Bereitstellung innovativer Netzwerke zur Energieversorgung mit modularen Leistungswandlern

Die Stromversorgungsnetze (PDNs) für Elektrofahrzeuge (EVs) verändern sich schnell. Herkömmliche Stromquellen wie die 12-Volt-Blei-Säure-Batterie weichen Stromquellen mit 48 Volt oder mehr. Gleichzeitig arbeiten viele Motoren, Pumpen, Sensoren und Aktuatoren noch immer mit herkömmlichen Spannungswerten. Folglich müssen die übergeordneten Spannungen effizient gesenkt und auf die verschiedenen Verbraucher verteilt werden. Um dies zu erreichen und gleichzeitig den ohmschen Spannungsabfall und die damit verbundenen Leistungsverluste zu minimieren, werden Stromversorgungssysteme von einem zentralisierten Ansatz (mit einem großen DC/DC-Wandler in der Nähe der Quelle) zu einer dezentralisierten Architektur umgestellt (bei der eine hohe Spannung auf Leistungswandler in der Nähe der einzelnen Verbraucher mit niedrigerer Spannung verteilt wird).

Dieses dezentrale PDN erfordert leichte Netzteile mit hoher Leistungsdichte, optimalem Wirkungsgrad und geringem Platzbedarf. Obwohl die Verwendung konventioneller diskreter Komponenten für die interne Entwicklung dieser Wandler verlockend sein kann, um ein Design zu optimieren, kann dies auch eine entmutigende Aufgabe sein.

Es gibt eine bessere Option: modulare Standardgeräte aus einer Quelle mit umfassender Entwicklungserfahrung und einer Vielzahl von Lösungen für PDN-Anforderungen wie Eingangsspannungsbereich, Ausgangsspannung, Leistung, Dichte und Effizienz.

In diesem Artikel werden die Anforderungen an ein modernes PDN und die typischen Anforderungen an die Stromversorgung erläutert. Der Artikel stellt außerdem beispielhafte modulare Stromversorgungslösungen von Vicor vor und zeigt, wie diese für leistungsfähige und kostengünstige PDNs eingesetzt werden können.

PDN-Evolution

Elektro- und Hybridfahrzeuge benötigen eine maximale Reichweite und eine minimale Ladezeit, während sie gleichzeitig eine ganze Reihe von Diensten für Fahrer und Passagiere bieten. Diese Anforderungen legen den Schwerpunkt auf effiziente, leichte Konstruktionen. Folglich gehen die Fahrzeughersteller von einer zentralisierten PDN-Architektur zu einer dezentralisierten zonalen Architektur über (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die zentralisierte Architektur wandelt die Quellenspannung in die 12-Volt-Lastspannung in der Nähe der Quelle um und verteilt sie im gesamten Fahrzeug; die dezentralisierte zonale Architektur verteilt die Quellenspannung auf lokale DC/DC-Wandler, wo die Spannung so nah wie möglich an der Last auf 12 Volt reduziert wird. (Bildquelle: Vicor)

Die zentralisierte Architektur wandelt die 48 Volt der Quelle über eine „silberne Box“, einen großen DC/DC-Wandler, der ältere, niederfrequente PWM-Schalttopologien (PWM: Pulsweitenmodulation) verwendet, in 12 Volt um. Der Strom wird dann von der silbernen Box mit 12 Volt verteilt. Bei einer gegebenen Leistung, die an die Last abgegeben wird, ist die Stromstärke bei 12 Volt viermal so hoch wie bei 48 Volt. Das bedeutet, dass die ohmsche Verlustleistung, die proportional zum Quadrat des Stroms ist, 16-mal höher ist.

Andererseits verteilt die zonale Architektur die 48 Volt der Quelle auf die lokalen Zonen, wo kleinere, effizientere 48-zu-12-Volt-DC/DC-Wandler die Verbraucher versorgen. Geringere Stromstärken erfordern kleinere Leiter- und Steckerquerschnitte, was zu kostengünstigeren und leichteren Kabelbäumen führt. Die lokalen Wandler werden näher an der Last platziert, um die Länge der 12-Volt-Leitungen zu minimieren.

