Gebruik gespecialiseerde stroomconvertors om de dubbele 12 V tot 48 V kloof in autosystemen te overbruggen.

Nu de extra elektronica, motoren en actuators steeds vaker worden toegevoegd aan voertuigen met een verbrandingsmotor (ICE), onthult het conventionele elektrische systeem met een gesloten circuit van 12 V voor auto's, gebaseerd op een loodzuuraccu die door de alternator wordt opgeladen, zijn beperkingen. Bij het gebruik van een 12V-systeem trekken hoogvermogentoepassingen zoals elektrische besturing een hoge stroom, waardoor omvangrijkere, zwaardere kabelbomen nodig zijn. Dat extra gewicht wordt significant in een modern voertuig, dat meerdere kilometers bedrading kan hebben.

Een alternatieve aanpak maakt gebruik van hogere Vage-systemen voor de stroomhongerige toepassingen om de stroomopname te verlagen en lichtere bedrading mogelijk te maken. Commerciële implementaties zijn voorzien van een conventioneel 12 V-netwerk aangevuld met een 48 V-systeem op basis van lithium-ion (Li-ion) batterijen. Het 12 V-systeem wordt gebruikt voor toepassingen zoals motormanagement, verlichting en het verstellen van stoelen en deuren, terwijl het 48 V-systeem zorgt voor de zware eisen van functies als elektrisch sturen, starten en HVAC.

Deze hybride elektrische systemen voor de automobielindustrie zorgen voor een grotere complexiteit en daarmee voor nieuwe ontwerpuitdagingen. De sleutel tot deze uitdagingen is het beheer van het gelijktijdig laden en ontladen van de twee accucircuits, inclusief bidirectionele step-down (bok) en step-up (boost) tussen de batterijen.

Dit artikel beschrijft de evolutie van dubbele 12/48 V elektrische systemen voor de automobielindustrie en legt de voordelen van de nieuwe systemen uit. Vervolgens wordt onderzocht hoe 12/48 V bidirectionele Vage-regelaars van Linear Technology en Texas Instruments kunnen worden gebruikt om de ontwerpcompliciteit van dual-Vage-systemen te vergemakkelijken. Het artikel gaat ook in op de voordelen van een toekomstige decentrale voertuigtopologie van 48 V en kijkt naar een busconverter van Vicor die geschikt is voor een dergelijk systeem.

De uitdaging van de overgang naar een 12/48 V-ontwerp

De overgang naar 12/48 V-systemen wordt grotendeels aangemoedigd door de noodzaak om met apparaten met een hoog stroomverbruik te rijden en er tegelijkertijd voor te zorgen dat het voertuig nog steeds voldoet aan de strenge voorschriften op het gebied van zuinigheid en emissies. Zo zorgt de omschakeling van mechanische naar elektrische aandrijving voor zaken als sturen of superchargers voor een drastische vermindering van wrijvingsverliezen en een verhoging van het brandstofverbruik. Volgens sommige autofabrikanten leidt een elektrisch systeem van 48 V tot een toename van 10 tot 15 procent van het brandstofverbruik met een evenredige vermindering van de schadelijke uitstoot. De 12 V-zijde van het systeem blijft nodig vanwege het grote volume aan oude 12 V-apparaten die nog jaren in auto's passen.

De 12/48 V-configuratie bestaat uit twee afzonderlijke takken: De traditionele 12 V-bus gebruikt een conventionele loodzuuraccu voor conventionele belastingen, terwijl het 48 V-systeem, aangedreven door een Li-ion-accu, de zwaardere belastingen ondersteunt. Hoewel er twee afzonderlijke laadcircuits nodig zijn voor de elektrochemie van de respectieve accu's, moet er een mechanisme zijn dat het mogelijk maakt om de lading van de ene naar de andere accu te verplaatsen zonder gevaar voor schade aan de accu of aan een van de systemen die ze van stroom voorzien. Er moet ook een mechanisme zijn om de tegenoverliggende Vage-rail in overbelaste toestand van extra vermogen te voorzien.

