Innovatieve stroomnetwerken implementeren met modulaire stroomomzetters

De stroomvoorzieningsnetwerken (PDN's) van elektrische voertuigen (EV) veranderen snel. Traditionele elektrische stroombronnen, zoals de loodzuurbatterij van 12 volt, maken plaats voor bronnen van 48 volt of meer. Tegelijkertijd werken veel motoren, pompen, sensoren en actuatoren nog steeds op traditionele spanningsniveaus. Als gevolg hiervan moeten spanningen op een hoger niveau efficiënt worden verlaagd en verdeeld over deze verschillende belastingen. Om dit te bereiken en tegelijkertijd resistieve spanningsverliezen te minimaliseren, stappen architecten van elektriciteitssystemen over van een gecentraliseerde aanpak (met een grote DC/DC-omzetter in de buurt van de bron) naar een gedecentraliseerde architectuur (waar een hoge spanning wordt gedistribueerd naar vermogensomzetters in de buurt van elk van de belastingen met een lagere spanning).

Dit gedecentraliseerde PDN vereist lichtgewicht voedingen met een hoge vermogensdichtheid, optimale efficiëntie en een kleine voetafdruk. Hoewel het verleidelijk kan zijn om zelf conventionele discrete componenten te gebruiken om een ontwerp te optimaliseren, kan het ook een ontmoedigende taak zijn.

Er is een betere optie: kant-en-klare modulaire apparaten van een bron met uitgebreide ontwerpervaring en een verscheidenheid aan oplossingen voor PDN-vereisten zoals ingangsspanningsbereik, uitgangsspanning, vermogen, dichtheid en efficiëntie.

Dit artikel bespreekt de behoeften van een modern PDN en de typische vereisten voor voeding. Het artikel introduceert ook voorbeeldmodulaire voedingsoplossingen van Vicor en laat zien hoe deze kunnen worden toegepast voor krachtige, kosteneffectieve PDN's.

PDN evolutie

Elektrische en hybride EV's hebben een maximaal rijbereik en een minimale oplaadtijd nodig, terwijl ze tegelijkertijd een volledige reeks diensten aan bestuurders en passagiers moeten leveren. Deze vereisten leggen de nadruk op efficiënte, lichtgewicht ontwerpen. Voertuigfabrikanten stappen daarom over van een gecentraliseerde PDN-architectuur naar een gedecentraliseerde zonale architectuur (Afbeelding 1).

Figuur 1: De gecentraliseerde architectuur converteert de bronspanning naar de 12 volt belastingsspanning vlakbij de bron en verdeelt deze over het hele voertuig; de gedecentraliseerde zonale architectuur verdeelt de bronspanning naar lokale DC/DC-converters waar de spanning wordt verlaagd naar 12 volt zo dicht mogelijk bij de belasting. (Afbeeldingsbron: Vicor)

De gecentraliseerde architectuur zet de 48 volt bron om naar 12 volt via een "silver box", een grote DC/DC converter die gebruik maakt van oudere, laagfrequente pulsbreedtemodulatie (PWM) schakeltopologieën. De voeding wordt dan gedistribueerd vanuit de zilveren doos op 12 volt. Voor een gegeven vermogen dat aan de belasting wordt geleverd, is het stroomniveau bij 12 volt vier keer zo hoog als de stroom die wordt geleverd bij een potentiaal van 48 volt. Dit betekent dat het resistieve vermogensverlies, dat evenredig is met het kwadraat van de stroom, 16 keer hoger is.

Aan de andere kant verdeelt de zonale architectuur de 48 volt bron naar de lokale zones waar kleinere, efficiëntere 48 naar 12 volt DC/DC converters de belastingen voeden. Lagere stroomniveaus vereisen kleinere geleider- en connectordoorsneden, wat resulteert in kabelbomen die goedkoper en lichter zijn. De lokale omvormers worden dichter bij de belasting geplaatst om de lengte van de 12 volt voedingsbedrading te minimaliseren.

