Implementați rețele inovatoare de furnizare a energiei electrice utilizând convertoare de putere modulare

Rețelele de furnizare a energiei electrice (PDN) pentru vehicule electrice (EV) se schimbă rapid. Sursele tradiționale de energie electrică, cum ar fi bateria plumb-acid de 12 volți, cedează locul unor surse de 48 de volți sau mai mult. În același timp, multe motoare, pompe, senzori și dispozitive de acționare funcționează încă la niveluri de tensiune tradiționale. Prin urmare, tensiunile de nivel superior trebuie să fie coborâte în mod eficient și distribuite către aceste sarcini diferite. Pentru a realiza acest lucru, minimizând în același timp căderile de tensiune rezistivă și pierderile de putere asociate, arhitecții sistemelor de alimentare trec de la o abordare centralizată (cu un convertor c.c./c.c. mare în apropierea sursei) la o arhitectură descentralizată (în care o tensiune ridicată este distribuită către convertoare de putere în apropierea fiecărei sarcini de tensiune mai mică).

Această rețea PDN descentralizată necesită surse de alimentare ușoare, cu densitate de putere ridicată, eficiență optimă și o amprentă redusă. Deși utilizarea componentelor discrete convenționale pentru proiectarea internă a acestor convertoare poate fi tentantă pentru a optimiza un proiect, aceasta poate fi, de asemenea, o sarcină descurajantă.

Există o opțiune mai bună: dispozitive modulare comerciale de la o sursă cu o experiență vastă în proiectare și o varietate de soluții pentru cerințele PDN, cum ar fi gama de tensiuni de intrare, tensiunea de ieșire, puterea, densitatea și eficiența.

Acest articol prezintă cerințele unui PDN modern și cerințele tipice de alimentare cu energie electrică. Prezintă și exemple de soluții modulare de alimentare cu energie electrică de la Vicor și arată cum pot fi aplicate pentru rețelele PDN de înaltă performanță și rentabile.

Evoluția PDN

Vehiculele electrice și cele electrice hibride au nevoie de o autonomie maximă și de un timp de încărcare minim, oferind în același timp o gamă completă de servicii pentru șoferi și pasageri. Aceste cerințe pun accentul pe modele eficiente și ușoare. În consecință, producătorii de vehicule trec de la o arhitectură PDN centralizată la o arhitectură zonală descentralizată (Figura 1).

Figura 1: Arhitectura centralizată convertește tensiunea de sursă în tensiunea de sarcină de 12 volți în apropierea sursei și o distribuie în tot vehiculul; arhitectura zonală descentralizată distribuie tensiunea de sursă către convertoare c.c./c.c. locale, unde tensiunea este redusă la 12 volți cât mai aproape de sarcină. (Sursa imaginii: Vicor)

Arhitectura centralizată convertește sursa de 48 de volți în 12 volți prin intermediul unei „cutii argintii”, un convertor c.c./c.c. de mari dimensiuni care utilizează topologii de comutare cu modulație în lățime a impulsurilor (PWM) mai vechi, de frecvență redusă. Energia este apoi distribuită de la cutia argintie la 12 volți. Pentru o anumită putere livrată sarcinii, nivelul curentului la 12 volți este de patru ori mai mare decât cel livrat la un potențial de 48 de volți. Asta înseamnă că pierderea de putere rezistivă, care este proporțională cu pătratul curentului, este de 16 ori mai mare.

Pe de altă parte, arhitectura zonală distribuie sursa de 48 de volți în zonele locale, unde sarcinile sunt alimentate de convertoare c.c./c.c. de 48 la 12 volți mai mici și mai eficiente. Nivelurile mai scăzute de curent necesită secțiuni transversale mai mici ale conductorilor și conectorilor, ceea ce duce la cablaje cu costuri mai mici și de greutate mai redusă. Convertoarele locale sunt plasate mai aproape de sarcină pentru a minimiza lungimea cablurilor de alimentare de 12 volți.