Een nieuw voorstel voor de automobielnorm LV 148 beschrijft de combinatie van de 48 V-bus met het bestaande 12 V-systeem voor motorvoertuigen. Het 48 V-systeem bevat een geïntegreerde startgenerator (ISG) of riemstartgenerator en de Li-ion-accu. Het systeem is in staat om tientallen kilowatt (kW) te leveren en is gericht op conventionele auto's, maar ook op hybride elektrische en milde hybride voertuigen.

Het ontwerpen van een 12/48 V-systeem is een uitdaging, omdat het een zorgvuldig beheer van de vermogensoverdracht van de 48 V-rail van het voertuig naar de 12 V-rail en terug vereist. Een optie is het gebruik van een buckconvertor voor de Vage step down, terwijl de krachtoverdracht in de tegenovergestelde richting kan worden geleverd met een boost-convertor. Maar het ontwerpen in aparte DC-naar-DC-convertors neemt kostbare ruimte in beslag en verhoogt de kosten en complexiteit van het systeem.

Een alternatieve aanpak is het gebruik van een enkele, bidirectionele buck/boost DC-naar-DC-convertor tussen de 12 en 48 V-batterijen. Een dergelijke convertor kan worden gebruikt om de accu's op te laden of om de verschillende elektrische ladingen van het voertuig van stroom te voorzien (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Een bidirectionele voeding kan worden gebruikt om het vermogen tussen de 12 V- en 48 V-circuits van elektrische systemen voor auto's te beheren. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Bidirectionele stroomregelaars

Vermogensbeheercomponenten voor 12/48 V-systemen worden ontworpen om te voldoen aan de LV 148-norm. Dit stelt met name grote eisen aan de chips. De norm laat toe dat de maximale Vage op een 48 V-rail gedurende minstens 40 milliseconden (ms) tot 70 Vs bereikt wordt en dat het systeem functioneel blijft zonder prestatieverlies tijdens zo'n overVage-gebeurtenis. Voor leveranciers van halfgeleiders betekent dit dat alles wat op de 48 V-rail van het voertuig is aangesloten, bestand moet zijn tegen 70 Vs aan de ingang (plus een veiligheidsmarge, waarbij de totale vereiste maximaal 100 Vs is).

Lineaire Technologie's LT8228, een 100 V bi-directionele constant-stroom of constant-Vage synchrone buck of boost controller (zie DigiKey technisch artikel, Spannings- en stroomregeling voor PWM-signaalgeneratie in DC-naar-DC schakelende regelaars) met een onafhankelijk compensatienetwerk, is een voorbeeld van een bidirectionele voeding die is ontworpen om te voldoen aan de LV 148-specificaties.

De controller neemt twee ingangen: V₁, een 24 tot 54 V voeding van de Li-ion batterij; en V₂, een 14 V ingang van de loodzuurbatterij (Afbeelding 2). Uitgangen zijn 48 Vs bij 10 ampère (A) in de boost-modus en 14 Vs bij 40 A in de buck-modus. De chip is bestand tegen 100 Vs aan zowel de in- als uitgangen. De bedrijfsmodus wordt extern via de DRXN-pen van een microcontroller geregeld of automatisch geselecteerd.

Afbeelding 2: De LT8228 bidirectionele voeding van Linear Technology biedt tot 100 V boost of buck Vages en voldoet aan LV 148-specificaties. (Bron afbeelding: Lineaire technologie)

Ingangs- en uitgangs-MOSFET's beschermen tegen negatieve Vages, regelen inschakelstromen en zorgen voor isolatie tussen de klemmen onder foutcondities, zoals het schakelen van MOSFET-kortsluitingen. In de buckmodus voorkomen de beveiligings-MOSFET's op de V₁ (24 V tot 54 V-ingang) dat er omgekeerde stroom optreedt. In de boost-modus regelen dezelfde MOSFET's de inschakelstroom aan de uitgang en beschermen ze zichzelf met een instelbare stroomonderbreker. Interne en externe foutdiagnose en -rapportage zijn beschikbaar via speciale pinnen.

