Чтобы выбрать схему преобразования мощности, подходящую для ракетного силового модуля, необходимо всесторонне рассмотреть множество факторов, чтобы гарантировать, что силовой модуль может надежно и эффективно питать ракетное оборудование в сложных рабочих условиях ракеты. Вот некоторые ключевые соображения и методы выбора:

1. Требования к питанию:

• Определить мощность нагрузки:

Точно рассчитайте требования к мощности каждого устройства на ракете при различных рабочих условиях, включая пиковую мощность и среднюю мощность. Например, система наведения ракеты потребляет относительно мало энергии при поиске целей, но может потребовать больше энергии при точном отслеживании и корректировке положения. Для устройств, требующих высокого электропитания, таких как приводной двигатель ускорителя, может потребоваться выбрать схему преобразования, которая может обеспечить высокую выходную мощность, например, мостовой или другой двухтактный преобразователь постоянного тока; для устройств с меньшей мощностью, таких как датчики или небольшие управляющие микросхемы, может быть достаточно обратноходового преобразователя или простой понижающей схемы для удовлетворения потребностей.

• Рассмотрим запас мощности:

Чтобы справиться с возможными изменениями нагрузки и аварийными ситуациями, при выборе схемы преобразования мощности следует зарезервировать определенный запас мощности. В общем случае запас мощности может быть установлен на уровне 10% - 20%, но конкретное значение должно определяться в соответствии с фактической ситуацией и требованиями к надежности ракеты. Например, для военных приложений с чрезвычайно высокими требованиями к надежности запас мощности может быть соответствующим образом увеличен.

2. Требования к преобразованию напряжения:

• Диапазон входного напряжения:

Четко определите диапазон входного напряжения источника питания ракетного борта, включая нормальный рабочий диапазон напряжения и возможный диапазон колебаний. Различные схемы преобразования мощности имеют различную приспособляемость к входному напряжению. Например, схема Buck подходит для ситуаций, когда входное напряжение выше выходного напряжения, в то время как схема Buck-Boost может адаптироваться к ситуациям, когда входное напряжение выше или ниже выходного напряжения. Выберите схему преобразования, которая может стабильно работать в заданном диапазоне входного напряжения, чтобы обеспечить стабильность выходного напряжения.

• Точность выходного напряжения:

Выберите подходящую схему преобразования на основе требований ракетного оборудования к точности напряжения питания. Некоторое оборудование с чрезвычайно высокими требованиями к точности напряжения, например, высокоточные микросхемы наведения, может потребовать выбора схем с высокоточным управлением регулировкой напряжения, например, прямых преобразователей или резонансных преобразователей LLC с управлением обратной связью замкнутого контура; в то время как для оборудования с относительно низкими требованиями к точности напряжения можно выбрать недорогие схемы, например, простые понижающие схемы.

3. Требования к эффективности:

• Рассмотрим эффективность работы:

Ракеты имеют ограниченную энергию, поэтому эффективность схемы преобразования мощности имеет решающее значение. Эффективная схема преобразования может снизить потери энергии и продлить рабочее время ракеты. Резонансные преобразователи LLC обычно более эффективны, поскольку они могут достигать мягкого переключения и снижать потери переключения. Они подходят для ракетных силовых модулей с высокими требованиями к эффективности; в то время как некоторые простые неизолированные преобразователи, такие как схемы Buck, могут иметь сниженную эффективность при малых нагрузках и должны быть всесторонне рассмотрены в соответствии с фактическими условиями нагрузки.

• Требования к отводу тепла:

Высокоэффективные схемы преобразования генерируют относительно меньше тепла, что способствует упрощению конструкции рассеивания тепла. Рассеивание тепла особенно важно в ограниченном пространстве ракет. Выбор высокоэффективной схемы преобразования может уменьшить объем и вес устройства рассеивания тепла и улучшить общую производительность ракетного силового модуля.

