Specjalistyczne dwukierunkowe przetwornice mocy pozwalają połączyć układy 12V i 48V w instalacjach samochodowych

Ponieważ w pojazdach z silnikiem spalinowym (ICE) wykorzystuje się coraz więcej elektroniki, silników i aktuatorów, dostrzegalne stają się ograniczenia konwencjonalnych zamkniętych obwodów elektrycznych 12V, w których wykorzystywane są akumulatory ołowiowo-kwasowe ładowane przez alternator. Na przykład urządzenia o dużej mocy, takie jak elektryczne układy wspomagania układu kierowniczego w instalacjach 12V pobierają duże prądy, co wymaga większych, cięższych wiązek elektrycznych. Ta dodatkowa waga staje się znacząca w nowoczesnych pojazdach, których okablowanie może mieć nawet kilka kilometrów długości.

Alternatywne rozwiązanie wykorzystuje instalacje wyższego napięcia do zastosowań wymagających dużej mocy, co obniża pobór prądu i umożliwia stosowanie lżejszego okablowania. W zastosowaniach komercyjnych wykorzystuje się konwencjonalną sieć 12V uzupełnioną o instalację 48V z akumulatorami litowo-jonowymi (Li-ion). Instalacja 12V jest wykorzystywana do takich zastosowań, jak zarządzanie silnikiem, oświetlenie oraz regulacja foteli i drzwi, natomiast instalacja 48V obsługuje urządzenia dużej mocy, takie jak elektryczne wspomaganie układu kierowniczego, rozrusznik czy klimatyzacja.

Takie hybrydowe samochodowe instalacje elektryczne charakteryzują się większą złożonością, co niesie ze sobą nowe wyzwania projektowe. Najistotniejszym wyzwaniem jest zarządzanie jednoczesnym ładowaniem i rozładowaniem dwóch obwodów akumulatorowych, co obejmuje jednoczesne obniżanie (buck) i podwyższanie (boost) napięcia między akumulatorami.

W niniejszym artykule opiszemy ewolucję dwunapięciowych samochodowych układów elektrycznych 12/48V i objaśnimy ich zalety. Następnie omówimy sposób użycia dwukierunkowych regulatorów napięcia 12/48V firmy Linear Technology i Texas Instruments w celu uproszczenia projektów instalacji dwunapięciowych. Omówimy również zalety przyszłościowej zdecentralizowanej topologii pojazdów wykorzystującej wyłącznie napięcie 48V i przyjrzymy się konwerterowi magistrali Vicor przeznaczonemu do takich instalacji.

Wyzwania związane z przejściem na konstrukcję 12/48V

Za przejściem na układy 12/48V w dużej mierze przemawia potrzeba zasilania urządzeń o wysokim zużyciu energii, przy jednoczesnym zapewnieniu, że pojazd spełnia surowe przepisy dotyczące oszczędności i emisji. Na przykład w wypadku układu kierowniczego czy doładowania, przejście z napędu mechanicznego na elektryczny radykalnie zmniejsza straty związane z tarciem i zmniejsza zużycie paliwa. Według niektórych producentów samochodów, zastosowanie układu elektrycznego 48V powoduje oszczędność paliwa rzędu 10-15% przy proporcjonalnym zmniejszeniu szkodliwych emisji. Obwody 12V instalacji są nadal potrzebne ze względu na dużą liczbę starszych urządzeń 12V, które będą montowane w samochodach jeszcze przez wiele lat.

Instalacja 12/48V składa się z dwóch oddzielnych części: tradycyjnej magistrali 12V wykorzystującej konwencjonalny akumulator kwasowo-ołowiowy do typowych obciążeń, oraz instalacji 48V, zasilanej z akumulatora litowo-jonowego, który obsługuje większe obciążenia. Pomimo że dla zapewnienia kompatybilności z właściwościami elektrochemicznymi akumulatorów potrzebne są dwa oddzielne obwody ładowania, musi istnieć mechanizm umożliwiający ładowanie ich obu bez niebezpieczeństwa uszkodzenia akumulatora lub któregoś z zasilanych urządzeń. Musi także istnieć mechanizm zapewniający dodatkową moc dla przeciwległej szyny napięciowej w warunkach przeciążenia.