Texas Instruments (TI) biedt ook een LV 148-conforme, tweekanaals bi-directionele stroomregelaar, de LM5170. Het apparaat beheert de stroomoverdracht tussen een hoge Vage-poort (HV-poort) (verbonden met de 48 V Li-ion-accu) en een lage Vage-poort (LV-poort) (verbonden met de 12 V loodzuuraccu). Onafhankelijke vrijgavesignalen activeren elk kanaal van de dubbele regelaar.

De tweekanaals differentiële stroomversterkers en de speciale kanaalstroommonitoren bereiken een typische nauwkeurigheid van 1 procent. De robuuste 5 A-halfbrug drivers zijn in staat om parallelle MOSFET-switches aan te sturen die 500 watt of meer per kanaal leveren. De regelaar kan in de discontinue modus werken voor een betere efficiëntie bij lichte belasting (zie het technische artikel van DigiKey, Het verschil tussen de continue en discontinue modus van de schakelende regelaar en waarom het belangrijk is) en het voorkomt ook negatieve stroom. De beveiligingsfuncties omvatten de piekstroomgrens per cyclus, overbelastingsbeveiliging van zowel 48 als 12 V batterijrails, detectie en bescherming van MOSFET-switchstoringen, en bescherming tegen oververhitting.

De LM5170 maakt gebruik van de regeling van de gemiddelde huidige modus, wat de compensatie vereenvoudigt door het elimineren van de rechterhelft van het vlak nul in de boost-bedrijfsmodus en door het handhaven van een constante luswinst, ongeacht de bedrijfsvoeringsniveaus en het belastingsniveau.

De bidirectionele stroomregelaars van Linear Technology en TI zijn voorzien van functies die het ontwerpen van vermogensmanagementcircuits in dubbele 12/48 V auto-elektronica eenvoudiger maken. De componenten maken het bijvoorbeeld mogelijk om dezelfde externe voedingscomponenten te gebruiken, of het nu gaat om het stimuleren van de Vage van de ene batterij of het aftappen van de Vage van de andere. Dit bespaart ruimte en kosten en verlicht de complexiteit van het circuit. Toch moet de keuze van deze externe componenten zorgvuldig worden gemaakt.

Ontwerp van de applicatiecircuits

De selectie van externe componenten bij gebruik van de LT8228 (en het TI-apparaat) volgt gewoonlijk die voor een goed ontwerp van de schakelende regelaar. Zo worden bijvoorbeeld de schakelfrequentie (f_SW) en de inductorwaarde (L) gekozen om de efficiëntie, de fysieke grootte en de kosten te optimaliseren. Op dezelfde manier worden de inductorstroomweerstand, R_SNS2, samen met de ingangsversterkingsweerstanden, R_IN2, geselecteerd voor de piekstroomlimiet, de efficiëntie en de nauwkeurigheid van de stroomgevoeligheid (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Blokschema van de LT8228 van Linear Technology met externe componenten die nodig zijn voor een typische toepassing. (Bron afbeelding: Linear Technology)

Condensator C_DM2 is gekozen om de buck-ingang en buck-uitgang-rimpel Vage te beperken; op dezelfde manier is condensator C_DM4 gekozen om de buck-ingang en buck-uitgang-rimpel Vage te beperken. Condensator C_DM1 op de V1D-pin wordt gebruikt om ruis te omzeilen. De dempingscondensatoren C_V1 en C_V2 zijn geselecteerd met hun equivalente serieweerstandwaarde (ESR) die is ontworpen om de resonantie te verminderen als gevolg van de seriematige draadinductantie die is aangesloten op V₁ en V₂ respectievelijk.

