Nasazení inovativních sítí dodávání napájení pomocí modulárních výkonových převodníků

Sítě dodávání napájení („power delivery network“, PDN) elektromobilů („electric vehicle“, EV) se rychle mění. Tradiční zdroje elektrické energie, jako je 12V olověná baterie, ustupují zdrojům s napětím 48 V nebo vyšším. Současně mnoho motorů, čerpadel, senzorů a ovládačů stále pracuje s tradičními úrovněmi napětí. V důsledku toho musí být napětí vyšší úrovně účinně snižováno a distribuováno k těmto různým zátěžím. Aby toho bylo možné dosáhnout a zároveň minimalizovat poklesy odporového napětí a související ztráty výkonu, přecházejí architekti napájecích systémů od centralizovaného přístupu (s velkým DC/DC převodníkem v blízkosti zdroje) k decentralizované architektuře (kde je vysoké napětí distribuováno do výkonových převodníků v blízkosti jednotlivých zátěží s nižším napětím).

Tato decentralizovaná síť PDN vyžaduje lehké napájecí zdroje s vysokou hustotou výkonu, optimální účinností a malými rozměry. Ačkoli může být pro vlastní návrh těchto převodníků lákavé použít k optimalizaci návrhu konvenční diskrétní součástky, může to být úkol také náročný.

Existuje lepší možnost: sériově vyráběná modulární zařízení od zdroje s rozsáhlými konstrukčními zkušenostmi a řadou řešení požadavků PDN, jako je rozsah vstupního napětí, výstupní napětí, výkon, hustota a účinnost.

Tento článek pojednává o potřebách moderní PDN a typických požadavcích na napájení. V článku jsou také představeny příklady modulárních řešení napájení od společnosti Vicor a je zde ukázáno, jak je lze použít pro vysoce výkonné a cenově výhodné PDN.

Evoluce PDN

Elektrické a hybridní elektromobily potřebují maximální dojezd a minimální dobu nabíjení a současně poskytují řidičům a cestujícím celou řadu služeb. Tyto požadavky kladou důraz na efektivní a lehké konstrukce. V důsledku toho přecházejí výrobci vozidel z centralizované architektury PDN na decentralizovanou zónovou architekturu (obrázek 1).

Obrázek 1: Centralizovaná architektura převádí napětí zdroje na zátěžové napětí 12 V v blízkosti zdroje a distribuuje ho po celém vozidle. Decentralizovaná zónová architektura distribuuje napětí zdroje do místních DC/DC převodníků, kde napětí klesne na 12 voltů co nejblíže zátěži. (Zdroj obrázku: společnost Vicor)

Centralizovaná architektura převádí 48voltový zdroj na 12 voltů prostřednictvím „stříbrného boxu“, velkého DC/DC převodníku, který využívá starší nízkofrekvenční spínací topologie pulzně šířkové modulace („pulse width modulation“, PWM). Ze stříbrného boxu je pak distribuováno napájení o napětí 12 voltů. Pro daný výkon dodávaný do zátěže je úroveň proudu při 12 voltech čtyřikrát větší než proud dodávaný při potenciálu 48 voltů. To znamená, že odporová ztráta výkonu, která je úměrná druhé mocnině proudu, je 16krát vyšší.

Na druhé straně distribuuje zónová architektura 48voltový zdroj do místních zón, kde menší 48- až 12voltové DC/DC převodníky s vyšší účinností napájejí zátěže. Nižší úrovně proudu vyžadují menší průřezy vodičů a konektorů, což vede k nižším nákladům a nižší hmotnosti kabelových svazků. Místní převodníky jsou umístěny blíže k zátěži, aby se minimalizovala délka 12voltového napájecího vedení.

V zónovém systému jsou zdroje tepla široce rozprostřeny po zónách vozidla, spíše než aby byly soustředěny v blízkosti zdroje. To zlepšuje celkový odvod tepla a umožňuje jednotlivým převodníkům pracovat v prostředí s nižší teplotou. Výsledkem je vyšší provozní účinnost a vyšší spolehlivost.

Návrh napájecích zdrojů PDN

Ačkoli je možné vytvořit vlastní návrh převodníku PDN pomocí diskrétních součástek, návrh napájecího zdroje je nelehký úkol. Jen málo techniků má potřebné dovednosti nebo zkušenosti, aby splnili aplikační a regulační požadavky. Jednodušší a lepší variantou je modulární přístup.

Modulární návrhy PDN závisejí na dostupnosti zásob napájecích modulů, které poskytují širokou škálu funkcí souvisejících s napájením, a umožňují tak flexibilní a škálovatelné architektury (obrázek 2).

