Rețelele de furnizare a energiei (PDN − Power Delivery Networks) pentru vehicule electrice (EV) se modifică rapid. Sursele tradiționale de energie electrică, cum ar fi bateria plumb-acid de 12 volți, fac loc unor surse de 48 de volți sau mai mult. În același timp, multe motoare, pompe, senzori și actuatoare continuă să funcționeze la nivelurile de tensiune tradiționale. Prin urmare, tensiunile mai ridicate trebuie să fie coborâte și distribuite eficient către aceste sarcini variate. Pentru a realiza acest lucru, minimizând în același timp căderile de tensiune rezistive și pierderile de putere asociate, arhitecții sistemelor de alimentare trec de la o abordare centralizată (cu un convertor DC/DC mare în apropierea sursei) la o arhitectură descentralizată (în care o tensiune înaltă este distribuită către convertoare de putere aflate în apropierea fiecăreia dintre sarcinile care necesită tensiuni mai mici).
O rețea PDN descentralizată implică surse de alimentare ușoare, cu densitate de putere ridicată, eficiență optimă și o amprentă redusă. Deși folosirea componentelor discrete convenționale pentru proiectarea internă a unor asemenea convertoare poate fi tentantă pentru a optimiza un proiect, aceasta poate fi, totodată, o sarcină dificilă.
Există o opțiune mai bună: utilizarea unor dispozitive modulare de serie provenite de la furnizori cu o experiență vastă în proiectare și cu o varietate de soluții pentru cerințele PDN, cum ar fi gama de tensiuni de intrare, tensiunea de ieșire, puterea, densitatea și eficiența.
Articolul analizează nevoile unei rețele PDN moderne și cerințele tipice ale surselor de alimentare. Totodată, veți găsi aici exemple de soluții de surse de alimentare modulare de la Vicor și veți vedea cum pot fi acestea implementate în PDN-uri de înaltă performanță și eficiente din punct de vedere al costurilor.
Evoluția rețelelor PDN
Figura 1: Arhitectura centralizată convertește sursa de tensiune într-o tensiune de sarcină de 12 volți cât mai aproape de sursă și o distribuie în tot vehiculul; arhitectura zonală descentralizată distribuie sursa de tensiune către convertoare DC/DC locale, unde tensiunea este coborâtă la 12 volți cât mai aproape de sarcină. (Sursa imaginii: Vicor)
Vehiculele electrice și hibride au nevoie de o autonomie maximă și de un timp de încărcare minim, oferind în același timp o gamă completă de servicii șoferilor și pasagerilor. Aceste cerințe pun accentul pe proiecte eficiente și ușoare. În consecință, producătorii de vehicule trec de la o arhitectură PDN centralizată la o arhitectură zonală descentralizată (Figura 1).
Arhitectura centralizată convertește sursa de 48 de volți la 12 volți prin intermediul unei “cutii argintii”, un convertor DC/DC de mari dimensiuni care utilizează topologii de comutare mai vechi, cu modulare în lățime a impulsurilor (PWM) de joasă frecvență. Energia este apoi distribuită de la “cutia argintie” la 12 volți. Pentru o anumită putere livrată sarcinii, nivelul de curent la 12 volți este de patru ori mai mare decât curentul livrat la un potențial de 48 de volți. Aceasta înseamnă că pierderea de putere pe sarcina 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 convertoare DC/DC de 48 la 12 volți mai mici și mai eficiente alimentează sarcinile. Nivelurile mai scăzute de curent necesită secțiuni transversale mai mici ale conductorilor și conectorilor, ceea ce duce la cablaje cu costuri mai mici și greutate mai redusă. Convertoarele locale sunt plasate mai aproape de sarcină pentru a minimiza lungimile 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 de operare mai ridicată și o fiabilitate mai mare.
Proiectarea surselor de alimentare PDN
Deși este posibil să se creeze un proiect personalizat de convertor PDN folosind componente discrete, proiectarea sursei de alimentare este o sarcină dificilă. Puțini ingineri au abilitățile sau experiența necesară pentru a răspunde cerințelor aplicației și reglementărilor. O abordare modulară este o opțiune mai simplă și mai bună.