În sistemul zonal, sursele de căldură sunt distribuite pe scară largă în toate zonele vehiculului, în loc să fie concentrate în apropierea sursei. Acest lucru îmbunătățește disiparea globală a căldurii, permițând convertoarelor individuale să funcționeze în medii cu temperaturi mai scăzute. Rezultatul este o eficiență operațională mai mare și o fiabilitate sporită.

Proiectarea surselor de alimentare PDN

Deși este posibilă crearea unui proiect personalizat de convertor PDN folosind componente discrete, proiectarea sursei de alimentare este o sarcină formidabilă. Puțini ingineri au competențele sau experiența necesare pentru a îndeplini cerințele de aplicare și de reglementare. O abordare modulară este o opțiune mai simplă și mai bună.

Proiectele PDN modulare depind de disponibilitatea unui inventar de module de alimentare care oferă o gamă largă de funcții legate de alimentare pentru a permite arhitecturi flexibile și scalabile (Figura 2).

Figura 2: Proiectele PDN modulare se bazează pe un furnizor cu o mare varietate de soluții pentru a asigura flexibilitatea și scalabilitatea. (Sursa imaginii: Vicor)

Arhitectura PDN zonală de bază (stânga sus) distribuie sursa de alimentare de 48 de volți către convertoare modulare c.c./c.c. locale, reducând tensiunea la nivelurile necesare. În cazul în care există o modificare a cerințelor de sarcină, se face un simplu upgrade la un modul cu o putere nominală mai mare (centru sus). Adăugarea unei noi sarcini necesită pur și simplu adăugarea unui alt convertor modular (dreapta sus). Nu este necesar să modificați configurația sursei.

O reducere a pierderilor de energie pe șina de alimentare poate fi realizată printr-o schimbare minoră la o arhitectură factorizată (stânga jos). Arhitectura factorizată împarte reglarea puterii și transformarea tensiunii/curentului în două module separate. Modulul de preregulator (PRM) gestionează funcțiile de reglare a tensiunii. Curentul de magistrală factorizat este detectat pentru a regla tensiunea de ieșire a șinei. Modulul de transformare a tensiunii (VTM), care acționează în mod similar unui transformator de curent continuu, gestionează reducerea tensiunii/multiplicarea curentului. VTM este mai mic decât un modul convertor c.c./c.c. complet și poate fi plasat mai aproape de sarcină pentru a reduce pierderile de rezistență. De asemenea, impedanța de ieșire scăzută a acestuia necesită condensatoare de ieșire mai mici. Acest lucru înseamnă că condensatoarele ceramice mai mici pot înlocui condensatoarele de masă mai mari în apropierea sarcinii.

Necesitatea unei puteri mai mari poate fi satisfăcută prin punerea în paralel a mai multor module convertoare (centru jos). Actualizarea la surse de tensiune mai mare, cum ar fi 400 sau 800 de volți, poate fi realizată prin adăugarea unui modul de reducere a tensiunii cu raport fix și a unui modul de conversie a magistralei (BCM) pentru a reduce tensiunea sursei până la nivelurile magistralei de tensiune foarte joasă de siguranță (SELV) (dreapta jos). Rețineți că magistrala SELV este un standard de siguranță care specifică limita maximă de tensiune pentru dispozitivele electrice pentru a garanta siguranța împotriva șocurilor electrice. Nivelurile de tensiune SELV sunt, în general, sub 53 de volți.

Aceste exemple oferă o privire asupra flexibilității și scalabilității disponibile cu ajutorul arhitecturii zonale. Vicor oferă o gamă largă de module convertoare din seria DCM care se potrivesc acestor aplicații diverse. Compania a fost pionierul mai multor progrese revoluționare în proiectarea modulelor de alimentare, inclusiv a convertorului în capsulă (ChiP) și a capsulelor Vicor Integrated Adapter (VIA) (Figura 3).

