Wdrażanie innowacyjnych sieci zasilających z wykorzystaniem modułowych przetwornic mocy

Sieci zasilające (PDN) w pojazdach elektrycznych (EV) szybko się zmieniają. Tradycyjne źródła energii elektrycznej, takie jak akumulatory kwasowo-ołowiowe 12V, ustępują miejsca źródłom o napięciu 48V i wyższym. Jednocześnie wiele silników, pomp, czujników i aktuatorów nadal działa na tradycyjnych poziomach napięcia. W rezultacie napięcia wyższego poziomu muszą być skutecznie obniżane i rozdzielane na różne odbiorniki. Aby to osiągnąć, minimalizując rezystancyjne spadki napięcia i związane z nimi straty mocy, architekci systemów zasilania przechodzą od podejścia scentralizowanego (z dużą przetwornicą prądu stałego w pobliżu źródła) do architektury zdecentralizowanej (gdzie wysokie napięcie jest dystrybuowane do przetwornic mocy w pobliżu odbiorników o niższym napięciu).

Zdecentralizowana sieć zasilająca (PDN) wymaga lekkich zasilaczy o wysokiej gęstości mocy, optymalnej sprawności i niewielkich rozmiarach. Użycie konwencjonalnych komponentów dyskretnych do zaprojektowania takich przetwornic we własnym zakresie może być kuszące w celu optymalizacji projektu, jednak może być ono również trudnym zadaniem.

Istnieje lepsza opcja: gotowe urządzenia modułowe od producentów posiadających bogate doświadczenie projektowe z różnorodnymi rozwiązaniami spełniającymi wymagania stawiane sieciom zasilającym (PDN) np. w dziedzinie zakresu napięć wejściowych, napięcia wyjściowego, mocy, gęstości i sprawności.

W niniejszym artykule omówiono potrzeby nowoczesnych sieci zasilających (PDN) i typowe wymagania dotyczące zasilania. W artykule przedstawiono również przykładowe modułowe zasilacze firmy Vicor i pokazano sposób ich zastosowania w wydajnych i ekonomicznych sieciach zasilających (PDN).

Ewolucja sieci zasilających (PDN)

Pojazdy elektryczne i hybrydowe (EV/HEV) wymagają maksymalnego zasięgu i minimalnego czasu ładowania, przy jednoczesnym zapewnieniu pełnej gamy usług dla kierowców i pasażerów. Wymagania te kładą nacisk na wysokosprawne i lekkie konstrukcje. W związku z tym producenci pojazdów przechodzą ze scentralizowanej architektury sieci zasilającej (PDN) na zdecentralizowaną architekturę strefową (ilustracja 1).

Ilustracja 1: scentralizowana architektura przekształca napięcie źródła na napięcie obciążenia 12V w pobliżu źródła i rozprowadza je po pojeździe, natomiast zdecentralizowana architektura strefowa dystrybuuje napięcie źródłowe do lokalnych przetwornic prądu stałego, gdzie napięcie jest obniżane do 12V możliwie najbliżej odbiornika. (Źródło ilustracji: Vicor)

Scentralizowana architektura konwertuje źródło napięcia 48V na napięcie 12V za pośrednictwem „srebrnej skrzynki”, czyli dużej przetwornicy prądu stałego, która wykorzystuje starsze, niskoczęstotliwościowe topologie przełączające z modulacją szerokości impulsu (PWM). Ze srebrnej skrzynki rozprowadzane jest napięcie 12V. Dla danej mocy dostarczanej do odbiornika, poziom prądu przy napięciu 12V jest czterokrotnie większy niż prąd dostarczany przy napięciu 48V. Oznacza to, że rezystancyjne straty mocy, które są proporcjonalne do kwadratu prądu, są 16 razy wyższe.

Z drugiej strony architektura strefowa rozdziela napięcie źródłowe 48V do stref lokalnych, w których odbiorniki są zasilane przez mniejsze przetwornice prądu stałego o wyższej sprawności konwertujące napięcie z 48 na 12V. Niższe poziomy prądu wymagają mniejszych przekrojów przewodów i złączy, co skutkuje niższymi kosztami i lżejszymi wiązkami przewodów. Lokalne przetwornice są umieszczone bliżej odbiornika, aby zminimalizować długość okablowania zasilającego 12V.