Proiectele PDN modulare depind de disponibilitatea unui stoc 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 care dispune de o mare varietate de soluții pentru a asigura flexibilitate și scalabilitate. (Sursa imaginii: Vicor)
Arhitectura PDN zonală de bază (stânga sus) distribuie sursa de alimentare de 48 de volți către convertoare modulare DC/DC locale, scăzând tensiunea la nivelurile necesare. În cazul în care există o modificare a cerințelor de sarcină, se face o simplă actualizare la un modul cu o putere nominală mai mare (partea superioară centrală). Adăugarea unei noi sarcini necesită pur și simplu adăugarea unui alt convertor modular (dreapta sus). Nu este nevoie să se modifice configurația sursei.
O reducere a pierderilor pe linia de alimentare poate fi realizată printr-o schimbare minoră la o arhitectură factorizată (stânga jos). Arhitectura factorizată separă reglarea alimentării și transformarea tensiunii/curentului în două module separate. Modulul preregulator (PRM) gestionează funcțiile de reglare a tensiunii. Curentul de magistrală factorizat este detectat pentru a regla tensiunea de ieșire a magistralei. 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 DC/DC complet și poate fi plasat mai aproape de sarcină pentru a reduce pierderile rezistive. De asemenea, impedanța sa de ieșire scăzută necesită capacitoare de ieșire mai mici. Acest lucru înseamnă că niște capacitoare ceramice mai mici pot înlocui capacitoare bulk mai mari în apropierea sarcinii.
Nevoia de o putere mai mare poate fi satisfăcută prin punerea în paralel a mai multor module convertoare (partea centrală inferioară). Adaptarea la o sursă de tensiune mai mare, cum ar fi 400 sau 800 de volți, poate fi realizată prin adăugarea unui modul coborâtor cu raport fix și a unui modul convertor de bus (BCM) pentru a reduce tensiunea sursei până la nivelurile de siguranță de tensiune foarte joasă (SELV) (dreapta jos). Rețineți că busul 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 permit o privire asupra flexibilității și scalabilității oferite de arhitectura zonală. Seria de module convertoare DCM de la Vicor se potrivește perfect acestor aplicații diverse. Compania a deschis calea spre numeroase descoperiri revoluționare în proiectarea modulelor de putere, inclusiv a capsulelor ChiP (Converter housed in Package) și VIA (Vicor Integrated Adapter) (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 în comparație cu configurațiile anterioare, obținând în același timp o reducere cu 20% a pierderilor de putere. ChiP utilizează structuri magnetice montate prin intermediul unui substrat de înaltă densitate. Alte componente sunt montate folosind o dispunere pe două fețe (two-sided layout) pentru a dubla densitatea de putere. Componentele sunt dispuse simetric în interiorul capsulei pentru o performanță termică îmbunătățită. Acest layout avansat, împreună cu materialul optimizat pentru compusul de matriță, asigură căi termice îmbunătățite. Modulul ChiP are o impedanță termică redusă în partea superioară și inferioară a suprafeței. Răcirea poate fi mărită cu ajutorul unor radiatoare cuplate termic la suprafața superioară și inferioară, precum și prin intermediul conexiunilor electrice. Modulul VIA adaugă elementului structural de bază “cărămidă” (brick) o filtrare integrată a interferențelor electromagnetice (EMI), o mai bună reglare a tensiunii de ieșire și o interfață de control secundară.
Exemple de module convertoare DC/DC din seria DCM
Seria DCM este un exemplu de convertor DC/DC regulator și izolat, de uz general. Utilizând la intrare o sursă de alimentare neregulată într-un interval larg de tensiune, convertorul generează la ieșire o putere de până la 1300 wați și curenți de ieșire de până la 46,43 amperi (A). Acesta oferă o izolare de până la 4.242 volți DC 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 solicitată de standardele de siguranță în cazul în care tensiunile de intrare ar putea fi dăunătoare pentru oameni. Având ieșirea flotantă în raport cu intrarea, este posibilă, de asemenea, inversarea sau schimbarea polarității la ieșire.
Familia DCM utilizează o topologie de comutare cu tensiune zero (ZVS – Zero-Voltage Switching), care reduce pierderile mari la pornire, frecvente în cazul convertoarelor PWM convenționale, prin comutare 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 operează la frecvențe de comutare de la 500 kilohertzi (kHz) la aproape 1 megahertzi (MHz). Prin utilizarea acestei frecvențe înalte de comutare se reduc, de asemenea, dimensiunile 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 per inch cub (W/in.3) și, respectiv, 96%.