Beim Zonensystem sind die Wärmequellen weit über die Zonen des Fahrzeugs verteilt und nicht in der Nähe der Quelle konzentriert. Dadurch wird die Wärmeableitung insgesamt verbessert, so dass die einzelnen Wandler in Umgebungen mit niedrigeren Temperaturen arbeiten können. Das Ergebnis ist eine höhere Betriebseffizienz und größere Zuverlässigkeit.

Entwicklung von PDN-Stromversorgungen

Obwohl es möglich ist, ein kundenspezifisches PDN-Wandlerdesign mit diskreten Komponenten zu erstellen, ist das Design der Stromversorgung eine gewaltige Aufgabe. Nur wenige Ingenieure verfügen über die erforderlichen Fähigkeiten oder Erfahrungen, um die Anforderungen der Anwendung und der Vorschriften zu erfüllen. Ein modularer Ansatz ist eine einfachere und bessere Option.

Modulare PDN-Designs hängen von der Verfügbarkeit eines Bestands an Stromversorgungsmodulen ab, die eine breite Palette an stromversorgungsbezogenen Funktionen bieten, um flexible und skalierbare Architekturen zu ermöglichen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Modulare PDN-Designs setzen auf einen Anbieter mit einer Vielzahl von Lösungen, um Flexibilität und Skalierbarkeit zu gewährleisten. (Bildquelle: Vicor)

Die grundlegende zonale PDN-Architektur (oben links) verteilt die 48 Volt auf lokale modulare DC/DC-Wandler, die die Spannung auf die erforderlichen Werte absenken. Ändern sich die Lastanforderungen, erfolgt ein einfaches Upgrade auf ein Modul mit höherer Nennleistung (oben Mitte). Das Hinzufügen einer neuen Last erfordert lediglich das Hinzufügen eines weiteren modularen Wandlers (oben rechts). Es besteht keine Notwendigkeit, die Quellenkonfiguration zu ändern.

Eine Reduzierung der Stromschienenverluste kann durch eine geringfügige Änderung der faktorisierten Architektur erreicht werden (unten links). Die faktorisierte Architektur teilt die Leistungsregelung und die Spannungs-/Stromwandlung in zwei separate Module auf. Das Vorreglermodul (PRM) verwaltet die Funktionen der Spannungsregelung. Der faktorisierte Busstrom wird erfasst, um die Ausgangsspannung der Schiene zu regeln. Das Spannungswandlermodul (VTM), das ähnlich wie ein Gleichstromwandler funktioniert, sorgt für die Spannungsreduzierung/Stromvervielfachung. Der VTM ist kleiner als ein komplettes DC/DC-Wandlermodul und kann näher an der Last platziert werden, um Widerstandsverluste zu reduzieren. Außerdem erfordert seine niedrige Ausgangsimpedanz kleinere Ausgangskondensatoren. Das bedeutet, dass kleinere Keramikkondensatoren größere Kondensatoren in der Nähe der Last ersetzen können.

Der Bedarf an größerer Leistung kann durch Parallelschaltung mehrerer Wandlermodule gedeckt werden (unten Mitte). Die Aktualisierung auf höhere Spannungsquellen, wie 400 oder 800 Volt, kann durch Hinzufügen eines Abwärtswandlermoduls mit festem Verhältnis und eines Buskonvertermoduls (BCM) erfolgen, um die Quellenspannung auf sichere extraniedrige Spannungspegel (SELV-Buspegel) zu reduzieren (unten rechts). Beachten Sie, dass der SELV-Bus eine Sicherheitsnorm ist, die die maximale Spannungsgrenze für elektrische Geräte festlegt, um die Sicherheit vor elektrischen Schlägen zu gewährleisten. SELV-Spannungspegel liegen im Allgemeinen unter 53 Volt.

Diese Beispiele geben einen Einblick in die Flexibilität und Skalierbarkeit, die mit der zonalen Architektur möglich ist. Vicor bietet mit seiner DCM-Serie eine breite Palette von Wandlermodulen an, die für diese unterschiedlichen Anwendungen geeignet sind. Das Unternehmen leistete Pionierarbeit bei mehreren revolutionären Fortschritten in der Entwicklung von Leistungsmodulen, darunter die Modultechnologien ChiP (Converter housed in Package) und VIA (Vicor Integrated Adapter) (Abbildung 3).