Nowo zaproponowany standard w motoryzacji - LV 148 - opisuje połączenie magistrali 48V z istniejącą instalacją motoryzacyjną 12V. Instalacja 48V posiada zintegrowany prądnico-rozrusznik (ISG) lub rozrusznik z paskiem i akumulator litowo-jonowy. Instalacja jest w stanie dostarczyć moc rzędu dziesiątków kilowatów (kW) i znajdzie zastosowanie głównie w samochodach konwencjonalnych, jak również hybrydowych oraz w tak zwanych „miękkich hybrydach” (mild hybrid).

Zaprojektowanie instalacji 12/48V jest wyzwaniem, ponieważ wymaga starannego zarządzania przenoszeniem mocy w obydwu kierunkach pomiędzy szynami 48V i 12V w pojeździe. Jednym z rozwiązań jest użycie przetwornicy obniżającej napięcie, natomiast przeniesienie mocy w przeciwnym kierunku może być zapewnione przy użyciu przetwornicy podwyższającej napięcie. Jednakże wykorzystanie w projekcie osobnych przetwornic prądu stałego zajmuje cenne miejsce, a także zwiększa koszty oraz złożoność układu.

Alternatywnym rozwiązaniem jest zastosowanie pojedynczej, dwukierunkowej obniżająco-podwyższającej przetwornicy prądu stałego umieszczonej między akumulatorami 12 i 48V. Taka przetwornica może być wykorzystywana do ładowania akumulatorów lub do dostarczania prądu do różnych odbiorników elektrycznych pojazdu (ilustracja 1).

Ilustracja 1: zasilacz dwukierunkowy może być wykorzystywany do zarządzania przepływem energii między obwodami 12V i 48V w samochodowych instalacjach elektrycznych. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Dwukierunkowe kontrolery prądu

Komponenty zarządzania energią do instalacji 12/48V są zaprojektowane z myślą o zgodności z normą LV 148. To jednak wiąże się z dużymi wymaganiami dotyczącymi pracy układów w stanach przepięciowych. Wspomniana norma dopuszcza na szynie 48V pojawianie się maksymalnego napięcia 70V przez co najmniej 40ms przy zachowaniu pełnej sprawności układu podczas takiego przepięcia. Dla sprzedawców półprzewodników oznacza to, że wszystkie elementy podłączone do szyny 48V pojazdu muszą wytrzymywać napięcie 70V na wejściu (plus margines bezpieczeństwa, co daje łącznie wymóg wytrzymywania do 100V).

Przykładem dwukierunkowego zasilacza zgodnego ze specyfikacją LV 148 jest układ LT8228 firmy Linear Technology - dwukierunkowy synchroniczny kontroler 100V obniżający lub podwyższający napięcie, działający w trybie stałego prądu lub stałego napięcia z niezależną siecią kompensacyjną (zobacz artykuł techniczny DigiKey: Sterowanie w trybie napięciowym i prądowym w generowaniu sygnału PWM w regulatorach przełączających prądu stałego).

Kontroler wykorzystuje dwa wejścia: V₁, wejście zasilane napięciem 24-54V z akumulatora litowo-jonowego; i V₂, wejście zasilane napięciem 14V z akumulatora kwasowo-ołowiowego (ilustracja 2). Wyjścia mają napięcie 48V przy 10 amperach (A) w trybie podwyższania i 14V przy 40A w trybie obniżania. Układ może wytrzymać napięcie 100V zarówno na wejściach, jak i wyjściach. Trybem pracy można sterować zewnętrznie za pomocą mikrokontrolera poprzez wtyk DRXN lub może on być wybierany automatycznie.

Ilustracja 2: dwukierunkowy zasilacz podwyższający i obniżający LT8228 firmy Linear Technology wytrzymuje napięcia do 100V i spełnia specyfikacje normy LV 148. (Źródło ilustracji: Linear Technology)

Wejściowe i wyjściowe tranzystory MOSFET chronią przed ujemnymi napięciami, ograniczają prądy udarowe i zapewniają izolację między zaciskami w warunkach awarii, takich jak zwarcia przełączających tranzystorów MOSFET. W trybie obniżającym zabezpieczające tranzystory MOSFET na zacisku V₁ (wejście 24V do 54V) zapobiegają prądowi wstecznemu. W trybie podwyższającym te same tranzystory MOSFET regulują wyjściowy prąd udarowy, a same zabezpieczone są regulowanym wyłącznikiem czasowym. Dedykowane wtyki zapewniają wewnętrzną i zewnętrzną diagnostykę i raportowanie usterek.