De compensaties voor de buck- en boostregellussen zijn gekozen om de bandbreedte en stabiliteit te optimaliseren. Zie de technische artikelen van DigiKey voor meer informatie over het ontwerpen met schakelende Vage-regelaars en -besturingen: Design Trade-offs bij het selecteren van een hoogfrequent schakelende regelaar, Inzicht in de regellusrespons van de schakelregelaar en Gebruik laag-EMI schakelende regelaars om hoogrendabele vermogensontwerpen te optimaliseren.

Na het selecteren van componenten om te voldoen aan goede ontwerpprincipes voor een ontwerp van een schakelende regelaar, zijn er enkele componentenselecties die specifiek nodig zijn om te voldoen aan de eisen van een bidirectionele 12/48 V-autotoepassing.

Bijvoorbeeld, de LT8228's buck-uitgangsstroomlimiet, boost inputstroomlimiet en V₂ huidige monitor worden respectievelijk ingesteld door de R_SET2P, R_SET2N, en R_MON2-weerstanden. Vervolgens worden de V₁ stroommetende weerstand, R_SNS1 (linksboven in het diagram), samen met de ingangsversterkingsweerstanden R_IN1, geselecteerd om de efficiëntie en de huidige zintuiglijke nauwkeurigheid te optimaliseren.

De LT8228 gebruikt dezelfde inductor voor zowel de buck- als de boostfunctie. In de buckmodus is de inductorstroom de V2-uitgangsstroom en in de boost-modus is de inductorstroom de V2-ingangsstroom. De maximale inductorstroom in elke modus kan worden berekend uit de vergelijkingen 1 en 2:

Vergelijkingen 1 en 2

met

ƒ = schakelfrequentie

L = geselecteerde inductorwaarde

I_V2P(LIM) = buckmodus V₂ uitgangsstroomgrens

I_V2N(LIM) = boost mode V₂ ingangsstroomgrens

De piekinductorstroom moet ten minste 20 tot 30 procent boven de hogere maximale inductorstroom van de buck- en boost-modi liggen. Dit zorgt ervoor dat de maximale gemiddelde stroomregeling niet wordt beïnvloed door de piekstroomlimiet van de inductor in beide bedrijfsmodi. De inductorstroom wordt gedetecteerd met behulp van R_SNS2 die in serie met de inductor wordt geplaatst. De piek in de inductorstroom I_L(PEAK) wordt gedetecteerd wanneer I_CSA2 gewoonlijk 72,5 microampère (µA) bereikt.

Hoge R_SNS2 (rechtsboven) waarden verbeteren de stroommetende nauwkeurigheid terwijl lage R_SNS2-waarden de efficiëntie verbeteren. De ontwerper moet de waarde van R_SNS2 selecteren zodat de ingangs-offset Vage van C_SA2 geen invloed heeft op de stroommetende nauwkeurigheid, terwijl het vermogensverlies over de inductor wordt geminimaliseerd. Een aanbevolen Vage over R_SNS2 bij de piekinductorstroom ligt tussen 50 en 200 milliVs (mV).

Dan moet de ontwerper R_IN2 selecteren om de piekstroomlimiet van de inductor in te stellen volgens de volgende formule:

 Vergelijking 3

Na het instellen van de piekstroomlimiet van de inductor, worden de limiet voor de uitgangsstroom van de boost, de limiet voor de ingangsstroom van de buck en de V₁ stroommonitor ingesteld door respectievelijk de R_SET1N, R_SET1P, en R_MON1-weerstanden. Condensatoren parallel aan de R_SET-weerstanden worden gekozen om de stroomgrenzen in te stellen op de gemiddelde stroom van de stroommetende weerstanden.

De regelbare Vages en overVage drempels van V1D (de gereguleerde uitgang in boost mode) en V2D (gereguleerde uitgang in buck mode) worden ingesteld door de weerstandsdelers op de FB1- en FB2-pennen te selecteren. De underVage drempel van V₁ en V₂ worden ingesteld door de weerstandsdelers op de UV1- en UV2-pennen te selecteren.

