ใช้เครื่องแปลงไฟฟ้ากระแสสลับ/กระแสตรงแบบระบายความร้อนด้วยการสัมผัสสำหรับการใช้งานที่รุนแรง

เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แพร่หลายมากขึ้น นักออกแบบอุปกรณ์ไฟฟ้าและโมดูลตัวแปลง AC/DC สำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงจึงต้องเผชิญกับข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ สิ่งแวดล้อม และบรรจุภัณฑ์ที่ท้าทายมากขึ้นเรื่อยๆ แม้ว่าบทบาทของโมดูลแปลงไฟฟ้าที่เชื่อมต่อสายจะยังไม่เปลี่ยนแปลงไปในทางพื้นฐาน แต่ยังต้องมีการทำงานเพิ่มเติมอีกมากเพื่อให้โมดูลนี้ใช้งานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพในภาคสนาม

ประการแรกคือปัญหาเรื่องการระบายความร้อน เพราะแม้แต่แหล่งจ่ายที่มีประสิทธิภาพก็ยังปล่อยความร้อนออกมา จากนั้น ผู้ออกแบบจะต้องพิจารณาข้อกำหนดด้านไฟฟ้าและรูปแบบที่ระดับระบบ ในที่สุด ตัวแปลงจะต้องรวมความสามารถที่ทำให้การออกแบบง่ายขึ้น และปกป้องตัวแปลง ผู้ใช้ และโหลดจากเหตุการณ์ที่ไม่พึงประสงค์

บทความนี้จะสรุปสั้นๆ เกี่ยวกับความท้าทายที่นักออกแบบระบบพลังงานที่ต้องเผชิญในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง จากนั้นจะแนะนำเครื่องแปลงไฟ AC/DC ระบายความร้อนด้วยการนำไฟฟ้าแบบสัมผัสขนาด 504 วัตต์จาก Advanced Energy และแสดงให้เห็นว่าเครื่องแปลงไฟเหล่านี้สามารถรับมือกับความท้าทายเหล่านี้ได้อย่างไร

เริ่มต้นด้วยความท้าทายในการทำความเย็น

โดยมีข้อยกเว้นเพียงเล็กน้อย นักออกแบบที่รวมตัวแปลง AC/DC เข้าในระบบจะต้องกำหนดวิธีการระบายความร้อนที่เกิดขึ้นด้วย แม้ว่าตัวแปลงสมัยใหม่จะมีประสิทธิภาพค่อนข้างดี โดยทั่วไปอยู่ที่ 80% ถึง 90% ขึ้นไป แต่ความร้อนก็ยังคงเกิดขึ้นและต้องกำจัดออกเพื่อให้แน่ใจว่าแหล่งจ่ายไฟจะไม่ร้อนเกินไป ซึ่งจะส่งผลต่อประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือ

ฟิสิกส์ความร้อนแสดงให้เห็นว่ามีสามวิธีในการกระจายความร้อนนี้ (รูปที่ 1):

1. การนำไฟฟ้าโดยการสัมผัสพื้นผิวแข็งโดยตรงกับพื้นผิวแข็ง
2. การพาความร้อนโดยของไหลที่เคลื่อนที่ซึ่งอาจเป็นอากาศหรือของเหลวก็ได้
3. รังสีเป็นพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า (โดยเฉพาะอินฟราเรด) ซึ่งสามารถเกิดขึ้นในสุญญากาศ

รูปที่ 1: พลังงานความร้อนสามารถกระจายได้โดยการนำ การพา หรือการแผ่รังสี (ที่มาของภาพ: พลังงานนิวเคลียร์)

การระบายความร้อนโดยใช้รังสีโดยทั่วไปไม่เพียงพอสำหรับระบบอิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากถ่ายเทความร้อนได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น อย่างไรก็ตาม รังสีถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับยานอวกาศที่ต้องกระจายความร้อนเข้าไปในสุญญากาศของอวกาศ