Obrázek 2: Modulární návrhy PDN spoléhají k zajištění flexibility a škálovatelnosti na dodavatele s širokou škálou řešení. (Zdroj obrázku: společnost Vicor)

Základní zónová architektura PDN (vlevo nahoře) distribuuje 48voltový zdroj napájení do místních DC/DC modulárních převodníků a snižuje napětí na požadovanou úroveň. Pokud dojde ke změně požadavků na zátěž, provede se jednoduchý upgrade na modul s vyšším jmenovitým výkonem (uprostřed nahoře). Přidání nové zátěže vyžaduje jednoduše přidání dalšího modulárního převodníku (vpravo nahoře). Není třeba měnit konfiguraci zdroje.

Snížení ztrát napájecího rozvodu lze dosáhnout drobnou změnou na faktorizovanou architekturu (vlevo dole). Faktorizovaná architektura rozděluje regulaci výkonu a transformaci napětí/proudu do dvou samostatných modulů. Modul předregulátoru („pre-regulator module“, PRM) řídí funkce regulace napětí. K regulaci výstupního napětí rozvodu je snímán faktorizovaný proud sběrnice. Modul transformace napětí („voltage transformation module“, VTM), fungující podobně jako DC transformátor, řídí snížení napětí / násobení proudu. Modul VTM je menší než úplný modul DC/DC převodníku a může být umístěn blíže k zátěži, aby se snížily odporové ztráty. Také jeho nízká výstupní impedance vyžaduje menší výstupní kondenzátory. To znamená, že menší keramické kondenzátory mohou nahradit větší skupinové kondenzátory v blízkosti zátěže.

Potřebu většího výkonu lze uspokojit paralelním zapojením více modulů převodníku (dole uprostřed). Aktualizaci na zdroje s vyšším napětím, jako je 400 nebo 800 voltů, lze provést přidáním snižovacího modulu s pevným poměrem a modulu převodníku sběrnice („bus converter module“, BCM), aby se snížilo napětí zdroje až na úroveň sběrnice s bezpečným malým napětím („safety extra-low voltage“, SELV) (vpravo dole). Všimněte si, že sběrnice SELV je bezpečnostní standard, který specifikuje maximální limit napětí pro elektrická zařízení, aby byla zajištěna bezpečnost před úrazem elektrickým proudem. Úrovně napětí SELV jsou obecně nižší než 53 voltů.

Tyto příklady poskytují pohled na flexibilitu a škálovatelnost, které nabízí zónová architektura. Společnost Vicor nabízí ve své řadě DCM širokou škálu modulů převodníků, které těmto různým aplikacím vyhovují. Společnost byla průkopníkem několika revolučních pokroků v návrhu napájecích modulů, včetně převodníku umístěného v pouzdru („Converter housed in Package“, ChiP) a integrovaného adaptéru Vicor („Vicor Integrated Adapter“, VIA) (obrázek 3).

Obrázek 3: Příklady fyzických konfigurací ChiP a VIA řady DCM. (Zdroj obrázku: společnost Vicor)

Tato pouzdra zvyšují hustotu výkonu čtyřnásobně ve srovnání s dřívějšími konfiguracemi pouzdra a dosahují přitom 20% snížení ztrát výkonu. Technologie ChiP využívá magnetické struktury upevněné přes substrát s vysokou hustotou. Ostatní součástky jsou osazeny pomocí oboustranného uspořádání, aby se zdvojnásobila hustota výkonu. Součástky jsou v pouzdru kvůli lepšímu tepelnému výkonu rozmístěny symetricky. Toto pokročilé uspořádání spolu s optimalizovaným materiálem formovací směsi poskytuje vylepšené tepelné cesty. Modul ChiP má nízkou tepelnou impedanci horního a spodního povrchu. Chlazení lze zvýšit pomocí chladičů tepelně spojených s horním a spodním povrchem a také prostřednictvím elektrických spojení. Modul VIA přidává k základnímu konstrukčnímu prvku „brick“ integrované filtrování elektromagnetického rušení („electromagnetic interference“, EMI), lepší regulaci výstupního napětí a sekundární řídicí rozhraní.

Příklad modulů DC/DC převodníků řady DCM

Řada DCM je příkladem regulovaného a izolovaného DC/DC převodníku pro všeobecné použití. Převodník pracuje z neregulovaného zdroje se širokým rozsahem napětí jako vstupu a generuje napěťově regulovaný výstupní výkon na úrovních až 1 300 wattů při výstupních proudech až do 46,43 ampéru. Mezi vstupem a výstupem nabízí izolaci až 4 242 V DC. Izolace představuje galvanické oddělení, což znamená, že mezi vstupem a výstupem neprotéká žádný proud přímo. Pokud by vstupní napětí mohla být škodlivá pro lidi, může být tato izolace vyžadována bezpečnostními normami. Plovoucí výstup vůči vstupu umožňuje také přepólování nebo posunutí výstupní polarity.