W układzie strefowym źródła ciepła są rozproszone po strefach pojazdu, zamiast skupiać się w pobliżu źródła. Poprawia to ogólne rozpraszanie ciepła, umożliwiając poszczególnym przetwornicom pracę w środowiskach o niższych temperaturach. Rezultatem jest wyższa sprawność robocza i większa niezawodność.

Projektowanie zasilaczy do sieci zasilających (PDN)

O ile stworzenie własnego projektu przetwornicy do sieci zasilającej (PDN) przy użyciu komponentów dyskretnych jest możliwe, o tyle już zaprojektowanie zasilacza jest trudnym zadaniem. Niewielu inżynierów posiada wymagane umiejętności lub doświadczenie, aby spełnić wymagania danego zastosowania i przepisów. Podejście modułowe jest prostszą i lepszą opcją.

Modułowe projekty sieci zasilających (PDN) zależą od dostępności modułów zasilania, które zapewniają szeroki zakres funkcji związanych z zasilaniem, umożliwiając tworzenie elastycznych i skalowalnych architektur (ilustracja 2).

Ilustracja 2: stosując modułowe projekty sieci zasilającej (PDN), polegamy na dostawcach oferujących szeroką gamę rozwiązań w celu zapewnienia elastyczności i skalowalności. (Źródło ilustracji: Vicor)

W podstawowej strefowej architekturze sieci zasilającej (PDN) (u góry po lewej) rozdziela zasilanie ze źródła 48V do lokalnych przetwornic modułowych prądu stałego, obniżając napięcie do wymaganego poziomu. W przypadku zmiany wymagań dotyczących obciążenia, dokonywana jest prosta wymiana modułu na moduł o wyższej mocy znamionowej (u góry po środku). Dodanie nowego odbiornika wymaga po prostu dodania kolejnej przetwornicy modułowej (u góry po prawej). Nie ma potrzeby zmiany konfiguracji źródła.

Obniżenie strat w szynie zasilającej można osiągnąć poprzez niewielką zmianę w architekturze sekcyjnej (na dole po lewej). Architektura sekcyjna rozdziela regulację mocy oraz transformację napięcia i prądu na dwa oddzielne moduły. Moduł regulatora wstępnego (PRM) zarządza funkcjami regulacji napięcia. W celu regulacji napięcia wyjściowego szyny mierzony jest prąd szyny sekcyjnej. Moduł transformacji napięcia (VTM), działając podobnie do transformatora prądu stałego, zarządza redukcją napięcia i powielaniem prądu. Moduł transformacji napięcia (VTM) jest mniejszy niż pełny moduł przetwornicy prądu stałego i może być umieszczony bliżej odbiornika w celu zmniejszenia strat rezystancyjnych. Ponadto jego niska impedancja wyjściowa wymaga mniejszych kondensatorów wyjściowych. Oznacza to, że mniejsze kondensatory ceramiczne mogą zastąpić większe kondensatory magazynujące w pobliżu odbiornika.

Zapotrzebowanie na większą moc można zaspokoić przez równoległe połączenie wielu modułów przetwornic (na dole pośrodku). Aby zaspokoić potrzeby źródeł o wyższym napięciu, np. 400 lub 800V, można dodać moduł obniżający o stałej przekładni oraz moduł przetwornicy magistrali (BCM) w celu obniżenia napięcia źródła do bezpiecznych poziomów bardzo niskich napięć magistrali (SELV) (na dole po prawej). Należy zauważyć, że magistrala SELV stanowi standard bezpieczeństwa, który określa maksymalne napięcie graniczne dla urządzeń elektrycznych w celu zapewnienia ochrony przed porażeniem prądem elektrycznym. Poziomy napięcia SELV są generalnie poniżej 53V.

Podane przykłady dają wgląd w elastyczność i skalowalność dostępne w architekturze strefowej. Firma Vicor oferuje szeroką gamę modułów przetwornic z serii DCM, które mogą być używane w różnorodnych zastosowaniach. Firma ta była pionierem kilku rewolucyjnych rozwiązań w projektowaniu modułów zasilania, w tym obudów typu ChiP (Converter Housed in Package) oraz obudów VIA (Vicor Integrated Adapter) (ilustracja 3).