Figura 3: Exemple de configurații fizice ChiP și VIA ale seriei DCM. (Sursa imaginii: Vicor)

Aceste capsule măresc densitatea de putere de patru ori față de configurațiile anterioare ale capsulelor, obținând în același timp o reducere de 20% a pierderilor de putere. ChiP utilizează structuri magnetice montate printr-un substrat de înaltă densitate. Alte componente sunt montate folosind o dispunere pe două fețe pentru a dubla densitatea de putere. Componentele sunt dispuse simetric în interiorul capsulei pentru o performanță termică îmbunătățită. Această dispunere avansată, împreună cu materialul optimizat al compusului de turnare, produce trasee termice îmbunătățite. Modulul ChiP are o impedanță termică redusă la suprafața de sus și cea de jos. Răcirea poate fi îmbunătățită cu ajutorul unor radiatoare cuplate termic la suprafețele de sus și de jos, precum și prin intermediul conexiunilor electrice. Modulul VIA adaugă o filtrare integrată a interferențelor electromagnetice (EMI), o mai bună reglare a tensiunii de ieșire și o interfață de control secundară la elementul structural de bază de tip bloc.

Exemplu de module convertoare c.c./c.c. din seria DCM

Seria DCM este un exemplu de convertor c.c./c.c. regulat și izolat de uz general. Funcționând de la o sursă de tensiune nereglementată cu o gamă largă de tensiuni ca intrare, convertorul generează o putere de ieșire cu tensiune regulată la niveluri de până la 1300 de wați la curenți de ieșire de până la 46,43 amperi (A). Oferă o izolare de până la 4.242 de volți c.c. între intrare și ieșire. Izolarea se referă la izolarea galvanică, ceea ce înseamnă că niciun curent nu circulă direct între intrare și ieșire. Această izolare poate fi impusă de standardele de siguranță în cazul în care tensiunile de intrare pot fi dăunătoare pentru oameni. Faptul că ieșirea este flotantă în raport cu intrarea permite, de asemenea, inversarea sau schimbarea polarității de ieșire.

Familia DCM utilizează o topologie de comutare cu tensiune zero (ZVS), ce reduce pierderile mari la pornire, frecvente în cazul convertoarelor PWM convenționale, prin comutarea soft a dispozitivelor de putere. ZVS permite operarea la o frecvență mai mare și la tensiuni de intrare mai mari fără a sacrifica eficiența. Aceste convertoare funcționează la frecvențe de comutare cuprinse între 500 kilohertzi (kHz) și aproape 1 megahertz (MHz). Utilizarea acestei frecvențe de comutare ridicate reduce, de asemenea, dimensiunea componentelor magnetice și capacitive de stocare a energiei asociate, îmbunătățind densitatea de putere. Se pot obține densități de putere și randamente de până la 1244 wați pe inch cubic (W/in.³) și, respectiv, 96%.

Seria DCM este disponibilă în trei dimensiuni de capsule: DCM2322, DCM3623 și DCM4623, cu intervale de tensiune de intrare și niveluri de putere de ieșire care se suprapun (Figura 4).

Figura 4: Este prezentat un grafic rezumativ al caracteristicilor electrice ale convertoarelor c.c./c.c. din seria DCM, inclusiv domeniile de tensiune de intrare și de ieșire. (Sursa imaginii: Vicor)

Domeniile de tensiune de intrare ale celor trei familii de convertoare acoperă de la 9 la 420 de volți, cu ieșiri SELV în trepte de la 3 la 52,8 volți c.c. Limitele tensiunii de ieșire pot fi ajustate în intervalul de la -40% la +10% din tensiunea de ieșire nominală. Ieșirile au o limită de curent complet operațională pentru a menține convertorul în zona de funcționare sigură, pe baza puterii medii maxime de ieșire, indiferent de setarea tensiunii de ieșire.