Řada DCM používá topologii přepínání nulového napětí („zero-voltage switching“, ZVS), která snižuje vysoké spínací ztráty běžné u konvenčních převodníků PWM měkkým spínáním napájecích zařízení. ZVS umožňuje provoz při vyšší frekvenci a vyšším vstupním napětí, aniž by byla snížena účinnost. Tyto převodníky pracují na spínacích frekvencích od 500 kHz do téměř 1 MHz. Použití této vysoké spínací frekvence také snižuje velikost souvisejících magnetických a kapacitních součástek pro ukládání energie, čímž se zlepšuje hustota výkonu. Lze dosáhnout hustoty výkonu až 75,9 wattů na krychlový centimetr (1 244 wattů na krychlový palec, W/in.³) a účinnosti 96 %.

Řada DCM je k dispozici ve třech velikostech pouzdra: DCM2322, DCM3623 a DCM4623 s překrývajícími se rozsahy vstupního napětí a úrovněmi výstupního výkonu (obrázek 4).

Obrázek 4: Souhrnný graf elektrických charakteristik DC/DC převodníků řady DCM, včetně rozsahů vstupního a výstupního napětí. (Zdroj obrázku: společnost Vicor)

Rozsahy vstupního napětí tří řad převodníků pokrývají 9 až 420 voltů s výstupy SELV v krocích od 3 do 52,8 voltů DC. Omezení výstupního napětí lze upravit v rozsahu −40 % až +10 % jmenovitého výstupního napětí. Výstupy mají plně funkční proudové omezení, aby převodník na základě maximálního průměrného výstupního výkonu zůstal bez ohledu na nastavení výstupního napětí ve své bezpečné provozní oblasti.

Řada DCM zahrnuje ochranu proti poruchám pro vstupní podpětí anebo přepětí, přehřátí, výstupní přepětí, výstupní nadproud a výstupní zkrat.

Příklady několika produktů DCM, včetně všech tří velikostí pouzder a rozsahů vstupního napětí a maximálního výkonu, jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1: Charakteristiky běžně používaných převodníků DCM ilustrují rozsah vstupního napětí, výstupního napětí a úrovní výkonu, které jsou k dispozici pro splnění široké škály aplikačních požadavků. (Zdroj tabulky: Art Pini)

V tabulce jsou shrnuty klíčové charakteristiky jednotlivých příkladů převodníků DCM a uvedeny jejich fyzické rozměry. Jedná se o malý vzorek ze škály dostupných modelů DCM.

Typické aplikace

Převodníky DCM lze používat samostatně a většinu lze provozovat také paralelně. Při samostatném použití může výstup napájet více zátěží, včetně neizolovaných regulátorů bodu zátěže („point-of-load“, POL) (obrázek 5).

Obrázek 5: Typická aplikace převodníku DCM3623T75H06A6T00 řídicího přímou zátěž a také neizolovaný regulátor POL. (Zdroj obrázku: společnost Vicor)

Obvod je jednoduchý. Vstupní filtr EMI tvoří součástky L1, C1, R4, C4 a Cy. Výstupní kondenzátor C_Out-Ext poskytuje spolu s R_Out-Ext stabilitu řídicí smyčky. Rezistorem může být efektivní sériový odpor kondenzátoru („effective series resistance“, ESR) s hodnotou asi 10 mΩ. Kondenzátor musí být umístěn fyzicky blízko výstupních pinů převodníku. Výstupní filtr diferenciálního režimu tvoří R_dm, L_b, L_{2 a} C₂. Mezní frekvence filtru je nastavena na desetinu spínací frekvence.

Většina převodníků DCM může pracovat se svými výstupy svázanými paralelně (režim pole). To díky kombinaci výstupů až osmi modulů zvyšuje výkon dodávaný do zátěže (obrázek 6).

Obrázek 6: Obvod ukazuje provoz paralelního pole čtyř převodníků DCM pohánějících společnou zátěž. (Zdroj obrázku: společnost Vicor)

Externí součástky provádějí stejné funkce jako v příkladu s jedním převodníkem. V režimu pole musí mít každý modul DCM minimální hodnotu výstupní kapacity před jakoukoli sériovou indukčností a musí být umístěn blíže k jednotlivému převodníku než k výstupnímu spoji. V polích, kde jsou všechna „N“ modulů DCM spouštěna současně, může být maximální hodnota výstupní kapacity až Nkrát C_Out-Ext. Existují také požadavky, aby impedance napájecího zdroje byla k zajištění stability a minimalizaci kmitání menší než polovina vstupní impedance pole DCM.

Závěr

Aplikace, jako jsou vozidla a elektromobily, procházejí výrazným posunem od centralizované k decentralizované architektuře PDN. DC/DC převodníky nezbytné pro splnění souvisejících požadavků na účinnost, hustotu výkonu a hmotnost je náročné navrhnout s použitím diskrétních součástek. Místo toho mohou konstruktéři zkrátit čas a snížit náklady pomocí řešení modulárních napájecích zdrojů řady DCM společnosti Vicor. Jak je ukázáno, tyto moduly jsou v popředí pokročilých pouzder, jako jsou ChiP a VIA, a inovativní topologie ZVS jsou škálovatelné a všestranné a splňují podmínky široké škály různých aplikací.