In het zonale systeem zijn warmtebronnen wijd verspreid over de zones van het voertuig in plaats van geconcentreerd bij de bron. Dit verbetert de algehele warmteafvoer, waardoor de afzonderlijke converters in omgevingen met lagere temperaturen kunnen werken. Het resultaat is een hogere bedrijfsefficiëntie en een grotere betrouwbaarheid.

PDN-voedingen ontwerpen

Hoewel het mogelijk is om een PDN-omvormer op maat te maken met behulp van discrete componenten, is het ontwerpen van de voeding een formidabele taak. Weinig ingenieurs beschikken over de vereiste vaardigheden of ervaring om te voldoen aan de vereisten van de toepassing en de regelgeving. Een modulaire aanpak is een eenvoudigere, betere optie.

Modulaire PDN-ontwerpen zijn afhankelijk van de beschikbaarheid van een voorraad voedingsmodules die een breed scala aan voedingsgerelateerde functies bieden om flexibele en schaalbare architecturen mogelijk te maken (afbeelding 2).

Afbeelding 2: Modulaire PDN-ontwerpen vertrouwen op een leverancier met een breed scala aan oplossingen om flexibiliteit en schaalbaarheid te garanderen. (Afbeeldingsbron: Vicor)

De basis zonale PDN-architectuur (linksboven) verdeelt de 48 volt stroombron naar lokale DC/DC modulaire omvormers, die de spanning verlagen naar de vereiste niveaus. Als de belastingsvereisten veranderen, wordt een eenvoudige upgrade naar een module met een hoger vermogen uitgevoerd (midden boven). Voor het toevoegen van een nieuwe belasting is eenvoudigweg nog een modulaire omvormer nodig (rechtsboven). Het is niet nodig om de bronconfiguratie te wijzigen.

Een reductie in stroomrailverliezen kan worden bereikt door een kleine wijziging in een gefactoriseerde architectuur (linksonder). De gefactoriseerde architectuur splitst de vermogensregeling en spanning/stroomtransformatie op in twee afzonderlijke modules. De voorregelmodule (PRM) beheert de spanningsregelfuncties. De gefactureerde busstroom wordt gedetecteerd om de uitgangsspanning van de rail te regelen. De spanningstransformatiemodule (VTM), die op dezelfde manier werkt als een DC-transformator, beheert de spanningsreductie/stroomvermenigvuldiging. De VTM is kleiner dan een volledige DC/DC-omzettersmodule en kan dichter bij de belasting worden geplaatst om weerstandsverliezen te beperken. Bovendien vereist de lage uitgangsimpedantie kleinere uitgangscondensatoren. Dit betekent dat kleinere keramische condensatoren grotere bulkcondensatoren in de buurt van de belasting kunnen vervangen.

Aan de behoefte aan meer vermogen kan worden voldaan door meerdere convertormodules te parallelliseren (middenonder). Updaten naar hogere spanningsbronnen, zoals 400 of 800 volt, kan worden bereikt door een step-downmodule met vaste verhouding en een busconvertormodule (BCM) toe te voegen om de bronspanning te verlagen tot het niveau van de extra-lage veiligheidsspanning (SELV) bus (rechtsonder). Merk op dat de SELV-bus een veiligheidsnorm is die de maximale spanning voor elektrische apparaten specificeert om de veiligheid tegen elektrische schokken te garanderen. SELV-spanningsniveaus zijn meestal lager dan 53 volt.

