מערכות מטריצות של ספקי-כוח חשמליים

מערכות ספקי-כוח חשמליים מבוזרים המורכבים ממערך מודולים מוגדר ניתנים לסידור על-פני משטח שרטוט אופקי בתור תמונה סכמטית במטרה לנתח ולמטב את מבנה המערכת.

אולם לאחרונה הופיעו צרכנים המיועדים למערכות ספקי-כוח חשמליים מבוזרים. לתמונות הסכמטיות שלהם יש מבנה מטריצי מרחבי מבוטא בעוצמה המורכב מקווים ועמודות עם מודולי ספקי-כוח ממוקמים בנקודות ההצלבה שלהם. מערכות ספקי-כוח עבור מכ”מי מערך מופע (phased array) ועבור מחשבי-על הן דוגמאות אופייניות של המבנים הללו המתפתחים במהירות.

המחבר הוא הראשון להציע שימוש במונח – DEPSMS: “distributed electrical power supply matrix systems” (מערכות מטריצות של ספקי-כוח חשמליים מבוזרים) לשם זיהוי מערכות כאלו.

החברות המאוחדות תחת השם AEPS-GROUP, דנות בדיוק במערכות ספקי-כוח כאלה. יסוד-המפתח של ה-APAR DEPSMS הוא מודול שידור-קליטה TRM – transmitting- receiving module  הקובע עד 90% של המחיר, המשקל והביצועים של ה-APAR. כיום, מספר יחידות ה-TRMAPAR במטוס עולה מעל 2,000 ומגיע ל-10,000 או יותר בציוד קרקע.

TRM חדשני אופייני מורכב מרכיבי UHF (משדר, מקלט, מסיט מופע) ומיקרו-מעבד לבקרה והתאמת אותות. רכיב LF הממוקם בצורה ארגונומית ב-TRM כלול גם. זהו מאגר קבלי אגירת אנרגיה המספק הענקת אנרגיה סירוגית עבור שמדר ה-UHF (מודים של ספק-כוח בעל פולסים – (משך של מאות ננו-שניות עד מילי-שניות, יחס הפעלה (duty ratio) של עשרות עד 4-5).

חשוב ביותר למזער את ה-TRM מאחר שהרוחב והגובה שלו (כאשר האורך הממוצע הוא 150 עד 250 מ”מ) ביחד עם רכיבי הקירור הנוזליים ושל אוויר (סימון הצד המקובל של הריבוע הנוצר עם רוחב וגובה ה-TRM כ-ΔL), לא יכול לעלות על אורך חצי הגל של ה-APAR המשודר, כלומר ΔL<-ƛ/2. טבלה 1 מראה את הערכים האופייניים של Δ L הקובע עבור הגדלים הממשיים של רכיב הקירור עבור תחומי תדר של APAR שונים.

כיום, למדנו להתאים את המיקרו-מעגלים UHF בפס ברוחב של 9-11 מ”מ. אם מביאים בחשבון את הצורך בתיבת מתכת כדי לסנן את קרנת ה-UHF של ה-TRM מ-TRMs צמודים (בעיית ה-EMC) בעזרת דפנות בעובי של לפחות 0.5 מ”מ (בעיית פיזור החום), ניתן לומר שחלק ה-UHF של ה-TRM עם ΔL=10…12 mm תיושם במהרה.

אחד המחסומים בדרך למזעור ה-TRM (כלומר משקל והורדת מחיר ה-APAA ושיפור ה-EMC) הוא המזעור הקשה ביותר של מודולי ספק-הכוח וקבלי אגירת האנרגיה שלהם. הקטנת ממדי השנאים וההתקנים לבקרת המשוב (throttles) עבור מודולי ספק-כוח הפועלים בתחומי תדר פי 10,000 פחות מאלה של קטע ה-UHF היא משימה קשה ביותר. לדוגמה, לסוגי מודולי ה-DC/DC ו-AC/DC של ה-AEPS-GROUP עבור APAR יש ΔL העולה על 21.5 מ”מ ו-47 מ”מ בהתאמה (איורים 1, 2, 3, 4). דבר זה אומר שנכון לעכשיו, אין אפשרות לייצר DEPSMS בתחום C ו-X מבוזרים במלואם (דבר רצוי מנקודת הראות של האמינות הכוללת של ה-APAR) תוך שימוש במודולים של AEPS-GROUP- מאחר שדרושים זמן ומחקר נרחב לכך.

זו הסיבה מדוע רק DEPSMSsAPAR מבוזרים בתדר מרבי של 4 עד 6 גיגה-הרץ מבוססים על TRMs חד-ערוציים ניתנים למימוש כעת. כיום, ניתן להשתמש בפתרונות מוכחים טכנית המסוגלים לעקוף את האיסור של ממדי APAR מעבר למחצית אורך הגל המשודר, עבור תדרי פעולה של APAR מעל 6 גיגה-הרץ. בפירוט, אלה הם TRMs רב-ערוציים. התיבה המשותפת של TRM בעל 2 או 4 ערוצים יכולה להכיל 2 מודולי ספק-כוח המחוברים במקביל או בטור והמספקים גיבוי של מודול ספק-כוח יסודי(עם כל המסקנות המתבקשות). במקרה זה אנחנו מקבלים DEPSMS מבוזר בעל מקדם אמינות קרוב מאוד ל-1, במחיר של קבלת TRM מסובך ו-EMC גרוע יותר. ייצור של כמויות גדולות של מודולים רבי-ערוצים מסובכים ויקרים במקום TRMs פשוטים מסוג-יחיד המתאימים לייצור רובוטי איננה הצעה עסקית מבטיחה. שיקולי הנגד מכילים גם את ההכרח המאולץ של שימוש במקורות ספקי-כוח מרוכזים מסוג AC/DC עבור מערכות אלה, כלומר מבוססי-מהפך (inverter) עם גיבוי של PFC JETA2000 (איור 5). התוצאה היא מבנה היפוך דו-שלבי בעל יעילות יחס תפקוד נמוכה.