Voor de externe schakeling van de LT8228 zijn ook zes vermogen-MOSFETS nodig (Afbeelding 4). Deze moeten worden geselecteerd op basis van de efficiëntie en de uitsplitsing van de Vage. De bijbehorende Schottky-dioden (D2 en D3) zijn facultatief en moeten worden geselecteerd op basis van efficiëntieoverwegingen.

Afbeelding 4: De LT8228 vereist zes externe N-kanaals MOSFETs: de V₁ bescherming MOSFET's M1A en M1B, de V2 bescherming MOSFET's M4A en M4B, de schakelende bovenste MOSFET M2, en de schakelende onderste MOSFET M3. (Bron afbeelding: Linear Technology)

Wanneer de LT8228 in buckmodus werkt, is het schakelen van MOSFET M2 de hoofdschakelaar en MOSFET M3 de synchrone schakelaar; V1D (het knooppunt dat moet worden geregeld door de boost-regelaar en dat zich net boven en links van de DG1-regelaar in Afbeelding 3 bevindt) is de ingang Vage en V2D (het knooppunt dat moet worden geregeld door de buckconverotr, rechtsboven in Afbeelding 3 - net links van de buck-MOSFET's) is de geregelde buck-uitgang Vage. In de boostmodus wordt de situatie omgekeerd met M3 als hoofdschakelaar en M2 als synchroonschakelaar met V2D als ingang Vage en V1D als uitgang Vage.

Tijdens de uitschakeltijd zijn beide schakelende MOSFET's, M2 en M3, onderworpen aan de maximale ingangsfrequentie (plus eventuele extra ringen op het schakelknooppunt) over hun afvoerkanaal naar de bron. Dit maakt de belangrijkste parameter bij het selecteren van de schakelende MOSFET's in hoge Vage toepassingen de breakdown Vage (BV_DSS).

De ontwerper moet ook rekening houden met de vermogensdissipatie van de MOSFET's. Overmatige dissipatie beïnvloedt de efficiëntie van het systeem en kan de MOSFET's oververhitten en beschadigen. De belangrijkste parameters bij het bepalen van de vermogensdissipatie zijn de on-weerstand (R_DS(ON)), invoer Vage, uitvoer Vage, maximale uitgangsstroom en Miller-capaciteit (C_MILLER).

Het elimineren van de 12 V-batterij

Door de volwassenheid en betrouwbaarheid van het 12 V-systeem op basis van loodaccu's zal het niet snel verdwijnen. Maar de autofabrikanten werken al aan systemen voor nieuwe voertuigen die alles van 48 Vs (met behulp van accu's die iets van 48 tot 800 Vs leveren) laten draaien. Dergelijke systemen maken gebruik van niet-geïsoleerde en bidirectionele convertors die meerdere kilowatts aankunnen en zowel conventionele 12 V elektrische apparaten als de hogere Vage-units van stroom voorzien.

Een voorbeeld van zo'n convertor is Vicor's NBM2317S60E1560T0R, een hoogrendabele niet-geïsoleerde convertor die werkt met een 38 V naar 60 V high-side Vage-bus voor het leveren van een low-side Vage van 9,5 Vs naar 15 Vs. Het apparaat biedt een maximaal continu uitgangsvermogen van 800 W met een piekvermogen tot 1 kW. In buckmodus is de uitgangsstroom 60 A continu en 100 A transiënt; in boostmodus zijn de cijfers 15 A continu en 25 A transiënt. De vermogensdichtheid van het apparaat is 274 watt per kubieke centimeter (watt/cm³). Het piekrendement wordt gespecificeerd als 97,9 procent.

Het apparaat meet 23 x 17 x 7,5 millimeter (mm) en neemt minder ruimte in beslag dan langzamer schakelende (sub 1 megahertz (MHz)) oplossingen. Het aantal benodigde externe componenten wordt gereduceerd omdat de convertor geen externe filters of bulkcondensators nodig heeft. Er is ook geen vereiste voor hot swap of in-rush stroombegrenzing.

