Kraftforsyninger i forsvarsanvendelser

Forsvarsapplikasjoner er blant de mest krevende anvendelsene i verden, og derfor sier det seg selv at vellykket design av militære kraftsystemer krever full forståelse av de komplekse ytelseskravene, testingen og miljøforholdene som det tiltenkte produktet vil bli utsatt for.

Pålitelighet og høy ytelse er et must!

Ved første øyekast, og spesielt gitt at deres grunnleggende funksjon for å konvertere AC- eller DC-spenning fra en variabel kilde til en stabil, brukbar spenning er den samme, kan det se ut for den tilfeldige observatøren at strømforsyningsprodukter som brukes i forsvarssektoren kan synes lik de som brukes i andre sektorer, som industri og telekommunikasjon – men det er langt fra sammenlignbart. Kraftløsninger for militære sektorer må ha økt robusthet, holdbarhet og må være svært pålitelige til et nivå som kanskje er høyere enn noen andre. I forsvarssektoren må kraftutstyr fungere sømløst på tvers av en rekke intense klimaer og tøffe terreng. De skal også kunne yte mange års tjeneste med minimalt vedlikehold.

Tåler mer enn de fleste

Militære strømforsyninger er generelt produsert etter svært høye standarder og for å gi den beste kvalitetsytelsen i forskjellige og ofte tøffe utplasseringsmiljøer. Slike strømforsyninger tåler omgivelsestemperaturer så høye som 80 grader og så lave som -40 grader Celsius. De har spesifikke spenningsområder for å ivareta de forskjellige militære flyene og kjøretøyene som opererer de forskjellige operasjonsmodusene. Strømforsyningene kan håndtere betydelige vibrasjoner, støt og støt, hvis nivåer er mye mer intense enn de som forekommer på kommersielle tog og fly. Så vær sikker, det nødvendige pålitelighetsnivået for strømforsyningssystemer er svært høyt i forsvarssektorer. De er i stand til å operere i et bredt spekter av temperaturer så vel som under ekstreme støt og høye støtforhold. MIL-STD-krav finnes i de fleste militære kraftsystemenheter, og de fungerer jevnt uten «hikke» i tøffe miljøer.

Særpreg i militære-/forsvarsmarkeder

På grunn av militær- og forsvarsvirksomhetssegmentenes natur, som for de fleste av de endelige applikasjoner er klassifisert, svært konfidensielle og dekket av forskrifter om beskyttelse av forretningshemmeligheter, er det svært vanskelig å nøyaktig anslå den totale markedsstørrelsen knyttet til strømforsyninger. Imidlertid anslås markedsanalytikeres estimater som inkluderer batterier, generatorer, UPS og strømforsyninger å være rundt 8 milliarder USD i 2023.

Hvis vi fokuserer på strømforsyninger (AC/DC, DC/DC), estimerte markedsanalytikerne i Micro-Tech Consultants i sin siste rapport dette segmentet til å representere nærmere 3 milliarder USD. Dette er sammensatt av 60 % designet internt av produsenter av militærutstyr (Captive), og 40 % fra det kommersielle markedet, hvor en del av det er spesialdesignet, basert på kundenes spesifikasjoner, og spesifikt for en unik applikasjon (Figur 01) .

Kundespesifisert vs hyllevare

Kundespesifiserte kraftløsninger representerer fortsatt en stor del av dette segmentet, og som det har vært for andre segmenter, vurderer forsvarsprodusenter fordelene ved å bruke kommersiell og militær hyllevare (COTS/MOTS) strømforsyninger (Figur 02) i de tidlige stadiene av sine prosjekter for å redusere kostnader, ressursallokering og time to market.

Når det gjelder design, det vil si kundespesifiserte eller standard kraftløsninger, må kraftelektronikkdesignere vurdere en rekke standarder som er spesifikke for militær- og forsvarsindustrien, hvilket er en veldig interessant del av designprosessen.

Utformet for å møte krevende standarder

Fra bakken til verdensrommet må strømforsyninger overholde spesifikke standarder som definerer robusthetsnivået som kreves for å oppfylle det endelige kravet. Siden bruksområdet er ekstremt stort, må kraftdesignere ta hensyn til den mest hensiktsmessige standarden som dekker bruksbredden. Standarder spesifiserer alle mulige miljøforhold som det endelige utstyret vil bli utsatt for, for eksempel ekstreme temperaturer fra -40 til +80 grader celsius, behovet for støyreduksjon på grunn av taktiske krav, støt og vibrasjoner som følge av håndtering, transport og operasjonelle påvirkninger.