Deze voorbeelden geven een kijkje in de flexibiliteit en schaalbaarheid die beschikbaar is met de zonale architectuur. Vicor biedt een breed scala aan convertormodules in de DCM-serie die passen bij deze uiteenlopende toepassingen. Het bedrijf was een pionier op het gebied van verschillende revolutionaire ontwikkelingen in het ontwerp van voedingsmodules, waaronder Converter housed in Package (ChiP)- en Vicor Integrated Adapter (VIA)-pakketten (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Voorbeelden van de ChiP en VIA fysieke configuraties van de DCM serie. (Afbeeldingsbron: Vicor)

Deze pakketten verhogen de vermogensdichtheid met een factor vier vergeleken met eerdere pakketconfiguraties, terwijl de vermogensverliezen met 20% afnemen. De ChiP maakt gebruik van magnetische structuren die door een substraat met hoge dichtheid zijn aangebracht. Andere componenten zijn gemonteerd met een tweezijdige lay-out om de vermogensdichtheid te verdubbelen. De componenten zijn symmetrisch geplaatst in de behuizing voor betere thermische prestaties. Deze geavanceerde lay-out zorgt samen met het geoptimaliseerde materiaal van de matrijscompound voor betere thermische paden. De ChiP-module heeft een lage thermische impedantie aan de boven- en onderkant. De koeling kan worden verbeterd met koellichamen die thermisch zijn gekoppeld aan de boven- en onderkant en via de elektrische aansluitingen. De VIA-module voegt geïntegreerde elektromagnetische interferentie (EMI) filtering, betere regeling van de uitgangsspanning en een secundaire besturingsinterface toe aan het structurele basiselement "baksteen".

Voorbeeld DCM-serie DC/DC-omvormermodules

De DCM-serie is een voorbeeld van een geregelde en geïsoleerde DC/DC-omvormer voor algemeen gebruik. De converter werkt met een ongeregelde bron met een breed spanningsbereik als ingang en genereert een spanningsgeregelde vermogensafgifte tot 1300 watt bij uitgangsstromen tot 46,43 ampère (A). Hij biedt tot 4.242 volt DC isolatie tussen ingang en uitgang. Isolatie verwijst naar galvanische isolatie, wat betekent dat er geen stroom direct tussen de ingang en uitgang vloeit. Deze isolatie kan vereist zijn door veiligheidsnormen als de ingangsspanningen schadelijk kunnen zijn voor mensen. Doordat de uitgang zwevend is ten opzichte van de ingang, kan de polariteit van de uitgang ook worden omgekeerd of verschoven.

De DCM-familie maakt gebruik van een ZVS-topologie (nulspanningsschakeling), die de hoge inschakelverliezen die gebruikelijk zijn in conventionele PWM-converters vermindert door de voedingsapparaten zacht te schakelen. ZVS maakt werking bij een hogere frequentie en hogere ingangsspanningen mogelijk zonder aan efficiëntie in te boeten. Deze converters werken met schakelfrequenties van 500 kilohertz (kHz) tot bijna 1 megahertz (MHz). Het gebruik van deze hoge schakelfrequentie vermindert ook de grootte van de bijbehorende magnetische en capacitieve energieopslagcomponenten, waardoor de vermogensdichtheid verbetert. Vermogensdichtheden en rendementen tot respectievelijk 1244 watt per kubieke inch (W/in^.3) en 96% zijn haalbaar.

De DCM-serie is verkrijgbaar in drie formaten: DCM2322, DCM3623 en DCM4623, met overlappende ingangsspanningsbereiken en uitgangsvermogensniveaus (figuur 4).

Afbeelding 4: Dit is een overzichtsgrafiek van de elektrische karakteristieken van de DCM serie DC/DC converters, inclusief het ingangs- en uitgangsspanningsbereik. (Bron afbeelding: Vicor)

Het ingangsspanningsbereik van de drie convertorfamilies beslaat 9 tot 420 volt met SELV-uitgangen in stappen van 3 tot 52,8 volt DC. Uitgangsspanningslimieten kunnen worden getrimd over een bereik van -40% tot +10% van de nominale uitgangsspanning. De uitgangen hebben een volledig operationele stroomlimiet om de converter binnen het veilige werkgebied te houden, gebaseerd op het maximale gemiddelde uitgangsvermogen, ongeacht de instelling van de uitgangsspanning.