Abbildung 3: Beispiele für die physischen Konfigurationen ChiP und VIA der DCM-Serie. (Bildquelle: Vicor)

Diese Module erhöhen die Leistungsdichte im Vergleich zu früheren Modulkonfigurationen um das Vierfache und verringern gleichzeitig die Leistungsverluste um 20 %. Das ChiP verwendet magnetische Strukturen, die durch ein hochdichtes Substrat hindurch montiert sind. Andere Komponenten werden in einem zweiseitigen Layout montiert, um die Leistungsdichte zu verdoppeln. Die Komponenten sind symmetrisch im Gehäuse angeordnet, um die thermische Leistung zu verbessern. Dieses moderne Layout führt in Verbindung mit optimiertem Formmassenmaterial zu verbesserten Wärmepfaden. Das ChiP-Modul hat eine niedrige thermische Impedanz an der Ober- und Unterseite. Die Kühlung kann durch Kühlkörper, die thermisch mit der Ober- und Unterseite verbunden sind, sowie durch die elektrischen Anschlüsse verbessert werden. Das VIA-Modul fügt dem grundlegenden „Brick“-Strukturelement eine integrierte Filterung elektromagnetischer Störungen (EMI), eine bessere Ausgangsspannungsregelung und eine sekundäre Steuerschnittstelle hinzu.

Beispiel: DC/DC-Wandlermodule der Serie DCM

Die DCM-Serie ist ein Beispiel für einen geregelten und isolierten DC/DC-Wandler für allgemeine Zwecke. Ausgehend von einer ungeregelten Weitspannungsquelle als Eingang erzeugt der Wandler eine spannungsgeregelte Ausgangsleistung von bis zu 1300 Watt bei Ausgangsströmen von bis zu 46,43 Ampere (A). Er bietet eine DC-Isolation von bis zu 4242 Volt zwischen Eingang und Ausgang. Die Isolierung bezieht sich auf die galvanische Trennung, was bedeutet, dass kein Strom direkt zwischen Eingang und Ausgang fließt. Diese Isolierung kann durch Sicherheitsnormen vorgeschrieben sein, wenn die Eingangsspannungen für Menschen schädlich sein könnten. Die Tatsache, dass der Ausgang im Verhältnis zum Eingang potentialfrei ist, ermöglicht auch eine Umkehrung oder Verschiebung der Ausgangspolarität.

Die DCM-Familie verwendet eine spannungslose Schalttopologie (ZVS), die die hohen Einschaltverluste, die bei herkömmlichen PWM-Wandlern üblich sind, durch sanftes Schalten der Leistungsbauteile reduziert. ZVS ermöglicht den Betrieb mit höherer Frequenz und höheren Eingangsspannungen ohne Einbußen beim Wirkungsgrad. Diese Wandler arbeiten mit Schaltfrequenzen im Bereich von 500 Kilohertz (kHz) bis nahezu 1 Megahertz (MHz). Durch diese hohe Schaltfrequenz wird auch die Größe der zugehörigen magnetischen und kapazitiven Energiespeicherkomponenten verringert, was die Leistungsdichte verbessert. Es sind Leistungsdichten und Wirkungsgrade von bis zu 1244 Watt pro Kubikzoll (W/in³) bzw. 96 % erreichbar.

Die DCM-Serie ist in drei Gehäusegrößen erhältlich: DCM2322, DCM3623 und DCM4623, mit sich überschneidenden Eingangsspannungsbereichen und Ausgangsleistungspegeln (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die Grafik zeigt eine Zusammenfassung der elektrischen Eigenschaften der DC/DC-Wandler der Serie DCM, einschließlich der Eingangs- und Ausgangsspannungsbereiche. (Bildquelle: Vicor)

Die Eingangsspannungsbereiche der drei Wandlerfamilien reichen von 9 bis 420 Volt mit SELV-Ausgängen in Stufen von 3 bis 52,8 Volt DC. Die Ausgangsspannungsgrenzen können im Bereich von -40% bis +10% der Nennausgangsspannung getrimmt werden. Die Ausgänge verfügen über eine voll funktionsfähige Strombegrenzung, um den Wandler innerhalb seines sicheren Betriebsbereichs zu halten, basierend auf der maximalen durchschnittlichen Ausgangsleistung, unabhängig von der Ausgangsspannungseinstellung.