MIL-STD

Forsvarsindustrien bruker den såkalte Military Standard (MIL-STD) (Figur 03). Denne standarden ble etablert etter andre verdenskrig for å gi standard, enhetlige krav og for å sikre interoperabilitet for militæret og dets sekundære industrier, med eksplisitt fokus på ingeniørmessige og tekniske krav, prosesser, prosedyrer, praksiser og metoder. MIL-STD-sertifiseringen ble først brukt av enkelte grener av militæret, men representerer nå evnen til å tåle ekstreme forhold og brukes som referanse av andre krevende bransjer. Selv om det ville være umulig å nevne alle disse standardene, kan vi liste noen få eksempler på hva strømforsyningsdesignere må vurdere når de designer produkter for militære- og forsvarsapplikasjoner.

Når taushet er gull, er MIL-STD-461 normen

Det grunnleggende prinsippet for en strømforsyning er å transformere en likespenning til vekselstrøm og deretter likerette den for å gå tilbake til en brukbar likespenning. Denne prosessen oppnås ved å svitsje likespenningen, en prosess som genererer radiostråling og ledet støy. Disse effektene er svært kritiske i forsvarsapplikasjoner fordi de kan oppdages eller forstyrre kritiske systemer. For å redusere slike forstyrrelser implementerer strømforsyningsprodusenter forskjellige teknologier, fra myk svitsjing til støykansellering, forenklet sagt tilsvarende det du bruker i headsettet for å lytte til musikk i støyende omgivelser.

Støy

For å sikre at strømforsyninger ikke genererer høye nivåer av ledet eller utstrålt støy, og også at selve strømforsyningen ikke påvirkes eller skades av eksterne signaler, bør den testes i henhold til MIL-STD-461. Denne normen fastsetter kravene til elektromagnetisk interferens (EMI) og elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) for robuste militære strømforsyninger. Overholdelse av standarden er nøkkelen til å sikre tilfredsstillende ytelse av alt utstyr i et system. Testene utført under MIL-STD-461 inkluderer: Ledningsbunden støy; ledningsbundet følsomhet; utstrålt støy og utstrålt følsomhet.

Avhengig av applikasjonen, f.eks. frekvensspekter på bakken, luftvåpenet, marinen eller ubåt, kan følsomhetsnivået og testene variere som definert i tabellene IV og V i MIL-STD-461 (Figur 04).

Kraftforsyning i militære kjøretøy: MIL-STD-1275

Det meste av det militære utstyret ombord i kjøretøy drives av en 28V intern distribusjonsbuss-spenning fra hovedbatteriet eller strømgeneratoren, med MIL-STD-1275 som standard for det elektriske kraftfordelingssystemet på militære bakkekjøretøyer. Denne standarden definerer driftsspenningsgrensene og transientspenningsegenskapene til den 28VDC strømforsyningen på inngangen til bruksutstyret. DC/DC- eller DC/AC kraftomformingssystemet må kunne fungere når det utsettes for de definerte spenningstransientene, både overspenninger og pigger, og levere velregulert, ren strøm til lastene. Denne standarden dekker alle mulige forstyrrelser strømforsyningen vil møte under driften, og garanterer at den alltid vil levere som lovet.

MIL-STD-810 eller miljømessige designhensyn og lab-tester

MIL-STD-810 ble først introdusert i juni 1962, og har vært gjennom en rekke revisjoner. Utgivelsen i januar 2019 var den åttende versjonen, MIL-STD810H. MIL-STD-810H beskriver detaljerte testprosedyrer designet for å se hvordan utstyr oppfører seg under en rekke forhold, som temperatur, støt, vibrasjoner og fuktighetsnivåer som utstyret kan møte mens det brukes, transporteres og lagres. Selv om MIL-810H er en militær standard, er det viktig å merke seg at mange robuste industriprodukter er testet i henhold til denne standarden. MIL STD 810H har mer enn 20 forskjellige testmetoder som spenner fra lavt trykk (høyde) til mekaniske vibrasjoner i skipsutstyr, inkludert skuddstøt og sur atmosfære. De fleste strømforsyninger trenger ikke å bli testet i henhold til alle testmetodene, og strømforsyningsdesignere velger de relevante delene som er relevante for den endelige applikasjonen. Noen av testmetodene er generelle og ofte brukt, for eksempel testmetode 516.8 for støt og testmetode 514.8 for vibrasjon. Disse testene simulerer effekten av støt, fall og andre lignende handlinger som kan oppstå under transport og operasjoner.

Design med tanke på kommersiell og militær hyllevare!