Firma Texas Instruments (TI) ma w ofercie również dwukanałowy dwukierunkowy kontroler prądu LM5170.o wysokich parametrach, zgodny z normą LV 148. Zadaniem urządzenia jest zarządzanie przesyłem prądu między portem wysokiego napięcia (port HV) (podłączonym do akumulatora litowo-jonowego 48V) a portem niskiego napięcia (port LV) (podłączonym do akumulatora kwasowo-ołowiowego 12V). Każdy kanał podwójnego kontrolera jest włączany za pomocą niezależnych sygnałów aktywujących.

Dwukanałowe wzmacniacze pomiarowe prądu i dedykowane kanałowe monitory prądu mają typową dokładność rzędu 1 procenta. Wytrzymałe sterowniki półmostkowe 5A są w stanie kontrolować równoległe przełączniki MOSFET dostarczające mocy 500 watów lub więcej na kanał. Kontroler może pracować w trybie nieciągłym w celu osiągnięcia zwiększonej wydajności w warunkach niewielkiego obciążenia (patrz artykuł techniczny DigiKey: Różnica między ciągłym a nieciągłym trybem przełączania kontrolera i dlaczego jest ona tak istotna), co zapobiega również prądowi ujemnemu. Zabezpieczenia obejmują ograniczanie prądu szczytowego w każdym cyklu, zabezpieczenie nadnapięciowe szyn akumulatorowych 48 i 12V, wykrywanie i zabezpieczenie w razie awarii przełączników MOSFET oraz ochronę przed nadmierną temperaturą.

Układ LM5170 wykorzystuje sterowanie w trybie prądu średniego, co upraszcza kompensację poprzez wyeliminowanie RHPZ w trybie podwyższania i poprzez utrzymywanie stałego wzmocnienia pętli niezależnie od napięcia i poziomu obciążenia.

Dwukierunkowe kontrolery prądu firm Linear Technology i TI posiadają funkcje upraszczające projektowanie obwodów zarządzania energią w podwójnych instalacjach 12/48V elektroniki samochodowej. Komponenty te pozwalają na przykład na użycie tych samych zewnętrznych komponentów mocy, niezależnie od tego, czy zwiększają one napięcie z jednego akumulatora, czy też obniżają napięcie z drugiego. Oszczędza to miejsce i koszty oraz redukuje złożoność obwodów. Takie elementy zewnętrzne wymagają jednak starannego doboru.

Projektowanie obwodów

Podczas korzystania z układu LT8228 (jak również z urządzenia firmy TI) zewnętrzne komponenty zwykle dobiera się na podstawie wyboru regulatora przełączającego. Na przykład częstotliwość przełączania (f_SW) i wartość cewki indukcyjnej (L) dobiera się z myślą o optymalizacji sprawności, rozmiaru i kosztów. Podobnie rezystor pomiarowy prądu cewki indukcyjnej, R_SNS2, wraz z wejściowymi rezystorami wzmocnienia, R_IN2, dobiera się pod kątem granicznej wartości szczytowej prądu cewki, sprawności i dokładności pomiaru prądu (ilustracja 3).

Ilustracja 3: schemat blokowy urządzenia LT8228 firmy Linear Technology przedstawiający komponenty zewnętrzne wymagane do typowego zastosowania. (Źródło ilustracji: Linear Technology)

Kondensatory C_DM2 dobiera się w celu ograniczenia napięć tętnień na wejściu obniżającym i wyjściu podwyższającym; podobnie kondensatory C_DM4 stosuje się, aby ograniczyć napięcie tętnień na wejściu podwyższającym i wyjściu obniżającym. Kondensator C_DM1 na wtyku V1D służy jako obejście szumu. Kondensatory tłumiące C_V1 i C_V2 są dobierane tak, aby równoważna wartość rezystancji szeregowej (ESR) pozwalała na zmniejszenie rezonansu z powodu indukcyjności przewodu szeregowego podłączonego do V₁ lub V₂.