นักออกแบบส่วนใหญ่มักต้องการเริ่มกลยุทธ์การทำความเย็นโดยใช้การพาความร้อนของกระแสลมแบบไม่บังคับ (ตามธรรมชาติ) หรือแบบบังคับโดยพัดลม โดยลมจะไหลผ่านช่องเปิดและช่องระบายอากาศในตัวแปลง วิธีการทำความเย็นแบบนี้มีราคาค่อนข้างถูกและประเมินได้ง่าย

อย่างไรก็ตาม แนวทางการระบายความร้อนด้วยการพาความร้อนไม่สามารถใช้งานได้จริงในระบบการติดตั้งจริงหลายๆ แห่ง ตัวแปลงจะต้องอยู่ภายในตัวเรือนที่ได้รับการปิดผนึกเพื่อป้องกันการรั่วซึม (IP) ของแอปพลิเคชันเพื่อให้ป้องกันน้ำ ฝน ฝุ่น และสิ่งปนเปื้อนอื่นๆ ได้อย่างสมบูรณ์ นอกจากนี้ ตัวแปลงมาตรฐานส่วนใหญ่ไม่ได้จัดเรียงหรือบรรจุหีบห่อเพื่อการระบายความร้อนแบบการนำไฟฟ้า

จำเป็นต้องมีการออกแบบที่แตกต่างกันเมื่อต้องทำการระบายความร้อนโดยการนำความร้อนจากกล่องหุ้มตัวแปลงไปยังพื้นผิวที่อยู่ติดกันเท่านั้น มักเรียกวิธีนี้ว่าการทำความเย็นแบบสัมผัสหรือการทำความเย็นแบบผนังเย็น การออกแบบบรรจุภัณฑ์ของตัวแปลงไฟฟ้าตระกูล Artesyn AIF500 ของ Advanced Energy (รูปที่ 2) เป็นตัวอย่างที่ดีของแนวทางนี้

รูปที่ 2: ตัวแปลงพลังงาน Artesyn AIF500 ใช้ระบบระบายความร้อนแบบสัมผัสหรือผนังเย็น (ที่มาของภาพ: Advanced Energy)

หน่วยโปรไฟล์ต่ำเหล่านี้ติดตั้งอยู่บนแผงวงจรพิมพ์ (PC) แผ่นฐานอิฐเต็มขนาดมาตรฐานอุตสาหกรรมคือ 4.6 × 2.4 นิ้ว (in) ความสูง 0.55in (116.84 × 60.96 × 13.95 มิลลิเมตร (mm)) และน้ำหนัก 9.2 ออนซ์ (oz) (260 กรัม (g))

ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับความต้องการแหล่งจ่ายไฟ RF หัววิทยุระยะไกลของแอปพลิเคชันโทรคมนาคม 5G เหมาะสำหรับการแสดงผลและการใช้งานในอุตสาหกรรมอีกด้วย ระยะเวลาเฉลี่ยระหว่างความล้มเหลว (MTBF) คือมากกว่าหนึ่งล้านชั่วโมง

โมดูลได้รับการออกแบบมาให้ระบายความร้อนด้วยการสัมผัสผ่านแผ่นฐาน (รูปที่ 3) และสามารถจ่ายพลังงานได้เต็มประสิทธิภาพในช่วงอุณหภูมิแผ่นฐานที่กว้างตั้งแต่ -40°C ถึง +100°C

รูปที่ 3: โมดูล AIF500 ได้รับการออกแบบสำหรับการระบายความร้อนด้วยการนำความร้อนโดยใช้แผ่นฐานที่วางสัมผัสกับพื้นผิวที่เย็นกว่าโดยตรง (แหล่งที่มาของภาพ: Advanced Energy)

การเลือกใช้เครื่องแปลงไฟฟ้า

การเลือกตัวแปลงพลังงานใดๆ จะเริ่มจากความต้องการด้านประสิทธิภาพหลักของตัวแปลงนั้นๆ ซึ่งรวมถึงความสามารถในการจ่ายแรงดันเอาต์พุตที่สม่ำเสมอไปยังโหลดแม้จะมีการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าในสถานะคงที่ การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้า การเปลี่ยนแปลงความต้องการของโหลด และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิโดยรอบ

