Reti di distribuzione dell'energia innovative grazie ai convertitori di potenza modulari

Le reti di distribuzione dell'energia elettrica (PDN) per i veicoli elettrici (EV) stanno cambiando rapidamente. Le sorgenti di energia elettrica tradizionali, come le batteria al piombo-acido da 12 V, stanno lasciando il posto a quelle da 48 V o superiori. Allo stesso tempo, molti motori, pompe, sensori e attuatori funzionano ancora ai livelli di tensione tradizionali. Di conseguenza, le tensioni di livello superiore devono essere abbassate in modo efficiente e distribuite ai vari carichi. Per far tutto ciò, riducendo al minimo le cadute di tensione resistive e le perdite di potenza associate, i progettisti dei sistemi di alimentazione stanno passando da un approccio centralizzato (con un grande convertitore c.c./c.c. vicino alla sorgente) a un'architettura decentralizzata (in cui l'alta tensione viene distribuita ai convertitori di potenza vicino a ciascuno dei carichi a bassa tensione).

Questa PDN decentralizzata richiede alimentatori leggeri con un'alta densità di potenza, un'efficienza ottimale e un ingombro compatto. Sebbene l'utilizzo di componenti discreti convenzionali per la progettazione di questi convertitori possa essere allettante per ottimizzare un progetto, può anche essere scoraggiante.

C'è un'opzione migliore: i dispositivi modulari disponibili sul mercato da un fornitore con una vasta esperienza di progettazione e una varietà di soluzioni per i requisiti PDN, come l'intervallo della tensione di ingresso, la tensione di uscita, la potenza, la densità e l'efficienza.

Questo articolo illustra le esigenze di una moderna PDN e i tipici requisiti di alimentazione. L'articolo presenta anche alcuni esempi di soluzioni modulari di alimentazione di Vicor e mostra come si possono applicare alle PDN ad alte prestazioni e a costi contenuti.

Evoluzione della PDN

I veicoli elettrici e ibridi hanno bisogno della massima autonomia di guida e di tempi di ricarica minimi, fornendo al contempo una gamma completa di servizi a conducenti e passeggeri. Questi requisiti pongono l'accento su progetti efficienti e leggeri. Di conseguenza, i produttori automotive stanno passando da un'architettura PDN centralizzata a un'architettura zonale decentralizzata (Figura 1).

Figura 1: L'architettura centralizzata converte la tensione di sorgente in tensione di carico a 12 V vicino alla sorgente e la distribuisce a tutto il veicolo; l'architettura zonale decentralizzata distribuisce la tensione di sorgente a convertitori c.c./c.c. locali dove la tensione viene portata a 12 V il più vicino possibile al carico. (Immagine per gentile concessione di Vicor)

L'architettura centralizzata converte la sorgente da 48 V a 12 V tramite una "scatola d'argento", un grande convertitore c.c./c.c. che utilizza vecchie topologie di commutazione a modulazione della larghezza di impulso (PWM) a bassa frequenza. L'alimentazione viene quindi distribuita dalla scatola d'argento a 12 V. A parità di potenza erogata al carico, il livello di corrente a 12 V è quattro volte superiore a quello erogato con un potenziale di 48 V. Ciò significa che la perdita di potenza resistiva, proporzionale al quadrato della corrente, è 16 volte superiore.

D'altro canto, l'architettura zonale distribuisce la sorgente da 48 V alle zone locali, dove convertitori c.c./c.c. da 48 a 12 V più piccoli e più efficienti alimentano i carichi. Livelli di corrente più bassi richiedono conduttori e connettori con sezioni trasversali minori, con conseguente riduzione dei costi e del peso dei cablaggi. I convertitori locali sono posizionati più vicini al carico per ridurre al minimo la lunghezza del cablaggio di alimentazione a 12 V.

Nel sistema zonale, le sorgenti di calore sono ampiamente distribuite nelle zone del veicolo, anziché essere concentrate vicino alla sorgente stessa. Ciò migliora la dissipazione complessiva del calore, consentendo ai singoli convertitori di operare in ambienti a temperatura inferiore. Il risultato è una maggiore efficienza operativa e una maggiore affidabilità.