Ilustracja 3: przykłady fizycznych konfiguracji obudów ChiP (Converter Housed in Package) i VIA (Vicor Integrated Adapter) z serii DCM. (Źródło ilustracji: Vicor)

Omawiane obudowy zwiększają czterokrotnie gęstość mocy w porównaniu z wcześniejszymi konfiguracjami, zapewniając jednocześnie 20% redukcję strat mocy. Obudowa ChiP (Converter Housed in Package) wykorzystuje struktury magnetyczne zamontowane na podłożu o wysokiej gęstości. Pozostałe komponenty są montowane dwustronnie w celu podwojenia gęstości mocy. Komponenty są rozmieszczone symetrycznie w obudowie, co poprawia parametry termiczne. Ten zaawansowany układ wraz z zoptymalizowanym materiałem formującym poprawia drogi termiczne. Moduł z obudową ChiP (Converter Housed in Package) posiada niską impedancję cieplną powierzchni górnej i dolnej. Chłodzenie można poprawić za pomocą radiatorów połączonych termicznie z górną i dolną powierzchnią, a także za pośrednictwem połączeń elektrycznych. Moduł VIA (Vicor Integrated Adapter) dodaje do podstawowego „blokowego” elementu konstrukcyjnego zintegrowane filtrowanie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), lepszą regulację napięcia wyjściowego i wtórny interfejs sterowania.

Przykładowe moduły przetwornic prądu stałego z serii DCM

Seria DCM to przykład regulowanych i izolowanych przetwornic prądu stałego ogólnego przeznaczenia. Przetwornica, która pracuje przy nieregulowanym źródle o szerokim zakresie napięć na wejściu, generuje moc wyjściową o regulowanym napięciu dochodzącą do 1300W przy natężeniu prądu wyjściowego do 46,43A. Zapewnia ona izolację prądu stałego do 4242V pomiędzy wejściem i wyjściem. Izolacja odnosi się do izolacji galwanicznej, co oznacza, że między wejściem i wyjściem nie płynie prąd. Taka izolacja może być wymagana przez normy bezpieczeństwa, jeśli napięcia wejściowe mogą być szkodliwe dla ludzi. Wyjście nieposiadające ustalonego potencjału względem wejścia pozwala również na odwrócenie lub przesunięcie biegunowości wyjścia.

Grupa DCM wykorzystuje topologię przełączania przy zerowym napięciu (ZVS), która zmniejsza wysokie straty włączania typowe dla konwencjonalnych przetwornic z modulacją szerokości impulsu (PWM) poprzez przełączanie miękkie urządzeń mocy. Przełączanie przy zerowym napięciu (ZVS) pozwala na pracę przy wyższej częstotliwości i przy wyższych napięciach wejściowych bez pogorszenia sprawności. Omawiane przetwornice działają z częstotliwościami przełączania w zakresie od 500kHz do prawie 1MHz. Zastosowanie tak wysokiej częstotliwości przełączania zmniejsza również rozmiary powiązanych magnetycznych i pojemnościowych komponentów magazynujących energię, poprawiając gęstość mocy. Osiągalne są gęstości mocy dochodzące do 1244W/in.³ i sprawności dochodzące do 96%.

Seria DCM jest dostępna w trzech rozmiarach obudów: DCM2322, DCM3623 i DCM4623, a także oferuje nakładające się zakresy napięć wejściowych i poziomy mocy wyjściowej (ilustracja 4).

Ilustracja 4: wykres podsumowujący charakterystykę elektryczną przetwornic prądu stałego serii DCM, w tym zakresy napięć wejściowych i wyjściowych. (Źródło ilustracji: Vicor)

Zakresy napięć wejściowych dla trzech grup przetwornic obejmują przedział od 9 do 420V ze stopniowanymi wyjściami SELV w zakresie od 3 do 52,8V=. Limity napięcia wyjściowego można dostrajać w zakresie od -40% do +10% nominalnego napięcia wyjściowego. Aby utrzymać przetwornicę w bezpiecznym obszarze roboczym, wyjścia posiadają ograniczenie prądu pozwalające zachować pełne parametry działania, zależne od maksymalnej średniej mocy wyjściowej, niezależnie od ustawionego napięcia wyjściowego.