หน่วย AIF500 ที่หุ้มไว้อย่างสมบูรณ์ทำงานที่แรงดันไฟฟ้า 90V_AC ถึง 264V_AC ตัวเลือกได้แก่ AIF42BAC-01N ที่มีเอาต์พุตคงที่ 12V/42A หรือ 48V/10.5 AIF11WAC-01N. เวลาเริ่มต้นการทำงานเพื่อเอาต์พุตเต็มที่ ซึ่งเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญในแอปพลิเคชันหลายๆ รายการ คือ 3.5 วินาที (s) ในขณะที่การควบคุมสายอยู่ที่ ±0.2% และการควบคุมโหลดอยู่ที่ ±4%

นอกจากอินพุตไฟ AC ช่วงกว้างและเอาต์พุต DC ที่ได้รับการควบคุมอย่างดีแล้ว ตัวแปลง AIF500 ยังมีคุณสมบัติการป้องกัน เช่น การล็อกไฟต่ำ (UVLO), การป้องกันไฟเกิน (OVP) และการป้องกันกระแสเกิน (OCP) อีกด้วย การจำกัดกระแสไฟกระชากภายในช่วยลดวงจรภายนอกที่จำเป็นในการป้องกันความเสียหายจากกระแสไฟกระชากขณะเริ่มต้น

นอกจากนี้ ตัวแปลงยังได้รับการอนุมัติให้เป็นไปตามมาตรฐานความปลอดภัย EN, UL, Canada UL, IEC และ EN 62368-1 ที่เกี่ยวข้อง และมีเครื่องหมายความปลอดภัย CE และ UKCA อุปกรณ์เหล่านี้ได้รับการรับรองเหล่านี้บางส่วนเนื่องจากมีระดับการแยกสัญญาณหลายระดับ คือ อินพุตถึงเอาต์พุต 4,000V_DC อินพุตถึงเอาต์พุต 2,500 V_DC ถึงแผ่นฐาน และเอาต์พุต 100V_DC ถึงแผ่นฐาน

ข้อกำหนดด้านกฎระเบียบและแนวทางปฏิบัติทางวิศวกรรมที่ดีต้องลดภาระความร้อนให้น้อยที่สุดเพื่อให้ได้การทำงานที่มีประสิทธิภาพสูง ตัวแปลงเหล่านี้มีประสิทธิภาพสูงกว่า 90% เมื่อทำงานที่กำลังไฟขาออกครึ่งหนึ่งหรือสูงกว่า ตัวอย่างเช่น หน่วย 12V ที่ทำงานจากสายไฟ 230V_AC มีประสิทธิภาพมากกว่า 93% ที่กำลังไฟขาออก 300W หรือสูงกว่า (รูปที่ 4) เกิน 300W ค่าตัวประกอบกำลัง (PF) เกิน 0.99, ซึ่งเกินกว่าข้อกำหนดทางกฎหมาย

รูปที่ 4: ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของ AIF500 มากกว่า 90% เมื่อทำงานเกินระดับโหลดกลาง ซึ่งช่วยลดการกระจายความร้อนและเป็นไปตามข้อกำหนดทางกฎหมาย (ที่มาของภาพ: Advanced Energy)

การเพิ่มคุณสมบัติและฟังก์ชั่นในระดับระบบ

ตัวแปลงในปัจจุบันต้องมีขีดความสามารถมากกว่าแค่สายไฟ 2 เส้นสำหรับอินพุต AC สายไฟ 2 เส้นสำหรับเอาต์พุต DC และสายสำหรับการสำรวจระยะไกล 2 เส้น นอกจากนี้ ยังต้องรวมเข้ากับระดับระบบด้วยการเชื่อมต่อและฟังก์ชันเพิ่มเติมด้วย

