Implementer innovative strømforsyningsnetværk ved hjælp af modulære strømkonvertere

Elbilers (electric vehicle/EV) strømforsyningsnetværk (power delivery network/PDN) ændrer sig hurtigt. Traditionelle kilder til elektriske strøm, som 12 volt blysyrebatterier, viger pladsen for kilder på 48 volt eller mere. Samtidigt kører mange motorer, pumper, sensorer og aktuatorer stadig på traditionelle spændingsniveauer. Derfor skal spændinger på højere niveauer reduceres effektivt og fordeles til disse forskellige belastninger. For at opnå dette og samtidig minimere resistive spændingsfald og tilhørende effekttab bevæger elsystemsarkitekter sig fra en centraliseret tilgang (med en stor DC/DC-konverter tæt på kilden) til en decentraliseret arkitektur (hvor en høj spænding distribueres til strømkonvertere i nærheden af hver af de lavere spændingsbelastninger).

Dette decentraliserede PDN kræver letvægtsstrømforsyninger med høj effekttæthed, optimal effektivitet og et lille fodaftryk. Selvom det kan være fristende at bruge konventionelle diskrete-komponenter til at designe disse konvertere ’in-house’ for at optimere et design, kan det også være en overvældende opgave.

Der er et bedre alternativ: modulære hyldevarer fra en kilde med omfattende designerfaring og en række forskellige løsninger til PDN-krav, såsom indgangsspændingsområde, udgangsspænding, effekt, tæthed og effektivitet.

Denne artikel diskuterer behovene i en moderne PDN og typiske krav til strømforsyningen. Artiklen introducerer også eksempler på modulære strømforsyningsløsninger fra Vicor og viser, hvordan de kan anvendes til højtydende, omkostningseffektive PDN'er.

PDN-udvikling

El- og hybridbiler har brug for maksimal rækkevidde og minimal ladetid, samtidig med at de leverer et komplet udvalg af tjenester til førere og passagerer. Disse krav lægger vægt på effektive letvægtsdesign. Derfor er bilproducenterne ved at gå fra en centraliseret PDN-arkitektur til en decentraliseret zonearkitektur (figur 1).

Figur 1: Den centraliserede arkitektur konverterer kildespændingen til 12 volt belastningsspænding tæt på kilden og distribuerer den i hele køretøjet; den decentraliserede zone-arkitektur distribuerer kildespændingen til lokale DC/DC-konvertere, hvor spændingen sænkes til 12 volt så tæt på belastningen som muligt. (Billedkilde: Vicor)

Den centraliserede arkitektur konverterer 48 volt-kilden til 12 volt via en "sølvboks", en stor DC/DC-konverter, der bruger ældre koblingstopologier med anvendelse af lavfrekvent pulsbreddemodulering (pulse width modulation/PWM). Strømmen distribueres derefter fra sølvboksen med 12 volt. For en given effekt, der leveres til belastningen, er strømniveauet ved 12 volt fire gange større end den strøm, der leveres ved 48 volt potential. Det betyder, at det resistive effekttab, som er proportionalt med kvadratet på strømmen, er 16 gange højere.

På den anden side distribuerer zone-arkitekturen 48 volt-kilden til de lokale zoner, hvor mindre, mere effektive, 48 til 12 volt DC/DC-konvertere forsyner belastningerne. Lavere strømniveauer kræver mindre leder- og konnektortværsnit, hvilket resulterer i ledningsnet, der er både billigere og lettere. De lokale konvertere er placeret tættere på belastningen for at minimere 12 volt-strømledningernes længde.

I zone-systemet er varmekilderne fordelt bredt i køretøjets zoner i stedet for at være koncentreret tæt på kilden. Det forbedrer den samlede varmeafledning, så de enkelte konvertere kan fungere i miljøer med lavere temperaturer. Resultatet er højere driftseffektivitet og større pålidelighed.

Design af PDN-strømforsyninger

Selvom det er muligt at skabe et tilpasset PDN-konverterdesign ved hjælp af diskrete komponenter, er strømforsyningsdesign en formidabel opgave. Kun få ingeniører har de nødvendige færdigheder eller erfaring til at opfylde både anvendelses- og lovkravene. En modulær tilgang er en enklere og bedre løsning.

Modulære PDN-designs afhænger af tilgængeligheden af et strømforsyningsmodul, der giver en bred vifte af strømrelaterede funktioner for at muliggøre fleksible og skalerbare arkitekturer (figur 2).

Figur 2: Modulære PDN-design er afhængige af en leverandør med et bredt udvalg af løsninger for at sikre fleksibilitet og skalerbarhed. (Billedkilde: Vicor)

Den grundlæggende zone-PDN-arkitektur (øverst til venstre) distribuerer 48 volt-strømkilden til lokale DC/DC-modulkonvertere, som reducerer spændingen til de påkrævede niveauer. Hvis der sker en ændring i belastningskravene, er det nemt at opgradere til et modul med en højere effektklassificering (øverst i midten). Tilføjelse af en ny belastning kræver blot tilføjelse af endnu en modulær konverter (øverst til højre). Det er ikke nødvendigt at ændre kildekonfigurationen.