Ettersom COTS/MOTS strømforsyninger kan brukes i et stort spekter av bruksområder, må designere vurdere et bredt spekter av miljøaspekter.

En rekke forsvarsapplikasjoner krever strømforsyninger for å fungere med begrenset, eller faktisk ingen ventilasjonskjøling. I denne forbindelse tenker vi hovedsakelig på de som opererer i tøffe miljøer hvor elektronisk utstyr er installert i en forseglet boks, i radiokommunikasjonssystemer som er underlagt ugunstige værforhold, utendørs overvåkings- og adgangskontrollutstyr, og innendørs utstyr underlagt svært strenge begrensninger til hørbar støy. I tillegg til miljøkrav motiverer pålitelighet og vedlikeholdskostnader systemdesignere til ikke å bruke vifter og blåsere, og til å foretrekke ledningskjøling.

Ledningskjøling

Ledningskjøling krever svært spesifikke byggerutiner, og strømforsyningene må utformes for å kunne garantere optimal varmeoverføring fra de dissiperende komponentene til baseplaten, for å levere et høyt ytelsesnivå innenfor et nesten uanstendig driftstemperaturområde på -40 til +95 grader celsius ved baseplaten. I slike applikasjoner kan baseplaten brukes til å avkjøle strømforsyningen når den brukes i høytemperaturmiljøer, men også til å varme opp strømforsyningen når den brukes ved lave temperaturer. Noen strømforsyninger inkluderer faktisk et Pelletier-element som drives av et lite batteri og brukes under oppstartsfasen eller toppkjøling.

Fleksibilitet

Når de vurderer COTS/MOTS, krever kundene ofte at strømforsyninger skal være ekstremt fleksible og i stand til å drive et stort spekter av applikasjoner. For eksempel krever noen forsvarsapplikasjoner, slik som batteriladere, at strømforsyningen leverer en konstant strøm, og denne må ikke bare være lett justerbar, men samtidig kan det kreves at strømforsyningen brukes til andre formål, f.eks. overvåking når den ikke lader, og å bytte fra konstant strøm til konstant spenning. Ofte brukes slikt utstyr i miljøer som krever at elektronikken er innelukket og beskyttet mot farer. Dette nødvendiggjør at strømforsyningen tilbyr en ekstern styring for å justere utgangsspenningen og/eller strømmen fra maksimalt tillatt ned til nær null. Avhengig av det endelige kravet kan slike funksjoner styres av analog eller digital kommunikasjonsbuss. Fleksibilitet er også nødvendig for applikasjoner som krever redundans eller for kunder med høyere effekt som krever at strømforsyninger er utformet for parallellkobling, hvor å opprettholde høy effektivitet ofte inkluderer aktive ORing-kretser.

Robusthet

Alt dette uten å glemme behovet for å møte de høyere nivåene av støt og vibrasjoner – over de som kreves av konvensjonelle strømforsyninger – og svært effektiv EMC-filtrering som spesifisert av MIL-STD 461E CE102, MIL-STD 1399-300A og MIL-STD 810H .

Raskt økende interesse

Som nevnt, ved å dra nytte av de beste praksisene for å designe robuste kraftløsninger som kan møte MIL-STD810H spesifikke tester, opplever militær- og forsvars COTS/MOTS strømforsyninger raskt økende interesse fra sluttbrukere innen krevende industrielle applikasjoner som opererer i tøffe miljøer. I denne artikkelen har vi ikke nevnt ekstreme applikasjoner som de som er utsatt for høye nivåer av stråling. Selv om disse bruksområdene kan betraktes som marginale, er det med antallet kjernekraftverk som blir renovert for å forlenge levetiden behov for å utvikle kraftforsyninger som kan opprettholde eksponering for høye strålingsnivåer med lengre levetid enn tidligere nødvendig. Fra forskning utført på militære kraftforsyninger som kan opprettholde høye strålingsnivåer, og implementeringen av den siste generasjonen Wide Bandgap-halvledere utviklet for fiendtlige miljøer, er det åpenbart at krevende industrielle applikasjoner vil dra nytte av slik forskning og fra tilgjengeligheten av COTS/MOTS strømforsyninger.

Utvikling av strømforsyninger for militære-, forsvars- og svært krevende industrier er et meget interessant område for strømforsyningsdesignere å utforske, ikke minst å oppdage ny teknologi som gjør dem enda mer robuste, allsidige og energieffektive.

Referanser:

Powerbox (PRBX)

Micro-Tech Consultants: Global Switching Power Supply Industry 2023 Report