Figura 4: Sumar al caracteristicilor electrice ale convertoarelor DC/DC din seria DCM, inclusiv domeniile de tensiune de intrare și de ieșire. (Sursa imaginii: Vicor)
Seria DCM este disponibilă în trei dimensiuni constructive: DCM2322, DCM3623 și DCM4623, cu intervale de tensiune de intrare și niveluri de putere de ieșire care se suprapun (Figura 4).
Domeniile de tensiune de intrare ale celor trei familii de convertoare se întind de la 9 la 420 de volți, cu ieșiri SELV în trepte cuprinse între 3 și 52,8 volți DC. Limitele tensiunii de ieșire pot fi ajustate pe o plajă de la -40% la +10% din tensiunea de ieșire nominală. Ieșirile au o limită de curent complet operațională pentru a menține convertorul în zona sa de operare 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.
Tabelul 1: Caracteristicile convertoarelor DCM utilizate frecvent ilustrează gama de tensiuni de intrare, tensiuni de ieșire și nivelurile de putere disponibile pentru a satisface o gamă largă de cerințe ale aplicațiilor. (Sursa tabelului: Art Pini)
În tabelul 1 sunt prezentate exemple de mai multe produse DCM, inclusiv toate cele trei dimensiuni de capsulă și o gamă de tensiuni de intrare și intervale de putere maximă.
Tabelul rezumă caracteristicile cheie ale fiecăruia dintre convertoarele DCM exemplificate și oferă dimensiunile fizice ale acestora. Este vorba de un mic eșantion din varietatea de modele DCM disponibile.
Aplicații tipice
Convertoarele DCM pot fi folosite separat, iar cele mai multe dintre ele pot fi utilizate și în paralel. Atunci când funcționează separat, ieșirea poate alimenta sarcini multiple, inclusiv regulatoare neizolate POL (Point-of-Load) (Figura 5).
Figura 5: O aplicație tipică a convertorului DCM3623T75H06A6T00 care comandă 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. Capacitorul de ieșire COut-Ext, împreună cu ROut-Ext, asigură stabilitatea buclei de control. Rezistorul poate fi rezistența echivalentă serie (ESR) a capacitorului, cu o valoare de aproximativ 10 miliohmi (mΩ). Capacitorul trebuie să fie amplasat fizic aproape de pinii de ieșire ai convertorului. Rdm, Lb, L2 și C2 formează un filtru de ieșire de mod diferențial. Frecvența de tăiere a filtrului este setată la o zecime din frecvența de comutare.
Majoritatea convertoarelor DCM pot opera cu ieșirile lor legate în paralel (modul matrice). Acest lucru mărește puterea de ieșire livrată la sarcină prin combinarea ieșirilor a până la opt module (figura 6).
Figura 6: Circuitul ilustrează funcționarea în paralel a unui ansamblu de convertoare DCM care alimentează o sarcină comună. (Sursa imaginii: Vicor)
Componentele externe îndeplinesc aceleași funcții ca în exemplul cu un singur convertor. În modul matrice, fiecare modul DCM trebuie să “vadă” o valoare minimă a capacitanței de ieșire înainte de orice inductanță în serie. În rețelele în care toate cele “N” module DCM sunt pornite simultan, valoarea maximă a capacitanței de ieșire poate fi de până la N ori Cout-Ext. Există, de asemenea, cerințe ca impedanța sursei de alimentare să fie mai mică decât jumătate din impedanța de intrare a rețelei DCM pentru a asigura stabilitatea și a minimiza efectul de inelare.
Concluzie
Aplicații, precum cele pentru autovehicule și vehicule electrice, trec printr-o schimbare notabilă de la arhitecturi PDN centralizate la cele descentralizate. Convertoarele DC/DC necesare pentru îndeplinirea cerințelor 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 demonstrat, aceste module ocupă un loc de frunte în ceea ce privește tipurile complexe de capsule, precum ChiP și VIA, iar topologiile inovatoare ZVS sunt scalabile și versatile, răspunzând unei game largi de aplicații diverse.
Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf face parte din grupul European de Asistență Tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la întrebările venite din partea clienților finali din EMEA referitoare la Dezvoltare și Inginerie. Înainte de Digi-Key, el a lucrat la mai mulți producători din zona semiconductorilor, cu accent pe sistemele embedded ce conțin FPGA-uri, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto. Rolf este licențiat în inginerie electrică și electronică la Universitatea de Științe Aplicate din Munchen, Bavaria.
DigiKey | https://www.digikey.ro