Die DCM-Serie umfasst einen Fehlerschutz für Unter- und/oder Überspannung am Eingang, Übertemperatur, Überspannung am Ausgang, Überstrom am Ausgang und Kurzschluss am Ausgang.

Beispiele für verschiedene DCM-Produkte, darunter alle drei Gehäusegrößen und eine Reihe von Eingangsspannungs- und Höchstleistungsbereichen, sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1: Die Merkmale gängiger DCM-Wandler veranschaulichen den Bereich der Eingangsspannung, der Ausgangsspannung und der Leistungsstufen, die für eine Vielzahl von Anwendungsanforderungen zur Verfügung stehen. (Tabellenquelle: Art Pini)

In der Tabelle sind die wichtigsten Merkmale der einzelnen DCM-Wandlerbeispiele zusammengefasst und ihre Abmessungen angegeben. Dies ist nur ein kleiner Ausschnitt aus der Vielfalt der verfügbaren DCM-Modelle.

Typische Anwendungen

Die DCM-Wandler können einzeln eingesetzt werden, die meisten können auch parallel betrieben werden. Bei alleiniger Verwendung kann der Ausgang mehrere Lasten speisen, einschließlich nicht isolierter Lastpunktregler (POL) (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die Abbildung zeigt eine typische Anwendung des DCM3623T75H06A6T00, die sowohl eine direkte Last als auch einen nicht isolierten POL-Regler ansteuert. (Bildquelle: Vicor)

Die Schaltung ist sehr einfach. Die Komponenten L1, C1, R4, C4 und Cy bilden den EMI-Eingangsfilter. Der Ausgangskondensator C_Out-Ext sorgt zusammen mit R_Out-Extfür die Stabilität der Regelschleife. Der Widerstand kann der effektive Serienwiderstand (ESR) des Kondensators sein, mit einem Wert von etwa 10 Milliohm (mΩ). Der Kondensator muss sich in der Nähe der Ausgangspins des Wandlers befinden. R_dm, L_b, L₂, and C₂ bilden einen Ausgangsfilter im Differenzmodus. Die Grenzfrequenz des Filters wird auf ein Zehntel der Schaltfrequenz eingestellt.

Die meisten DCM-Wandler können mit parallel geschalteten Ausgängen arbeiten (Array-Modus). Dadurch wird die an die Last abgegebene Leistung erhöht, indem die Ausgänge von bis zu acht Modulen kombiniert werden (Abbildung 6).

Abbildung 6: Der Schaltkreis zeigt den parallelen Array-Betrieb von acht DCM-Wandlern, die eine gemeinsame Last ansteuern. (Bildquelle: Vicor)

Die externen Komponenten erfüllen die gleichen Funktionen wie im Beispiel des Einzelwandlers. Im Array-Modus muss jedes DCM-Modul einen Mindestwert der Ausgangskapazität vor jeder Serieninduktivität aufweisen und näher am einzelnen Wandler als am Ausgangsanschluss liegen. In Arrays, in denen alle „n“ DCM-Module gleichzeitig gestartet werden, kann der Höchstwert der Ausgangskapazität bis zum n-fachen von C_out-Ext betragen. Außerdem muss die Impedanz der Stromquelle weniger als die Hälfte der Eingangsimpedanz des DCM-Arrays betragen, um die Stabilität zu gewährleisten und das Klingeln zu minimieren.

Fazit

Bei Anwendungen wie Fahrzeugen und Elektrofahrzeugen findet eine deutliche Verlagerung von zentralisierten zu dezentralen PDN-Architekturen statt. Die DC/DC-Wandler, die erforderlich sind, um die damit verbundenen Anforderungen an Effizienz, Leistungsdichte und Gewicht zu erfüllen, lassen sich nur schwer mit diskreten Bauteilen entwickeln. Stattdessen können modulare Stromversorgungslösungen der DCM-Serie von Vicor verwendet werden, um Zeit und Kosten zu sparen. Wie gezeigt, stehen diese Module an der Spitze moderner Module wie ChiP und VIA, und die innovativen ZVS-Topologien sind skalierbar und vielseitig und eignen sich für eine breite Palette unterschiedlicher Anwendungen.