжением имеют обратную логику управления, т.е. используется диапазон от +5В до 0В. В составе источников UltraVolt есть термокомпенсированный встроенный источник опорного напряжения +5В с выходным сопротивлением 464 Ом.

Данные преобразователи выпускаются в пластмассовых корпусах, предназначенных для монтажа на печатную плату. Требуется всего 5,5 квадратных дюйма площади и 4,3 кубических дюйма объема. Эти источники питания могут выпускаться в металлических корпусах, защищающих от ВЧ излучений. И кроме того, для всех моделей доступно опциональное исполнение с шестисторонним экраном из магнитного сплава мю-металл.

Диапазон рабочих температур без снижения выходной мощности находится в пределах от -40оС до +65оС. Все изделия проходят термотренировку в течение 24 часов перед проведением выходного контроля.

Отличие источников серии АА от серии А заключается уменьшенных на 22% размерах, что позволяет использовать их в установках с ограниченным объемом. Для них требуется всего 4, 46 квадратных дюйма площади и 3,35 кубических дюйма объема. Преобразователи серии С кроме всех особенностей серии А обладают еще и максимальной скоростью нарастания выходного напряжения при минимальных перерегулированиях или их отсутствии. Основное применение источников серии С – формирование высоковольтного смещения электровакуумных приборов, а также быстрый заряд конденсаторов.

На базе источников серий А, АА и С компания UltraVolt разработала многоканальные DC-DC преобразователи серии AUX, представленные на Рис.3 (CAUX.jpg). Двухканальные источники AUX кроме стандартного источника А или С в одном корпусе содержат еще и дополнительную плату расширения, формирующую высоковольтный канал фиксированного напряжения. Трехканальные источники серии CAUX в своем составе содержат не одну, а две платы формирования высоковольтного канала фиксированного напряжения. Разрабатывались эти источники для управления вакуумными приборами, триггерными катушками и питания генераторов импульсов.

Кроме того, в качестве еще одной разновидности многоканальных источников необходимо упомянуть высоковольтные DC-DC преобразователи с двухполярным выходным напряжением серии Bi-Polar C, Рис. 4 (Bi-Polar C.jpg). Они являются функциональным расширением серии С и в одном корпусе содержат положительный и отрицательный источники с выходной мощностью 60Вт или 125Вт по выбору заказчика. Преимущество данной сборки перед парой одноканальных аналогичных источников заключается в уменьшении затрат на испытание, герметизацию при производстве и устройство управления. Поэтому применение серии Bi-Polar C при решении задач двухполярного высоковольтного питания более предпочтительно.

Сводная таблица одноканальных DC-DC преобразователей представлена на Рис. 5 (Production.jpg)

Миниатюрные одноканальные высоковольтные DC/DC-преобразователиТак же в номенклатуре компании UltraVolt присутствует семейство миниатюрных одноканальных высоковольтных DC-DC преобразователей, приведенных на Рис. 6 (Microsize.jpg). Разрабатывались они для питания лавинных фотодиодов и фотоэлектронных умножителей. В настоящее время миниатюрные источники применяются для решения более чем 50 типов задач по всему миру. Наиболее часто решаемые задачи: работа с тонкими пленками, питание источников ультразвука, счетчики фотонов, оптико-волоконные телекоммуникации, лазерные дальномеры, электронные микроскопы и другие. В России эти источники из-за своих малых размеров и веса наиболее широко применяются в гражданской авиации и радиолокационном оборудовании. Миниатюрные источники UltraVolt бывают следующих серий:

- серия XS имеет выходное напряжение 0-100В, выходную мощность до 100мВт;

- серия US – выходное напряжение 0-500В, выходная мощность до 100мВт;

- серии V и M – выходное напряжение 0-3кВ, выходная мощность до 1Вт;

- серия D – выходное напряжение 0-6кВ, выходная мощность до 6Вт.

Высоковольтные усилители серии HVAЕще одним высоковольтным направлением компании UltraVolt стали высоковольтные усилители серии HVA, Рис. 7 (HVA.jpg). Они бывают одно- и двухполярные. Диапазон входных напряжений у всех источников данной серии 24В, диапазон по входному току до 420мА при полной нагрузке. Максимальное выходное напряжение для серии HVA 20кВ как для однополярных источников, так и для двухполярных, а максимум выходного тока 250мкА. Типовое применение для этой серии – спектрометры и электронные микроскопы.