נתונים המפורסמים במגזינים אמריקאיים מציגים דוגמה מצוינת על כיצד הקשיים של מזעור DEPSMSs המורכבים מיותר מאשר 2,000 TRMs מקשים על מימוש ה-APAR3D על מטוס הקרב F22 RAPTOR (איור 6).

עם היות והנפח / משקל של כל המכ”מים המוטסים הסורקים לצדדים 565 dm³/553קילוגרם ועם ההספק הכולל של MSDNE AFAS 16 של 530 ואט, הנפח/משקל של MSDNE מהווה 40/45%. יש לציין כאן שבדוגמה זו משמש DEPSMS מרוכז לכאורה. הוא כולל אמינות קריטית נמוכה ויש בו חלק גבוה במשקל של מערכת ספק-הכוח TRM מסוג קו-הזנה, אך הוא יותר קל מאשר המערכת המבוזרת.

להלן דוגמאות של מימושי APAR DEPSMS קרקעיים ומוטסים אופייניים, וכיצד טכנולוגיית הטרנזיסטורים המשמשת עבור חלק ה-UHF של ה-TRM משפיע על מדדי אנרגיית המפתח של MSDNE מבוזר.

תכנון 1 (איור 7) פותח על בסיס טרנזיסטורי UHFGaAs בעלי מתח הספק אופייני של 10 וולט ויעילות של 0.2. קבל אגירת אנרגיה של 3.14 נפח יחידות נומינלי זמין (מתח הספק ויעילות הפרשיים נחשבים כאשר משווים תכנוני 1 ו- 2).

תכנון 2 (איור 8) פותח על בסיס טרנזיסטורים בעלי מתח הספק של 28 וולט ויעילות 0.5 האופייניים לטכנולוגיית GaN. כמו כן זמין קבל עבור אגירת אנרגיה של 1 נפח יחידה נומינלית.

הפרמטרים הבאים משותפים לשני התכנונים: הספק פולס מוקרן של כל TRM הוא 10 ואט, תדר מרבי הוא 6 גיגה-הרץ, יעילות מודול ספק-הכוח היא 0.88, מספר TRM הוא 2,000, יחס עבודה בפולסים הוא 5.

הנפח הכולל של ה-DEPSMS המבוסס-GaAs הוא 10.280 יחידות נומינליות או כ-56dm³, ובחד עם המהפך המרוכז בעל גיבוי הכולל 18 מודולים מסוג JETA2000w/PFC מחוברים במקביל (כל אחד בעל נפח של 1,200 יחידות נומינליות) יש לנו 21,600+10,280=31,880 יחידות נומינליות או בערך 174 dm³.

הנפח הכולל של ה-DEPSMS מבוסס-GaN הוא 4,000 יחידות נומינליות או בערך 21.7dm³, וביחד עם 9 המודולים המרוכזים מסוג JETA2000w/PFC המחוברים במקביל יש לנו 10,800 + 4,000=14,800 יחידות נומינליות או בערך 80.4dm³. השוואה בין פרמטרי תכנון 1 (GaAs) ותכנון 2 (GaN) ניתן לראות בטבלה 2.

 

מסקנות

1. התוצאות מוכיחות שהשימוש בטכנולוגיית GaN במקום טכנולוגיית GaAs יכול לאפשר צמצום בצריכת ההספק של ה-APAR של עד 2.5 פעמים, צמצום בפיזור ההספק התרמי של מעל 8 פעמים וצמצום בנפח ומשקל של כל הרכיבים של יותר מכיפליים.
2. גם כיום, ב-2015-2016, התעשייה תהיה מסוגלת לייצר APARs המבוססים על TRMGaN חד-ערוציים, הפועלים בתחומי S, C וחלקית ב-X, עם הספק מוצא UHF כולל של 20,000 ואט.
3. המודולים JETD25, JETD50, JETA2000 המיוצרים סדרתית על-ידי AEPS-GROUP יכולים לשמש כאבי-טיפוס של מודולי ספק-כוח עבור APAR ומחשבי-על.
4. המודולים TESAV50 בלי/עם PFC ומודולי JETA60 עם PFC של AEPS GROUP הם די מבטיחים עבור מחשבי-על ומערכות APAR קומפקטיות – פעולה ישירה ממחוללי 220 וולט או 3×380 וולט ללא מהפך ממורכז הופכת לאפשרית, ומשפרת דרמטית את פרמטרי הממדים והמשקל ומצמצמת משמעותית את פיזור ההספק התרמי.

 

 

 

 

הכותב הוא נשיא חברתAEPS-GROUP