Wdrażanie innowacyjnych sieci zasilających z wykorzystaniem modułowych przetwornic mocy

Przykładowe moduły przetwornic prądu stałego z serii DCM

Seria DCM to przykład regulowanych i izolowanych przetwornic prądu stałego ogólnego przeznaczenia. Przetwornica, która pracuje przy nieregulowanym źródle o szerokim zakresie napięć na wejściu, generuje moc wyjściową o regulowanym napięciu dochodzącą do 1300W przy natężeniu prądu wyjściowego do 46,43A. Zapewnia ona izolację prądu stałego do 4242V pomiędzy wejściem i wyjściem. Izolacja odnosi się do izolacji galwanicznej, co oznacza, że między wejściem i wyjściem nie płynie prąd. Taka izolacja może być wymagana przez normy bezpieczeństwa, jeśli napięcia wejściowe mogą być szkodliwe dla ludzi. Wyjście nieposiadające ustalonego potencjału względem wejścia pozwala również na odwrócenie lub przesunięcie biegunowości wyjścia.

Grupa DCM wykorzystuje topologię przełączania przy zerowym napięciu (ZVS), która zmniejsza wysokie straty włączania typowe dla konwencjonalnych przetwornic z modulacją szerokości impulsu (PWM) poprzez przełączanie miękkie urządzeń mocy. Przełączanie przy zerowym napięciu (ZVS) pozwala na pracę przy wyższej częstotliwości i przy wyższych napięciach wejściowych bez pogorszenia sprawności. Omawiane przetwornice działają z częstotliwościami przełączania w zakresie od 500kHz do prawie 1MHz. Zastosowanie tak wysokiej częstotliwości przełączania zmniejsza również rozmiary powiązanych magnetycznych i pojemnościowych komponentów magazynujących energię, poprawiając gęstość mocy. Osiągalne są gęstości mocy dochodzące do 1244W/in.3 i sprawności dochodzące do 96%.

Seria DCM jest dostępna w trzech rozmiarach obudów: DCM2322, DCM3623 i DCM4623, a także oferuje nakładające się zakresy napięć wejściowych i poziomy mocy wyjściowej (ilustracja 4).

Ilustracja 4: Wykres podsumowujący charakterystykę elektryczną przetwornic prądu stałego serii DCM, w tym zakresy napięć wejściowych i wyjściowych. (Źródło ilustracji: Vicor)

Zakresy napięć wejściowych dla trzech grup przetwornic obejmują przedział od 9 do 420V ze stopniowanymi wyjściami SELV w zakresie od 3 do 52,8V=. Limity napięcia wyjściowego można dostrajać w zakresie od -40% do +10% nominalnego napięcia wyjściowego. Aby utrzymać przetwornicę w bezpiecznym obszarze roboczym, wyjścia posiadają ograniczenie prądu pozwalające zachować pełne parametry działania, zależne od maksymalnej średniej mocy wyjściowej, niezależnie od ustawionego napięcia wyjściowego.

Seria DCM zawiera zabezpieczenia przed zbyt niskim i nadmiernym napięciem wejściowym, nadmierną temperaturą, nadmiernym napięciem wyjściowym, nadmiernym prądem wyjściowym oraz zwarciem na wyjściu.

Przykłady kilku produktów DCM, w tym wszystkie trzy rozmiary obudów oraz zakres napięć wejściowych i zakresy mocy maksymalnej przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1: Charakterystyki powszechnie używanych przetwornic częstotliwości DCM ilustrują dostępny zakres napięć wejściowych, wyjściowych i poziomów mocy na potrzeby spełnienia szerokiego zakresu wymagań różnych zastosowań. (Źródło tabeli: Art Pini)

W tabeli zestawiono kluczowe cechy poszczególnych przykładowych przetwornic DCM i podano ich wymiary fizyczne. To jest niewielka próbka różnych dostępnych modeli DCM.

Typowe zastosowania

Przetwornice DCM mogą być stosowane pojedynczo, a większość z nich może również pracować równolegle. W przypadku ich użycia bez innych urządzeń, wyjście może zasilać wiele odbiorników, w tym nieizolowane regulatory w punkcie obciążenia (POL) (ilustracja 5).

Ilustracja 5: typowe zastosowanie przetwornicy DCM3623T75H06A6T00 do zasilania obciążenia bezpośredniego oraz nieizolowanego regulatora w punkcie obciążenia (POL). (Źródło ilustracji: Vicor)

Obwód jest nieskomplikowany. Komponenty L1, C1, R4, C4 i Cy tworzą wejściowy filtr zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Kondensator wyjściowy COut-Ext wraz z rezystorem ROut-Ext zapewniają stabilność pętli sterowania. Rezystor może mieć postać efektywnej rezystancji szeregowej (ESR) kondensatora o wartości około 10mΩ. Kondensator musi być fizycznie umieszczony blisko wtyków wyjściowych przetwornicy. Rdm, Lb, L2, oraz C2 tworzą filtr wyjściowy trybu różnicowego. Częstotliwość graniczna filtra jest ustawiona na jedną dziesiątą częstotliwości przełączania.

Większość przetwornic DCM może działać przy wyjściach połączonych równolegle (tryb układowy). Zwiększa to moc wyjściową dostarczaną do odbiornika dzięki połączeniu wyjść maksymalnie ośmiu modułów (ilustracja 6).

Ilustracja 6: obwód ilustruje równoległe działanie czterech przetwornic DCM zasilających wspólne obciążenie. (Źródło ilustracji: Vicor)

Komponenty zewnętrzne pełnią te same funkcje, jak w przykładzie z pojedynczą przetwornicą. W trybie układowym każdy moduł DCM musi widzieć minimalną wartość pojemności wyjściowej przed jakąkolwiek indukcyjnością szeregową i musi znajdować się bliżej poszczególnych przetwornic niż złącza wyjściowego. W układach, w których wszystkie („N”) moduły DCM są uruchamiane jednocześnie, maksymalna wartość pojemności wyjściowej może wynosić N razy Cout-Ext. Aby zapewnić stabilność i zminimalizować oscylacje komutacyjne, impedancja źródła zasilania musi być mniejsza od połowy impedancji wejściowej układu DCM.

Podsumowanie

W zastosowaniach motoryzacyjnych, w tym w pojazdach elektrycznych (EV) obserwuje się zauważalne przejście od scentralizowanych do zdecentralizowanych architektur sieci zasilających (PDN). Przetwornice prądu stałego niezbędne do spełnienia powiązanych wymagań w zakresie sprawności, gęstości mocy i wagi są trudne do zaprojektowania przy użyciu komponentów dyskretnych. Zamiast tego projektanci mogą skrócić czas projektowania i obniżyć koszty, stosując zasilacze modułowe z serii DCM firmy Vicor. Opisywane moduły wyposażono między innymi w wiodące obudowy typu ChiP (Converter Housed in Package) oraz VIA (Vicor Integrated Adapter), a innowacyjne topologie przełączania przy zerowym napięciu (ZVS) charakteryzują się skalowalnością i wszechstronnością, dzięki czemu mogą być używane w szerokiej gamie różnorodnych zastosowań.

Źródło: Wdrażanie innowacyjnych sieci zasilających z wykorzystaniem modułowych przetwornic mocy

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 14 marca 2024. Zapisz się już dziś!