Mindre tab i strømskinnen kan opnås ved en mindre ændring til en opdelt arkitektur (nederst til venstre). Den opdelte arkitektur deler effektreguleringen og spændings-/strømtransformationen i to separate moduler. Præregulatormodulet (pre-regulator module/PRM) styrer spændingsreguleringsfunktionerne. Den opdelte busstrøm registreres for at regulere skinnens udgangsspænding. Spændingstransformationsmodulet (voltage transformation module/VTM), der fungerer på samme måde som en DC-transformer, håndterer spændingsreduktion/strømmultiplikation. VTM er mindre end et fuldt DC/DC-konvertermodul og kan placeres tættere på belastningen for at reducere modstandstab. Den lave udgangsimpedans kræver også mindre udgangskondensatorer. Det betyder, at mindre keramiske kondensatorer kan erstatte større bulk-kondensatorer tæt på belastningen.

Behovet for større effekt kan imødekommes ved at parallelkoble flere konvertermoduler (nederst i midten). Opdatering til højere spændingskilder, som 400 eller 800 volt, kan opnås ved at tilføje et nedtransformeringsmodul med fast forhold og et buskonvertermodul (bus converter module(BCM) for at reducere kildespændingen ned til sikre ekstralavspændings (safety extra-low voltage/SELV) -busniveauer (nederst til højre). Bemærk, at SELV-bussen er en sikkerhedsstandard, der specificerer den maksimale spændingsgrænse for elektrisk udstyr for at sikre mod elektrisk stød. SELV-spændingsniveauer er generelt under 53 volt.

Disse eksempler giver et indblik i den fleksibilitet og skalerbarhed, der kan opnås med zone-arkitekturen. Vicor tilbyder en bred vifte af konvertermoduler i sin DCM-serie, der er egnet til disse forskellige anvendelser. Virksomheden var banebrydende med flere revolutionerende fremskridt inden for designet af kraftmoduler, herunder ’konverter huset i pakke’ (Converter housed in Package/ChiP) og Vicor integreretadapter-pakker (Vicor Integrated Adapter/VIA) (figur 3).

Figur 3: Eksempler på de fysiske ChiP- og VIA-konfigurationer i DCM-serien. (Billedkilde: Vicor)

Disse pakker øger effekttætheden med faktor fire sammenlignet med tidligere pakkekonfigurationer, samtidig med at der opnås en 20 % reduktion i effekttab. ChiP bruger magnetiske strukturer monteret gennem et substrat med høj densitet. Andre komponenter er monteret med et tosidet layout for at fordoble effekttætheden. Komponenterne er anbragt symmetrisk i pakken for at forbedre den termiske ydeevne. Dette avancerede layout, sammen med optimeret støberformsammensat materiale, giver forbedrede termiske baner. ChiP-modulet har lav termisk impedans på top- og bundoverfladen. Kølingen kan forstærkes ved hjælp af køleplader, der er termisk koblet til top- og bundoverfladerne samt gennem de elektriske forbindelser. VIA-modulet tilføjer integreret elektromagnetisk interferens-filtrering (EMI), bedre regulering af udgangsspændingen og en sekundær kontrolgrænseflade til det grundlæggende "murstens"-strukturelement.

Eksempel på DC/DC-konvertermoduler i DCM-serien

DCM-serien er et eksempel på en reguleret og isoleret DC/DC-konverter til generelle formål. Konverteren arbejder med en ureguleret kilde med bredt spændingsområde som input og genererer en spændingsreguleret udgangseffekt på niveauer op til 1300 watt ved udgangsstrømme op til 46,43 ampere (A). Den giver op til 4.242 volt DC-isolation mellem indgang og udgang. Isolation henviser til galvanisk isolation, hvilket betyder, at der ikke flyder strøm direkte mellem indgang og udgang. Denne isolation kan være påkrævet af sikkerhedsstandarder, hvis indgangsspændingerne kan være skadelige for mennesker. Når udgangen er flydende i forhold til indgangen, er det også muligt at vende eller skifte udgangspolariteten.

DCM-familien bruger en topologi med nulspændingskobling (zero-voltage switching/ZVS), som reducerer de høje tændingstab, der er almindelige i konventionelle PWM-konvertere, ved blødkobling af effektkomponenterne. ZVS giver mulighed for drift ved en højere frekvens og ved højere indgangsspændinger uden at gå på kompromis med effektiviteten. Disse konvertere fungerer med koblingsfrekvenser fra 500 kilohertz (kHz) til næsten 1 megahertz (MHz). Den høje koblingsfrekvens reducerer også størrelsen på de tilhørende magnetiske og kapacitive energilagringskomponenter, hvilket forbedrer effekttætheden. Effekttætheder og effektivitet kan opnås med op til henholdsvis 1244 watt pr. kubiktomme (W/in.³) og 96 %.