ตัวอย่างเช่น ตัวแปลง AIF500 มีเอาต์พุต “หน่วยดี” แบบบรรทัดเดียวโดยตรงและอินพุตระดับ TTL สำหรับการเปิดใช้งานระยะไกล เมื่อไม่ได้เปิดใช้งาน พลังงานในโหมดสแตนด์บายคือ 5W สัญญาณการรายงานและการควบคุมเหล่านี้เป็นเพียงจุดเริ่มต้นของการเชื่อมต่อ เนื่องจากตัวแปลงยังรวมถึงอินเทอร์เฟซ PMBus อีกด้วย

คุณลักษณะเพิ่มเติม ได้แก่ เอาต์พุตเสริมแรงดันคงที่แบบเปิดตลอดเวลาที่ 8V_DC ถึง 11V_DC ที่ 250mA ซึ่งรองรับโหลดขนาดเล็กที่สำคัญ

การกำหนดค่าตัวแปลงหน่วยเดียวต้องใช้เพียงตัวกรองสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ภายนอก ตัวเก็บประจุโฮลด์อัป และตัวเก็บประจุเอาต์พุต

สำหรับแอปพลิเคชั่นที่กระแสเอาต์พุตของหน่วย AIF500 หน่วยเดียวไม่เพียงพอ หน่วยต่างๆ จะรองรับการแบ่งปันกระแสไฟฟ้าที่ใช้งานอยู่ ซึ่งขยายการกำหนดค่าหน่วยเดียวให้สูงสุดถึง 10 หน่วยด้วยการเชื่อมต่อหน่วยต่อหน่วยแบบง่ายๆ (รูปที่ 5) การจัดเตรียมเอาต์พุตแบบขนานนี้ต้องการเพียงการเพิ่มตัวเก็บประจุโฮลด์อัปและเอาต์พุตสำหรับหน่วยที่สอง (และหน่วยเพิ่มเติมแต่ละหน่วย) เท่านั้น ไม่จำเป็นต้องมีส่วนประกอบอื่น ๆ

รูปที่ 5: หน่วย AIF500 เพียงหน่วยเดียวต้องการส่วนประกอบภายนอกเพียงไม่กี่ชิ้นในการทำงาน (ด้านบน) สามารถต่อขนานกันได้สูงสุด 10 ชิ้นหากต้องการกระแสไฟขาออกที่สูงขึ้น (ด้านล่าง) (แหล่งที่มาของภาพ: Advanced Energy)

PMBus รองรับอินเทอร์เฟซผู้ใช้แบบกราฟิก (GUI) GUI ช่วยลดความซับซ้อนของการควบคุมและการตรวจสอบโมดูลหรือโมดูลต่างๆ เมื่อนักออกแบบอยู่ในขั้นตอนการพัฒนาและระหว่างการปรับใช้แอปพลิเคชัน ให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับแรงดันไฟ กระแสไฟ และสถานะของเมตริกการทำงานที่สำคัญและจุดทางกายภาพ

บทสรุป

ตัวแปลง AC/DC ที่แข็งแรงเริ่มต้นด้วยการออกแบบที่มั่นคง แต่การระบายความร้อนที่เพียงพอถือเป็นปัญหาเสมอ โดยเฉพาะในการติดตั้งแบบเปิดโล่ง ตัวแปลง Artesyn AIF500 แบบปิดมิดชิดได้รับการออกแบบมาให้ทำงานตามข้อกำหนดได้สูงถึง +100°C ที่แผ่นฐานโดยใช้การระบายความร้อนแบบสัมผัส หน่วยเหล่านี้มีประสิทธิภาพที่เหนือกว่าและมีฟังก์ชันและคุณลักษณะเพิ่มเติม เช่น อินเทอร์เฟซ PMBus ที่ทำให้สามารถทำงานเป็นตัวแปลงที่เข้ากันได้กับระบบ แทนที่จะเป็นเพียงแหล่งจ่ายเอาต์พุต DC ที่ได้รับการควบคุมที่จำเป็นเท่านั้น