De DCM-serie bevat foutbeveiliging voor ingangsonderspanning en/of -overspanning, te hoge temperatuur, uitgangsoverspanning, uitgangsoverstroom en uitgangskortsluiting.

Voorbeelden van diverse DCM-producten, waaronder alle drie de behuizingsformaten en een reeks ingangsspanningen en maximale vermogensbereiken, staan in Tabel 1.

Tabel 1: De kenmerken van veelgebruikte DCM-converters illustreren het bereik van ingangsspanning, uitgangsspanning en vermogensniveaus dat beschikbaar is om te voldoen aan een breed scala van toepassingsvereisten. (Tafelbron: Art Pini)

De tabel vat de belangrijkste kenmerken van elk van de voorbeeld DCM-converters samen en geeft hun fysieke afmetingen. Dit is een kleine greep uit de verscheidenheid aan DCM-modellen die verkrijgbaar zijn.

Typische toepassingen

De DCM-converters kunnen afzonderlijk worden toegepast en de meeste kunnen ook parallel worden gebruikt. Bij afzonderlijk gebruik kan de uitgang meerdere belastingen voeden, waaronder niet-geïsoleerde regelaars voor punt-of-belasting (POL) (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Dit is een typische toepassing van de DCM3623T75H06A6T00 die een directe belasting en een niet-geïsoleerde POL-regelaar aanstuurt. (Afbeeldingsbron: Vicor)

Het circuit is eenvoudig. De componenten L1, C1, R4, C4 en Cy vormen het ingangs EMI-filter. De uitgangscondensator_COut-Ext zorgt samen met_ROut-Ext voor de stabiliteit van de regelkring. De weerstand kan de effectieve serieweerstand (ESR) van de condensator zijn, met een waarde van ongeveer 10 milliohms (mΩ). De condensator moet fysiek dicht bij de uitgangspennen van de converter worden geplaatst. _Rdm, _Lb, _{L2 en C2} vormen een differentieel uitgangsfilter. De afsnijfrequentie van het filter is ingesteld op een tiende van de schakelfrequentie.

De meeste DCM-converters kunnen werken met hun uitgangen parallel geschakeld (arraymodus). Dit verhoogt het vermogen dat aan de belasting wordt geleverd door de uitgangen van maximaal acht modules te combineren (Afbeelding 6).

Figuur 6: De schakeling toont de parallelle werking van vier DCM-converters die een gemeenschappelijke belasting aansturen. (Afbeeldingsbron: Vicor)

De externe componenten voeren dezelfde functies uit als in het voorbeeld van een enkele converter. In arraymodus moet elke DCM-module een minimale waarde van de uitgangscapaciteit zien vóór enige serie-inductantie en moet deze dichter bij de individuele omzetter worden geplaatst dan bij de uitgangskruising. In series waarbij alle "N" DCM-modules gelijktijdig worden opgestart, kan de maximale waarde van de uitgangscapaciteit tot N keer _Cout-Ext bedragen. Er zijn ook vereisten dat de impedantie van de stroombron minder dan de helft is van de ingangsimpedantie van de DCM array om stabiliteit te garanderen en ringing te minimaliseren.

Conclusie

Toepassingen zoals voertuigen en EV's ondergaan een opmerkelijke verschuiving van gecentraliseerde naar gedecentraliseerde PDN-architecturen. De DC/DC converters die nodig zijn om te voldoen aan de bijbehorende vereisten voor efficiëntie, vermogensdichtheid en gewicht zijn een uitdaging om te ontwerpen met behulp van discrete componenten. In plaats daarvan kunnen ontwerpers tijd en kosten besparen door Vicor's DCM-serie modulaire voedingsoplossingen te gebruiken. Zoals aangetoond vormen deze modules de voorhoede van geavanceerde pakketten zoals ChiP en VIA, en innovatieve ZVS-topologieën zijn schaalbaar en veelzijdig, waardoor ze voldoen aan een grote verscheidenheid van uiteenlopende toepassingen.