Kompensacje dla pętli regulacji obniżenia i podwyższenia (buck i boost) dobiera się w celu optymalizacji szerokości pasma i stabilności. Więcej informacji na temat projektów z przełączaniem regulatorów i kontrolerów napięcia można znaleźć w artykułach technicznych DigiKey: Kompromisy projektowe przy doborze regulatorów przełączających wysokiej częstotliwości, Informacje na temat odpowiedzi pętli sterowania regulatorów przełączających oraz Wykorzystanie regulatorów przełączających o niskich zakłóceniach elektromagnetycznych w celu optymalizacji projektów zasilaczy o wysokiej sprawności.

Po dobraniu komponentów z uwzględnieniem dobrych praktyk projektowania regulatorów przełączających należy jeszcze dokonać wyboru komponentów w celu spełnienia wymagań zastosowania w dwukierunkowej instalacji samochodowej 12/48V.

Na przykład w urządzeniu LT8228 limity prądu wyjściowego w trybie obniżania, prądu wejściowego w trybie podwyższania i monitora prądu V₂ są ustawiane przez rezystory R_SET2P, R_SET2N i R_MON2. Następnie dobiera się rezystor pomiarowy prądu V₁, R_SNS1 (w lewym górnym rogu na schemacie), wraz z wejściowymi rezystorami wzmocnienia R_IN1 w celu optymalizacji sprawności i dokładności pomiaru prądu.

Układ LT8228 używa tej samej cewki indukcyjnej zarówno w trybie obniżania, jak i podwyższania. W trybie obniżania prąd cewki indukcyjnej jest prądem wyjściowym V2, zaś w trybie podwyższania prąd cewki indukcyjnej jest prądem wejściowym V2. Maksymalny prąd cewki indukcyjnej w każdym trybie można obliczyć za pomocą równań 1 i 2:

Równania 1 i 2

Gdzie:

ƒ = częstotliwość przełączania

L = indukcyjność dobieranej cewki

I_V2P(LIM) = limit prądu wyjściowego w trybie obniżania V₂

I_V2N(LIM) = limit prądu wejściowego w trybie podwyższania V₂

Szczytowy prąd cewki indukcyjnej powinien być co najmniej o 20 do 30% wyższy od maksymalnego prądu cewki indukcyjnej w trybach obniżania i podwyższania. Dzięki temu szczytowa wartość graniczna prądu cewki indukcyjnej w obu trybach pracy nie ma wpływu na regulację maksymalnego prądu średniego. Prąd cewki indukcyjnej jest mierzony za pomocą rezystora R_SNS2 połączonego z nią szeregowo. Szczytowy prąd cewki indukcyjnej I_L(PEAK) jest zwykle wykrywany, gdy I_CSA2 osiąga poziom 72,5µA.

Wysokie wartości R_SNS2 (w prawym górnym rogu) poprawiają dokładność pomiaru prądu, natomiast niskie wartości R_SNS2 wartości poprawiają sprawność. Projektant powinien dobrać wartość R_SNS2 tak, aby wejściowe napięcie niezrównoważenia C_SA2 nie wpływało na dokładność pomiaru prądu, minimalizując jednocześnie straty mocy na cewce. Zalecane napięcie na rezystorze R_SNS2 przy szczytowym prądzie cewki indukcyjnej wynosi od 50 do 200mV.

Następnie projektant powinien dobrać rezystor R_IN2, aby ustalić szczytową wartość graniczną prądu cewki indukcyjnej zgodnie z następującym wzorem:

Równanie 3

Po ustawieniu szczytowego prądu granicznego cewki indukcyjnej, graniczne prądy wyjściowe w trybie podwyższania, prądy wejściowe w trybie obniżania i monitora prądu V₁ są ustawione przez rezystory R_SET1N, R_SET1P i R_MON1. Kondensatory równoległe dobiera się do rezystorów R_SET, aby ustawić prądy graniczne do średniego prądu rezystorów pomiarowych .

Napięcia regulacji i wartości progowe nadnapięcia V1D (regulowane wyjście w trybie podwyższania) i V2D (regulowane wyjście w trybie obniżania) są ustawiane poprzez dobór dzielników rezystancyjnych na wtykach FB1 i FB2. Podnapięciowe wartości progowe V₁ i V₂ ustawia się poprzez dobranie dzielników rezystancyjnych na wtykach UV1 i UV2.