Очень часто для высоковольтных применений возникает задача изоляции низковольтных информационных и управляющих сигналов от высокого напряжения. Примером этого может быть система измерения и контроля высоковольтных линий электропередач. Для питания низковольтной части измерительных устройств таких систем применяется низковольтные источники питания серий FL и EFL с высоким уровнем изоляции. У этих источников напряжение изоляции составляет 30кВ, при этом ток утечки не превышает 10нА. Сопротивление изоляции составляет 150ГОм при напряжении 15кВ и 2ГОм при напряжении 30кВ. У низковольтных источников питания UltraVolt доступны для заказа два уровня входного напряжения: 12В и 24В. При этом выходное напряжение составит 5В. В качестве типовых применений производитель указывает контроль тока в высоковольтной области, измерение емкости и токов утечки. Изображение источника приведено на Рис. 8 (EFL.jpg).

Низковольтные источники питания серии EFLНа базе своих источников компания UltraVolt разработала серию высоковольтных систем питания HV-Rack, специализированную под установку в 19-дюймовую стойку. Данные системы питания в зависимости от требований заказчика могут содержать от 1 до 4 контролируемых каналов высокого напряжения с независимыми системами управления. Максимальная выходная мощность на канал может также выбираться от 4 до 250Вт. Одним из основных свойств этих систем является возможность задавать уровень ограничения тока и напряжения посредством поворота ручек на передней панели. Индикация по каждому каналу отдельная расположена на передней панели системы. Как и любые другие источники питания UltraVolt эти высоковольтные системы питания имеют защиту от короткого замыкания на выходе и от образования высоковольтной дуги. Диапазон регулирования напряжения каждого канала от 0 до 40кВ. Одним из основных применений данной серии может считаться высоковольтные лабораторные испытания. Фотография источника HV-Rack приведена на Рис. 9 (HV-RACK.jpg).Источники HV-Rack

А недавно компания UltraVolt выпустила на рынок свою новую разработку – высоковольтный AC-DC преобразователь серии В, Рис. 10 (B.jpg). Питание источников этой серии осуществляется от сети переменного тока напряжением 115В или 230В. Выходное напряжение фиксированное, и в зависимости от модели находится в диапазоне от 1кВ до 12кВ. Пока возможны только следующие величины выходной мощности: 10Вт, 20Вт, 30Вт и 50Вт. Источники данной серии имеют меньшую стоимость по сравнению с суммарной стоимостью последовательно соединенных низковольтного AC-DC и высоковольтного DC-DC преобразователей. Кроме того, источники серии В имеют изолированный от токоведущих частей корпус, причем напряжение изоляции рассчитано на максимальное выходное напряжение. К типовым областям применения данной серии компания-производитель относит промышленное измерение изоляции, электростатические задачи, установки по ионизации и озонированию воздуха, питание ультрафиолетовых ламп и зарядку конденсаторных батарей.

AC/DC-преобразователи серии BС более подробной информацией по продукции компании UltraVolt Inc. можно ознакомиться на официальном сайте компании www.ultravolt.com.

Начиная с 2012 года официальным дистрибьютором компании UltraVolt в России стала компания Битроник (www.betronik.ru). Специалисты компании Битроник имеют более чем семилетний опыт работы с высоковольтными компонентами, что позволяет им проводить технические консультации, предлагать помощь в подборе наилучшего решения по техническим и технико-экономическим характеристикам в соответствии с индивидуальными требованиями заказчика. В работе с импортными компонентами Битроник неукоснительно следует требованиям, как российского таможенного регулирования, так и экспортного контроля в стране отправления. Это позволяет гарантировать уровень качества поставляемой продукции, обеспечиваемый производителем.

Подводя итог всему вышесказанному, можно сделать вывод, что разработка собственного высоковольтного источника питания представляет собой весьма сложную задачу. И хотя стоимость импортных источников питания превышает стоимость комплектующих, из которых собираются подобные источники, но эта разница с лихвой окупается за счет качества продукции.