4. Надежность и стабильность:

• Экологическая адаптация:

Ракеты будут испытывать сильную вибрацию, удары, высокую температуру, низкую температуру и другие суровые условия во время полета. Выбранная схема преобразования энергии должна иметь хорошую устойчивость к вибрации и ударам и быть способной стабильно работать в экстремальных температурных условиях. Например, схемы, использующие технологию заливки или конструкцию армирования, могут улучшить их устойчивость к вибрации и ударам; а выбор компонентов и топологий схем с широким диапазоном рабочих температур может обеспечить стабильность схемы в различных температурных условиях.

• Функция защиты цепи:

Модуль питания ракеты должен иметь полные функции защиты, такие как защита от перенапряжения, защита от перегрузки по току, защита от короткого замыкания и защита от перегрева. Различные схемы преобразования энергии могут отличаться в реализации функций защиты. Некоторые топологии схем сами по себе имеют определенные характеристики защиты, например, обратноходовой преобразователь имеет определенные возможности самозащиты при коротком замыкании; а для некоторых приложений, требующих более мощных функций защиты, могут быть выбраны схемы преобразования со специальными схемами защиты, чтобы обеспечить безопасность цепей и оборудования в различных условиях неисправности.

5. Ограничения по объему и весу:

• Требования к миниатюризации и легкости:

Внутреннее пространство ракеты ограничено, и существуют строгие ограничения по объему и весу силового модуля. При выборе схемы преобразования энергии следует отдавать приоритет топологиям схем с малыми размерами и легким весом. Например, использование высокоинтегрированных микросхем и миниатюрных компонентов, а также оптимизированная компоновка схемы могут уменьшить объем схемы; в то время как выбор легких материалов и форм упаковки может уменьшить вес схемы. Некоторые новые схемы преобразования энергии, такие как схемы на основе широкозонных полупроводниковых материалов, таких как нитрид галлия (GaN) или карбид кремния (SiC), имеют более высокую плотность мощности и могут достигать более высокой выходной мощности в меньшем объеме, что больше подходит для требований применения ракетных силовых модулей.

6. Электромагнитная совместимость (ЭМС):

• Уменьшение электромагнитных помех:

Электромагнитные помехи (ЭМП), создаваемые модулем питания ракеты, могут повлиять на нормальную работу другого оборудования на ракете, поэтому необходимо выбрать схему преобразования мощности с хорошей электромагнитной совместимостью. Некоторые топологии схем, такие как преобразователи Cuk и преобразователи Sepic, имеют хорошую электромагнитную совместимость из-за их непрерывных входных и выходных токов и малых пульсаций; а для некоторых схем, которые склонны создавать большие электромагнитные помехи, таких как схемы с высокими частотами переключения, необходимо принять эффективные меры электромагнитного экранирования и фильтрации, чтобы уменьшить воздействие электромагнитных помех на другое оборудование.

• 7. Стоимость и ремонтопригодность:

• Контроль затрат:

Исходя из предпосылки соответствия требованиям производительности, необходимо учитывать стоимость схемы преобразования мощности. Различные топологии схемы и выбор компонентов будут иметь большое влияние на стоимость. Некоторые сложные топологии схемы, такие как резонансные преобразователи LLC, имеют превосходную производительность, но высокую стоимость; в то время как некоторые простые топологии схемы, такие как понижающие схемы, имеют относительно низкую стоимость. Необходимо всесторонне рассмотреть факторы стоимости на основе фактических потребностей и бюджета ракеты и выбрать экономически эффективную схему преобразования.

• Ремонтопригодность:

Учитывая удобство ракеты при эксплуатации и обслуживании, выбранная схема преобразования энергии должна иметь хорошую ремонтопригодность. Структура схемы должна быть максимально простой, а выбор компонентов должен быть простым для замены и ремонта. При этом должны быть предусмотрены необходимые контрольные точки и диагностические функции, чтобы можно было быстро локализовать и устранить неисправности при их возникновении.