Wdrażanie innowacyjnych sieci zasilających z wykorzystaniem modułowych przetwornic mocy

Sieci zasilające (PDN) w pojazdach elektrycznych (EV) szybko się zmieniają. Tradycyjne źródła energii elektrycznej, takie jak akumulatory kwasowo-ołowiowe 12V, ustępują miejsca źródłom o napięciu 48V i wyższym. Jednocześnie wiele silników, pomp, czujników i aktuatorów nadal działa na tradycyjnych poziomach napięcia. W rezultacie napięcia wyższego poziomu muszą być skutecznie obniżane i rozdzielane na różne odbiorniki. Aby to osiągnąć, minimalizując rezystancyjne spadki napięcia i związane z nimi straty mocy, architekci systemów zasilania przechodzą od podejścia scentralizowanego (z dużą przetwornicą prądu stałego w pobliżu źródła) do architektury zdecentralizowanej (gdzie wysokie napięcie jest dystrybuowane do przetwornic mocy w pobliżu odbiorników o niższym napięciu).

Zdecentralizowana sieć zasilająca (PDN) wymaga lekkich zasilaczy o wysokiej gęstości mocy, optymalnej sprawności i niewielkich rozmiarach. Użycie konwencjonalnych komponentów dyskretnych do zaprojektowania takich przetwornic we własnym zakresie może być kuszące w celu optymalizacji projektu, jednak może być ono również trudnym zadaniem.

Istnieje lepsza opcja: gotowe urządzenia modułowe od producentów posiadających bogate doświadczenie projektowe z różnorodnymi rozwiązaniami spełniającymi wymagania stawiane sieciom zasilającym (PDN) np. w dziedzinie zakresu napięć wejściowych, napięcia wyjściowego, mocy, gęstości i sprawności.

W niniejszym artykule omówiono potrzeby nowoczesnych sieci zasilających (PDN) i typowe wymagania dotyczące zasilania. W artykule przedstawiono również przykładowe modułowe zasilacze firmy Vicor i pokazano sposób ich zastosowania w wydajnych i ekonomicznych sieciach zasilających (PDN).

Ewolucja sieci zasilających (PDN)

Pojazdy elektryczne i hybrydowe (EV/HEV) wymagają maksymalnego zasięgu i minimalnego czasu ładowania, przy jednoczesnym zapewnieniu pełnej gamy usług dla kierowców i pasażerów. Wymagania te kładą nacisk na wysokosprawne i lekkie konstrukcje. W związku z tym producenci pojazdów przechodzą ze scentralizowanej architektury sieci zasilającej (PDN) na zdecentralizowaną architekturę strefową (ilustracja 1).

Ilustracja 1: Scentralizowana architektura przekształca napięcie źródła na napięcie obciążenia 12V w pobliżu źródła i rozprowadza je po pojeździe, natomiast zdecentralizowana architektura strefowa dystrybuuje napięcie źródłowe do lokalnych przetwornic prądu stałego, gdzie napięcie jest obniżane do 12V możliwie najbliżej odbiornika. (Źródło ilustracji: Vicor)

Scentralizowana architektura konwertuje źródło napięcia 48V na napięcie 12V za pośrednictwem „srebrnej skrzynki”, czyli dużej przetwornicy prądu stałego, która wykorzystuje starsze, niskoczęstotliwościowe topologie przełączające z modulacją szerokości impulsu (PWM). Ze srebrnej skrzynki rozprowadzane jest napięcie 12V. Dla danej mocy dostarczanej do odbiornika, poziom prądu przy napięciu 12V jest czterokrotnie większy niż prąd dostarczany przy napięciu 48V. Oznacza to, że rezystancyjne straty mocy, które są proporcjonalne do kwadratu prądu, są 16 razy wyższe.

Z drugiej strony architektura strefowa rozdziela napięcie źródłowe 48V do stref lokalnych, w których odbiorniki są zasilane przez mniejsze przetwornice prądu stałego o wyższej sprawności konwertujące napięcie z 48 na 12V. Niższe poziomy prądu wymagają mniejszych przekrojów przewodów i złączy, co skutkuje niższymi kosztami i lżejszymi wiązkami przewodów. Lokalne przetwornice są umieszczone bliżej odbiornika, aby zminimalizować długość okablowania zasilającego 12V.

W układzie strefowym źródła ciepła są rozproszone po strefach pojazdu, zamiast skupiać się w pobliżu źródła. Poprawia to ogólne rozpraszanie ciepła, umożliwiając poszczególnym przetwornicom pracę w środowiskach o niższych temperaturach. Rezultatem jest wyższa sprawność robocza i większa niezawodność.

Projektowanie zasilaczy do sieci zasilających (PDN)

O ile stworzenie własnego projektu przetwornicy do sieci zasilającej (PDN) przy użyciu komponentów dyskretnych jest możliwe, o tyle już zaprojektowanie zasilacza jest trudnym zadaniem. Niewielu inżynierów posiada wymagane umiejętności lub doświadczenie, aby spełnić wymagania danego zastosowania i przepisów. Podejście modułowe jest prostszą i lepszą opcją.