Progettare alimentatori PDN

Sebbene sia possibile creare il progetto di un convertitore PDN personalizzato utilizzando componenti discreti, la progettazione dell'alimentazione è complessa. Pochi ingegneri hanno le competenze o l'esperienza necessarie per soddisfare i requisiti applicativi e normativi. Un approccio modulare è un'opzione più semplice e migliore.

I progetti di PDN modulari dipendono dalla disponibilità di moduli di alimentazione che forniscano un'ampia gamma di funzioni legate all'alimentazione per dar vita ad architetture flessibili e scalabili (Figura 2).

Figura 2: I progetti di PDN modulari si affidano a un fornitore con un'ampia gamma di soluzioni per garantire flessibilità e scalabilità. (Immagine per gentile concessione di Vicor)

L'architettura PDN zonale di base (in alto a sinistra) distribuisce la sorgente di alimentazione a 48 V ai convertitori modulari c.c./c.c. locali, abbassando la tensione ai livelli richiesti. Se i requisiti di carico cambiano, è sufficiente passare a un modulo di potenza superiore (in alto al centro). L'aggiunta di un nuovo carico richiede semplicemente l'aggiunta di un altro convertitore modulare (in alto a destra). Non è necessario modificare la configurazione della sorgente.

La riduzione delle perdite del rail di alimentazione avviene con una piccola modifica dell'architettura fattorizzata (in basso a sinistra). L'architettura fattorizzata divide la regolazione della potenza e la trasformazione di tensione/corrente in due moduli separati. Il modulo di pre-regolazione (PRM) gestisce le funzioni di regolazione della tensione. La corrente del bus fattorizzata viene rilevata per regolare la tensione di uscita del rail. Il modulo di trasformazione della tensione (VTM), che agisce in modo simile a un trasformatore c.c., gestisce la riduzione della tensione/moltiplicazione della corrente. Il VTM è più piccolo di un modulo convertitore c.c./c.c. completo e può essere posizionato più vicino al carico per ridurre le perdite di resistenza. Inoltre, la sua bassa impedenza di uscita richiede condensatori di uscita più piccoli. Ciò significa che i condensatori ceramici più piccoli possono sostituire i condensatori a effetto di massa più grandi in prossimità del carico.

La necessità di una maggiore potenza può essere soddisfatta mettendo in parallelo più moduli convertitori (in basso al centro). Il passaggio a sorgenti di tensione più elevate, come 400 o 800 V, può avvenire aggiungendo un modulo step-down a rapporto fisso e un modulo convertitore bus (BCM) per ridurre la tensione di sorgente fino ai livelli del bus a tensione di sicurezza extrabassa (SELV) (in basso a destra). Si noti che il bus SELV è uno standard di sicurezza che specifica il limite massimo di tensione per i dispositivi elettrici per garantire la protezione dalle scosse elettriche. I livelli di tensione SELV sono generalmente inferiori a 53 V.

Questi esempi danno un'idea della flessibilità e della scalabilità dell'architettura zonale. Vicor offre un'ampia gamma di moduli convertitori con la serie DCM, adatti a queste diverse applicazioni. L'azienda è stata la prima a registrare progressi rivoluzionari nella progettazione dei moduli di potenza, tra cui i contenitore ChiP (Converter-housed-in-Package) e VIA (Vicor Integrated Adapter) (Figura 3).

Figura 3: Esempi di configurazioni fisiche ChiP e VIA della serie DCM. (Immagine per gentile concessione di Vicor)

Questi contenitori aumentano la densità di potenza di quattro volte rispetto alle configurazioni precedenti e riducono le perdite di potenza del 20%. Il contenitore ChiP utilizza strutture magnetiche montate su un substrato ad alta densità. Altri componenti sono montati con un layout fronte/retro per raddoppiare la densità di potenza. I componenti sono disposti in modo simmetrico all'interno del contenitore per migliorare le prestazioni termiche. Questo layout avanzato, insieme al materiale ottimizzato di miscela dello stampo, produce percorsi termici migliori. Il modulo ChiP presenta una bassa impedenza termica della superficie superiore e inferiore. Il raffreddamento può essere aumentato utilizzando dissipatori di calore termoaccoppiati alle superfici superiore e inferiore, nonché attraverso i collegamenti elettrici. Il modulo VIA aggiunge all'elemento strutturale di base "brick" un filtro integrato per le interferenze elettromagnetiche (EMI), una migliore regolazione della tensione di uscita e un'interfaccia di controllo secondaria.