Zewnętrzne obwody układu LT8228 wymagają również sześciu tranzystorów mocy MOSFET (ilustracja 4). Powinny być one dobrane w oparciu o sprawność i napięcie przebicia. Współpracujące diody Schottky'ego (D2 i D3) są opcjonalne i należy je dobrać w oparciu o sprawność.

Ilustracja 4: układ LT8228 wymaga sześciu zewnętrznych tranzystorów MOSFET z kanałem N: tranzystory MOSFET zabezpieczające V₁ M1A i M1B, tranzystory MOSFET zabezpieczające V2 M4A i M4B, przełączający górny tranzystor MOSFET M2 i przełączający dolny tranzystor MOSFET M3. (Źródło ilustracji: Linear Technology)

Kiedy układ LT8228 pracuje w trybie obniżania, głównym przełącznikiem jest tranzystor przełączający MOSFET M2, a tranzystor MOSFET M3 jest przełącznikiem synchronicznym; V1D (węzeł, który ma być regulowany przez kontroler podwyższania i znajduje się tuż powyżej i na lewo od kontrolera DG1 na ilustracji 3) jest napięciem wejściowym, a V2D (węzeł, który ma być regulowany przez przetwornicę obniżającą - u góry z prawej strony ilustracji 3, bezpośrednio po lewej stronie MOSFET-ów) jest regulowanym obniżonym napięciem wyjściowym. W trybie podwyższenia sytuacja jest odwrotna - M3 działa jako główny przełącznik, a M2 jako przełącznik synchroniczny z V2D jako napięciem wejściowym i V1D jako napięciem wyjściowym.

W czasie wyłączenia, pomiędzy drenem i źródłem przełączających tranzystorów MOSFET M2 i M3 występować będzie maksymalne napięcie wejściowe (plus dodatkowe oscylacje komutacyjne w węźle przełączającym). Właśnie dlatego najważniejszym parametrem przy doborze przełączających tranzystorów MOSFET w zastosowaniach wysokonapięciowych jest napięcie przebicia (BV_DSS).

Projektant musi również wziąć pod uwagę straty mocy w tranzystorach MOSFET. Nadmierne straty mocy wpływają na sprawność układu i mogą doprowadzić do przegrzania oraz uszkodzenia tranzystorów MOSFET. Kluczowymi parametrami przy określaniu strat mocy są: rezystancja w stanie włączenia (R_DS(ON)), napięcie wejściowe, napięcie wyjściowe, maksymalny prąd wyjściowy i pojemność Millerowska (C_MILLER).

Eliminacja akumulatorów 12V

Wieloletnia historia wykorzystania i niezawodność układu opartego o akumulatory kwasowo-ołowiowe 12V oznacza, że nie znikną one tak prędko. Ale producenci samochodów już pracują nad układami dla nowych pojazdów, które działają w całości na napięcie 48V (przy użyciu akumulatorów o napięciu od 48 do 800V). Instalacje takie wykorzystują nieizolowane i dwukierunkowe przetwornice zdolne do przetwarzania mocy rzędu kilku kilowatów i zapewniające zasilanie zarówno dla konwencjonalnych urządzeń elektrycznych 12V, jak i urządzeń wysokonapięciowych.

Przykładem takiej przetwornicy jest układ NBM2317S60E1560T0R firmy Vicor - wysokosprawna nieizolowana przetwornica działająca przy napięciach od 38V do 60V po stronie wysokiej i dostarczająca napięcia od 9,5V do 15V po stronie niskiej. Urządzenie zapewnia maksymalną ciągłą moc wyjściową 800W przy mocy szczytowej do 1kW. W trybie obniżania prąd wyjściowy ciągły wynosi 60A a chwilowy 100A. W trybie podwyższania wartość ciągła wynosi 15A, a wartość chwilowa 25A. Gęstość mocy urządzenia wynosi 274 watów na centymetr sześcienny (W/cm³). Sprawność szczytową określono na 97,9%.

Urządzenie mierzy 23 x 17 x 7,5mm i zajmuje mniej miejsca niż wolniejsze urządzenia przełączające (poniżej 1MHz). Potrzebna jest mniejsza ilość komponentów zewnętrznych, ponieważ przetwornica nie wymaga filtrów zewnętrznych ani kondensatorów zbiorczych. Nie ma również potrzeby ograniczenia prądu podczas wymiany bez przerwania zasilania ani ograniczania prądu rozruchowego.