DCM-serien fås i tre pakkestørrelser: DCM2322, DCM3623 og DCM4623, med overlappende indgangsspændingsområder og udgangseffektniveauer (figur 4).

Figur 4: Her ses en oversigtsgraf over de elektriske egenskaber for DCM-seriens DC/DC-konvertere, herunder indgangs- og udgangsspændingsområderne. (Billedkilde: Vicor)

Indgangsspændingsområderne for de tre familier af konvertere dækker 9 til 420 volt med SELV-udgange i trin fra 3 til 52,8 volt DC. Udgangsspændingsgrænserne kan trimmes i området -40% til +10% af den nominelle udgangsspænding. Udgangene har en fuldt funktionsdygtig strømbegrænsning, der holder konverteren inden for dens sikre driftsområde, baseret på den maksimale gennemsnitlige udgangseffekt, uanset indstillingen af udgangsspændingen.

DCM-serien indeholder fejlbeskyttelse mod under- og/eller overspænding på indgangen, overtemperatur, overspænding på udgangen, overstrøm på udgangen, og kortslutning på udgangen.

Eksempler på flere DCM-produkter, herunder alle tre pakkestørrelser og en række indgangsspændinger og maksimaleffektområder, vises i tabel 1.

Tabel 1: Egenskaberne for almindeligt anvendte DCM-konvertere illustrerer det udvalg af indgangsspændinger, udgangsspændinger og effektniveauer, der er til rådighed for at opfylde en lang række anvendelseskrav. (Kilde til tabel: Art Pini)

Tabellen opsummerer de vigtigste karakteristika for hver af eksemplerne på DCM-konvertere og angiver deres fysiske dimensioner. Dette er et lille udsnit af de mange forskellige DCM-modeller, der findes.

Typiske anvendelser

DCM-konverterne kan anvendes enkeltvis, og de fleste kan også fungere parallelt. Når udgangen bruges alene, kan den forsyne flere belastninger, herunder ikke-isolerede regulatorer ved belastningspunkterne (Point-of-Load/POL) (figur 5).

Figur 5: Her ses en typisk anvendelse af DCM3623T75H06A6T00, der forsyner en direkte belastning, samt en ikke-isoleret POL-regulator. (Billedkilde: Vicor)

Kredsløbet er ligetil. Komponenterne L1, C1, R4, C4 og Cy udgør indgangens EMI-filter. Udgangskondensatoren C_Out-Ext sammen med R_Out-Ext giver stabilitet i reguleringssløjfen. Modstanden kan være kondensatorens effektive seriemodstand (effective series resistance/ESR) med en værdi på ca. 10 milliohm (mΩ). Kondensatoren skal placeres fysisk tæt på konverterens udgangsben. R_dm, L_b, L₂, _og C₂ danner et differential-mode-udgangsfilter. Filterets afskæringsfrekvens er indstillet til en tiendedel af koblingsfrekvensen.

De fleste DCM-konvertere kan fungere med deres udgange parallelforbundet (array-tilstand). Det øger den effekt, der leveres til belastningen, ved at kombinere udgangseffekt fra op til otte moduler (figur 6).

Figur 6: Kredsløbet viser parallel-array-driften af fire DCM-konvertere, der forsyner en fælles belastning. (Billedkilde: Vicor)

De eksterne komponenter udfører de samme funktioner som i eksemplet med den enkelte konverter. I array-tilstanden skal hvert DCM-modul have en minimumsværdi for udgangskapacitet før enhver serieinduktans, og skal placeres tættere på den enkelte konverter end på udgangsforbindelsen. I arrays, hvor alle "N" DCM-moduler startes samtidigt, kan udgangskapacitetens maksimale værdi være op til N gange C_Out-Ext. Der er også krav om, at strømkildens impedans skal være mindre end halvdelen af DCM-arrayets indgangsimpedans for at sikre stabilitet og minimere ringning.

Konklusion

Anvendelser som køretøjer og elbiler gennemgår et mærkbart skift fra centraliserede til decentraliserede PDN-arkitekturer. Det er udfordrende at designe de DC/DC-konvertere, der er nødvendige for at opfylde de tilknyttede krav til effektivitet, effekttæthed og vægt ved hjælp af diskrete komponenter. I stedet kan designere reducere tid og omkostninger ved at bruge Vicors DCM-serie af modulære strømforsyningsløsninger. Som vist, er disse moduler på forkant med avancerede pakker som ChiP og VIA, og innovative ZVS-topologier er skalerbare og alsidige og opfylder en lang række forskellige anvendelser.