Seria DCM include protecție la defecțiuni pentru subtensiune și/sau supratensiune la intrare, supratemperatură, supratensiune la ieșire, supracurent la ieșire și scurtcircuit la ieșire.

În Tabelul 1 sunt prezentate exemple de mai multe produse DCM, inclusiv toate cele trei dimensiuni ale capsulei și o gamă de tensiuni de intrare și de puteri maxime.

Tabelul 1: Caracteristicile convertoarelor DCM utilizate în mod obișnuit ilustrează gama de tensiuni de intrare, tensiuni de ieșire și niveluri de putere disponibile pentru a satisface o gamă largă de cerințe ale aplicațiilor. (Sursa tabelului: Art Pini)

Tabelul rezumă caracteristicile cheie ale fiecăruia dintre convertoarele DCM oferit ca exemplu și prezintă dimensiunile fizice ale acestora. Acesta este un mic eșantion din varietatea de modele DCM disponibile.

Aplicații tipice

Convertoarele DCM pot fi aplicate individual, iar majoritatea pot fi utilizate și în paralel. Atunci când este utilizată singură, ieșirea poate alimenta mai multe sarcini, inclusiv regulatoare neizolate cu punct de sarcină (POL) (Figura 5).

Figura 5: Este prezentată o aplicație tipică a DCM3623T75H06A6T00 care conduce o sarcină directă, precum și un regulator POL neizolat. (Sursa imaginii: Vicor)

Circuitul este simplu. Componentele L1, C1, R4, C4 și Cy formează filtrul EMI de intrare. Condensatorul de ieșire C_Out-Ext, împreună cu R_Out-Ext, asigură stabilitatea buclei de control. Rezistorul poate fi rezistența efectivă în serie a condensatorului (ESR), cu o valoare de aproximativ 10 miliohmi (mΩ). Condensatorul trebuie să fie amplasat fizic aproape de pinii de ieșire ai convertorului. R_dm, L_b, L₂, _and C₂ formează un filtru de ieșire în mod diferențial. Frecvența de întrerupere a filtrului este setată la o zecime din frecvența de comutare.

Majoritatea convertoarelor DCM pot funcționa cu ieșirile lor legate în paralel (modul matrice). Acest lucru mărește puterea de ieșire livrată sarcinii prin combinarea ieșirilor a până la opt module (Figura 6).

Figura 6: Circuitul prezintă funcționarea în paralel a patru convertoare DCM care comandă o sarcină comună. (Sursa imaginii: Vicor)

Componentele externe îndeplinesc aceleași funcții ca în exemplul cu convertor simplu. În modul matrice, fiecare modul DCM trebuie să vadă o valoare minimă a capacității de ieșire înainte de orice inductanță în serie și trebuie să fie amplasat mai aproape de convertorul individual decât de joncțiunea de ieșire. În rețelele în care toate „N”-urile dintre module DCM sunt pornite simultan, valoarea maximă a capacității de ieșire poate fi de până la N ori cât C_out-Ext. Există, de asemenea, cerințe pentru ca impedanța sursei de alimentare să fie mai mică de jumătate din impedanța de intrare a matricei DCM pentru a asigura stabilitatea și a minimiza oscilațiile.

Concluzie

Aplicațiile, cum ar fi vehiculele și vehiculele electrice, trec printr-o schimbare semnificativă de la arhitecturi PDN centralizate la arhitecturi PDN descentralizate. Convertoarele c.c./c.c. necesare pentru a îndeplini cerințele asociate de eficiență, densitate de putere și greutate sunt dificil de proiectat folosind componente discrete. În schimb, proiectanții pot reduce timpul și costurile utilizând soluțiile de alimentare modulare din seria DCM de la Vicor. După cum s-a arătat, aceste module se află în fruntea capsulelor avansate, cum ar fi ChiP și VIA, iar topologiile inovatoare ZVS sunt scalabile și versatile, răspunzând unei mari varietăți de aplicații diverse.