Een manier om een 12/48 V-architectuur te implementeren die wordt gevoed door een enkele 48 V-batterij is een gecentraliseerde topologie. Deze topologie steunt op één enkele bidirectionele convertor met grote capaciteit. Een dergelijk systeem heeft verschillende nadelen, waaronder de uitdagingen op het gebied van thermisch beheer, het ontbreken van ingebouwde redundantie en de kosten en het gewicht van de uitgebreide kabelbomen die nodig zijn voor de lage Vage (12 V)/hoge stroomtoepassingen.

Het Vicor-apparaat is ontworpen om deze problemen aan te pakken door een gedecentraliseerde architectuur voor een 12/48 V elektrisch systeem mogelijk te maken. Redundantie is ingebouwd door het gebruik van meerdere convertors en 12 V-kabelbomen kunnen worden ingekort en daarmee veel lichter worden gemaakt. Bovendien wordt de uitdaging van het thermisch beheer aanzienlijk verlicht. In een gecentraliseerd systeem moet bijvoorbeeld een enkele convertor met een vermogen van 3 kW en een rendement van 95 procent 150 watt afvoeren, grotendeels als warmte. Ter vergelijking, elk van de convertors in een gedistribueerd systeem dat bestaat uit vier apparaten die bij 95 procent rendement 750 watt produceren, zou 37,5 watt verspillen. Terwijl de totale verliezen gelijk blijven, wordt de temperatuur van elke convertor aanzienlijk verlaagd (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Hoogrenderende DC-naar-DC-convertors zoals Vicor's NBM2317S60E1560T0R maken een 12/48 V elektrisch systeem voor auto's mogelijk dat wordt gevoed door een enkele 48 V batterij. In de hier getoonde decentrale topologie worden de uitdagingen op het gebied van thermisch beheer versoepeld en wordt de 12 V-bekabeling kort gehouden, waardoor het gewicht wordt gereduceerd. (Bron afbeelding: Vicor)

Vicor heeft het leven gemakkelijker gemaakt voor ontwerpers die willen experimenteren met 12/48 V-systeemontwerp door de introductie van het NBM2317D60E1560T0R-evaluatiebord voor de NBM2317 lijn IC's. De printplaat is voorgeconfigureerd in een bucktopologie met een 38 V tot 60 V ingang en een enkele niet-geïsoleerde 13,5 V uitgang.

Conclusie

Omdat de elektrische systemen in moderne voertuigen steeds vaker voorkomen, kraakt het traditionele 12V-elektrische systeem onder druk. De introductie van een 48 V-systeemalternatief biedt een hoger vermogen om systemen zoals elektrische besturing en superchargering te bedienen, terwijl het gewicht en de kosten van de kabelbomen worden verlaagd.

Het is echter onpraktisch om op korte termijn over te schakelen op één enkel 48 V-systeem vanwege het volume van de oude 12 V-producten die in voertuigen worden gebruikt. De oplossing is om 12 V en 48 V systemen samen te laten werken, elk met een eigen batterij.

Het beheer van het vermogen en het laden van deze verschillende Vage-systemen kan complex zijn als voor elk van deze systemen afzonderlijke DC-naar-DC-converters worden gebruikt. De introductie van bidirectionele DC-naar-DC-convertors - die als brug kunnen fungeren tussen de 12- en 48V-systemen - vereenvoudigt het ontwerp, verlaagt de kosten en stimuleert de toepassing in lager geprijsde auto's.

Aanbevolen leesmateriaal:

1. Spannings- en Stroomsterkte-regeling voor PWM-signaalgeneratie in DC-naar-DC schakelende regelaars
2. Het verschil tussen de continue en discontinue schakeling van de regelaar en waarom het belangrijk is.
3. Design Trade-offs bij het selecteren van een hoogfrequent schakelende regelaar
4. Inzicht in de regellusrespons van de schakelregelaar
5. Gebruik laag-EMI-schakelregelaars om hoog-efficiënte stroomontwerpen te optimaliseren