Seria DCM zawiera zabezpieczenia przed zbyt niskim i nadmiernym napięciem wejściowym, nadmierną temperaturą, nadmiernym napięciem wyjściowym, nadmiernym prądem wyjściowym oraz zwarciem na wyjściu.

Przykłady kilku produktów DCM, w tym wszystkie trzy rozmiary obudów oraz zakres napięć wejściowych i zakresy mocy maksymalnej przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1: charakterystyki powszechnie używanych przetwornic częstotliwości DCM ilustrują dostępny zakres napięć wejściowych, wyjściowych i poziomów mocy na potrzeby spełnienia szerokiego zakresu wymagań różnych zastosowań. (Źródło tabeli: Art Pini)

W tabeli zestawiono kluczowe cechy poszczególnych przykładowych przetwornic DCM i podano ich wymiary fizyczne. To jest niewielka próbka różnych dostępnych modeli DCM.

Typowe zastosowania

Przetwornice DCM mogą być stosowane pojedynczo, a większość z nich może również pracować równolegle. W przypadku ich użycia bez innych urządzeń, wyjście może zasilać wiele odbiorników, w tym nieizolowane regulatory w punkcie obciążenia (POL) (ilustracja 5).

Ilustracja 5: typowe zastosowanie przetwornicy DCM3623T75H06A6T00 do zasilania obciążenia bezpośredniego oraz nieizolowanego regulatora w punkcie obciążenia (POL). (Źródło ilustracji: Vicor)

Obwód jest nieskomplikowany. Komponenty L1, C1, R4, C4 i Cy tworzą wejściowy filtr zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Kondensator wyjściowy C_Out-Ext wraz z rezystorem R_Out-Ext zapewniają stabilność pętli sterowania. Rezystor może mieć postać efektywnej rezystancji szeregowej (ESR) kondensatora o wartości około 10mΩ. Kondensator musi być fizycznie umieszczony blisko wtyków wyjściowych przetwornicy. R_dm, L_b, L₂, _oraz C₂ tworzą filtr wyjściowy trybu różnicowego. Częstotliwość graniczna filtra jest ustawiona na jedną dziesiątą częstotliwości przełączania.

Większość przetwornic DCM może działać przy wyjściach połączonych równolegle (tryb układowy). Zwiększa to moc wyjściową dostarczaną do odbiornika dzięki połączeniu wyjść maksymalnie ośmiu modułów (ilustracja 6).

Ilustracja 6: obwód ilustruje równoległe działanie czterech przetwornic DCM zasilających wspólne obciążenie. (Źródło ilustracji: Vicor)

Komponenty zewnętrzne pełnią te same funkcje, jak w przykładzie z pojedynczą przetwornicą. W trybie układowym każdy moduł DCM musi widzieć minimalną wartość pojemności wyjściowej przed jakąkolwiek indukcyjnością szeregową i musi znajdować się bliżej poszczególnych przetwornic niż złącza wyjściowego. W układach, w których wszystkie („N”) moduły DCM są uruchamiane jednocześnie, maksymalna wartość pojemności wyjściowej może wynosić N razy C_out-Ext. Aby zapewnić stabilność i zminimalizować oscylacje komutacyjne, impedancja źródła zasilania musi być mniejsza od połowy impedancji wejściowej układu DCM.

Podsumowanie

W zastosowaniach motoryzacyjnych, w tym w pojazdach elektrycznych (EV) obserwuje się zauważalne przejście od scentralizowanych do zdecentralizowanych architektur sieci zasilających (PDN). Przetwornice prądu stałego niezbędne do spełnienia powiązanych wymagań w zakresie sprawności, gęstości mocy i wagi są trudne do zaprojektowania przy użyciu komponentów dyskretnych. Zamiast tego projektanci mogą skrócić czas projektowania i obniżyć koszty, stosując zasilacze modułowe z serii DCM firmy Vicor. Opisywane moduły wyposażono między innymi w wiodące obudowy typu ChiP (Converter Housed in Package) oraz VIA (Vicor Integrated Adapter), a innowacyjne topologie przełączania przy zerowym napięciu (ZVS) charakteryzują się skalowalnością i wszechstronnością, dzięki czemu mogą być używane w szerokiej gamie różnorodnych zastosowań.