Modułowe projekty sieci zasilających (PDN) zależą od dostępności modułów zasilania, które zapewniają szeroki zakres funkcji związanych z zasilaniem, umożliwiając tworzenie elastycznych i skalowalnych architektur (ilustracja 2).

Ilustracja 2: stosując modułowe projekty sieci zasilającej (PDN), polegamy na dostawcach oferujących szeroką gamę rozwiązań w celu zapewnienia elastyczności i skalowalności. (Źródło ilustracji: Vicor)

W podstawowej strefowej architekturze sieci zasilającej (PDN) (u góry po lewej) rozdziela zasilanie ze źródła 48V do lokalnych przetwornic modułowych prądu stałego, obniżając napięcie do wymaganego poziomu. W przypadku zmiany wymagań dotyczących obciążenia, dokonywana jest prosta wymiana modułu na moduł o wyższej mocy znamionowej (u góry po środku). Dodanie nowego odbiornika wymaga po prostu dodania kolejnej przetwornicy modułowej (u góry po prawej). Nie ma potrzeby zmiany konfiguracji źródła.

Obniżenie strat w szynie zasilającej można osiągnąć poprzez niewielką zmianę w architekturze sekcyjnej (na dole po lewej). Architektura sekcyjna rozdziela regulację mocy oraz transformację napięcia i prądu na dwa oddzielne moduły. Moduł regulatora wstępnego (PRM) zarządza funkcjami regulacji napięcia. W celu regulacji napięcia wyjściowego szyny mierzony jest prąd szyny sekcyjnej. Moduł transformacji napięcia (VTM), działając podobnie do transformatora prądu stałego, zarządza redukcją napięcia i powielaniem prądu. Moduł transformacji napięcia (VTM) jest mniejszy niż pełny moduł przetwornicy prądu stałego i może być umieszczony bliżej odbiornika w celu zmniejszenia strat rezystancyjnych. Ponadto jego niska impedancja wyjściowa wymaga mniejszych kondensatorów wyjściowych. Oznacza to, że mniejsze kondensatory ceramiczne mogą zastąpić większe kondensatory magazynujące w pobliżu odbiornika.

Zapotrzebowanie na większą moc można zaspokoić przez równoległe połączenie wielu modułów przetwornic (na dole pośrodku). Aby zaspokoić potrzeby źródeł o wyższym napięciu, np. 400 lub 800V, można dodać moduł obniżający o stałej przekładni oraz moduł przetwornicy magistrali (BCM) w celu obniżenia napięcia źródła do bezpiecznych poziomów bardzo niskich napięć magistrali (SELV) (na dole po prawej). Należy zauważyć, że magistrala SELV stanowi standard bezpieczeństwa, który określa maksymalne napięcie graniczne dla urządzeń elektrycznych w celu zapewnienia ochrony przed porażeniem prądem elektrycznym. Poziomy napięcia SELV są generalnie poniżej 53V.

Podane przykłady dają wgląd w elastyczność i skalowalność dostępne w architekturze strefowej. Firma Vicor oferuje szeroką gamę modułów przetwornic z serii DCM, które mogą być używane w różnorodnych zastosowaniach. Firma ta była pionierem kilku rewolucyjnych rozwiązań w projektowaniu modułów zasilania, w tym obudów typu ChiP (Converter Housed in Package) oraz obudów VIA (Vicor Integrated Adapter) (ilustracja 3).

Ilustracja 3: przykłady fizycznych konfiguracji obudów ChiP (Converter Housed in Package) i VIA (Vicor Integrated Adapter) z serii DCM. (Źródło ilustracji: Vicor)

Omawiane obudowy zwiększają czterokrotnie gęstość mocy w porównaniu z wcześniejszymi konfiguracjami, zapewniając jednocześnie 20% redukcję strat mocy. Obudowa ChiP (Converter Housed in Package) wykorzystuje struktury magnetyczne zamontowane na podłożu o wysokiej gęstości. Pozostałe komponenty są montowane dwustronnie w celu podwojenia gęstości mocy. Komponenty są rozmieszczone symetrycznie w obudowie, co poprawia parametry termiczne. Ten zaawansowany układ wraz z zoptymalizowanym materiałem formującym poprawia drogi termiczne. Moduł z obudową ChiP (Converter Housed in Package) posiada niską impedancję cieplną powierzchni górnej i dolnej. Chłodzenie można poprawić za pomocą radiatorów połączonych termicznie z górną i dolną powierzchnią, a także za pośrednictwem połączeń elektrycznych. Moduł VIA (Vicor Integrated Adapter) dodaje do podstawowego „blokowego” elementu konstrukcyjnego zintegrowane filtrowanie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), lepszą regulację napięcia wyjściowego i wtórny interfejs sterowania.