Jednym ze sposobów wdrożenia architektury 12/48V zasilanej z jednego akumulatora 48V jest topologia scentralizowana. Topologia ta opiera się na pojedynczej dwukierunkowej przetwornicy o wysokich parametrach. Taki układ ma kilka wad, w tym problemy związane z odprowadzaniem ciepła, brakiem wbudowanej redundancji oraz kosztami i ciężarem wiązek przewodów prowadzonych do odbiorników o niskim napięciu (12V) i wysokim natężeniu.

Urządzenie Vicor zostało zaprojektowane z myślą o rozwiązaniu tych problemów poprzez wykorzystanie zdecentralizowanej architektury instalacji elektrycznej 12/48V. Redundancja jest zapewniona dzięki zastosowaniu wielu przetwornic, a wiązki12V można skrócić, a tym samym znacznie zredukować masę. Ponadto znacznie łatwiejsze jest odprowadzanie ciepła. Na przykład w systemie scentralizowanym straty mocy w pojedynczej przetwornicy o mocy 3kW i sprawności 95% wynoszą 150W i mają głównie postać ciepła. Dla porównania, straty mocy w każdej z przetwornic w systemie rozproszonym składającym się z czterech urządzeń, które generują 750W przy sprawności 95%, wyniosą 37,5W. Chociaż straty całościowe pozostają takie same, temperatura każdej przetwornicy jest znacznie niższa (ilustracja 5).

Ilustracja 5: wysokosprawne przetwornice prądu stałego, takie jak układ NBM2317S60E1560T0R firmy Vicor, pozwalają na zasilanie samochodowej instalacji elektrycznej 12/48V z jednego akumulatora 48V. W przedstawionej tutaj zdecentralizowanej topologii znacznie łatwiejsze jest odprowadzanie ciepła, a okablowanie 12V jest krótsze, co zmniejsza masę. (Źródło ilustracji: Vicor)

Firma Vicor ułatwiła życie projektantom, którzy chcą eksperymentować z instalacjami 12/48V, wprowadzając płytkę ewaluacyjną NBM2317D60E1560T0R do układów scalonych z grupy NBM2317. Płytka jest wstępnie skonfigurowana w topologii obniżającej z wejściem od 38V do 60V i pojedynczym nieizolowanym wyjściem 13,5V.

Podsumowanie

W miarę rozbudowywania instalacji elektrycznych w nowoczesnych pojazdach tradycyjne instalacje 12V nie dają sobie rady z obciążeniem. Wprowadzenie alternatywnych instalacji 48V zapewnia większą moc do obsługi takich systemów, jak elektryczne wspomaganie układu kierowniczego i turbodoładowanie, przy jednoczesnym zmniejszeniu ciężaru i kosztów wiązek elektrycznych.

Jednak przejście na pojedynczy system 48V jest na krótszą metę niepraktyczne ze względu na liczbę starszych urządzeń 12V wciąż używanych w pojazdach. Rozwiązaniem jest jednoczesne działanie instalacji 12V i 48V, każdej z własnym akumulatorem.

Zarządzanie mocą i ładowanie w instalacjach o różnych napięciach może być skomplikowane, jeśli dla każdej z nich stosowane są osobne przetwornice prądu stałego. Wykorzystanie dwukierunkowych przetwornic prądu stałego, które mogą łączyć instalacje 12 i 48V, upraszcza projektowanie, obniża koszty i zachęca do zastosowania w samochodach z niższej półki cenowej.

Rekomendowane artykuły:

1. Sterowanie w trybie napięciowym i prądowym w generowaniu sygnału PWM w regulatorach przełączających prądu stałego
2. Różnica między ciągłym a nieciągłym trybem przełączania kontrolera i dlaczego jest ona tak istotna
3. Kompromisy projektowe przy doborze regulatorów przełączających wysokiej częstotliwości
4. Informacje na temat odpowiedzi pętli sterowania regulatorów przełączających
5. Wykorzystanie regulatorów przełączających o niskich zakłóceniach elektromagnetycznych w celu optymalizacji projektów zasilaczy o wysokiej sprawności