Esempio di moduli di conversione c.c./c.c. serie DCM

La serie DCM è un esempio di convertitore c.c./c.c. regolato e isolato per uso generale. Lavorando con una sorgente non regolata ad ampio intervallo di tensione come ingresso, il convertitore genera un'uscita di potenza regolata in tensione a livelli fino a 1300 W con correnti di uscita fino a 46,43 A. Offre un isolamento fino a 4.242 V c.c. tra ingresso e uscita. L'isolamento si riferisce all'isolamento galvanico, ossia all'assenza di flusso di corrente diretto tra l'ingresso e l'uscita. Questo isolamento può essere richiesto dalle norme di sicurezza se le tensioni di ingresso possono essere dannose per le persone. L'uscita flottante rispetto all'ingresso consente inoltre di invertire o spostare la polarità dell'uscita.

La famiglia DCM utilizza una topologia di commutazione a tensione zero (ZVS), che riduce le elevate perdite di accensione comuni ai convertitori PWM convenzionali grazie al soft-switching dei dispositivi di potenza. La ZVS consente di operare a una frequenza e a tensioni di ingresso più elevate senza sacrificare l'efficienza. Questi convertitori funzionano a frequenze di commutazione che vanno da 500 kHz a quasi 1 MHz. L'utilizzo di questa elevata frequenza di commutazione riduce anche le dimensioni dei componenti magnetici e capacitivi di immagazzinaggio dell'energia associati, migliorando la densità di potenza. Si possono raggiungere densità di potenza fino a 76 W/cm³ ed efficienze fino al 96%.

La serie DCM è disponibile in tre formati: DCM2322, DCM3623 e DCM4623, con intervalli della tensione di ingresso e livelli di potenza di uscita sovrapposti (Figura 4).

Figura 4: Lo schema mostra le caratteristiche elettriche dei convertitori c.c./c.c. serie DCM, compresi gli intervalli di tensione di ingresso e di uscita. (Immagine per gentile concessione di Vicor)

Gli intervalli della tensione di ingresso delle tre famiglie di convertitori coprono da 9 a 420 V con uscite SELV in passi che vanno da 3 a 52,8 V c.c. I limiti della tensione di uscita possono essere regolati in un intervallo compreso tra -40% e +10% della tensione di uscita nominale. Le uscite hanno un limite di corrente pienamente operativo per mantenere il convertitore all'interno della sua area di funzionamento sicura, basata sulla massima potenza media in uscita, indipendentemente dall'impostazione della tensione di uscita.

La serie DCM include la protezione dai guasti per sottotensione e/o sovratensione in ingresso, sovratemperatura, sovratensione in uscita, sovracorrente in uscita e cortocircuito in uscita.

Nella Tabella 1 sono riportati esempi di diversi prodotti DCM, che comprendono tutti e tre i formati del contenitore e un intervallo di tensioni di ingresso e potenze massime.

Tabella 1: Le caratteristiche dei convertitori DCM comunemente utilizzati illustrano l'intervallo di tensioni di ingresso, tensioni di uscita e livelli di potenza disponibili per soddisfare un'ampia gamma di requisiti applicativi. (Tabella per gentile concessione di Art Pini)

La tabella riassume le caratteristiche principali di ciascun tipo di convertitore DCM e ne fornisce le dimensioni fisiche. Questo è solo un esempio della varietà di modelli DCM disponibili.

Applicazioni tipiche

I convertitori DCM possono essere applicati singolarmente e la maggior parte può funzionare anche in parallelo. Se utilizzato da solo, l'uscita può alimentare più carichi, compresi i regolatori punto di carico (PoL) non isolati (Figura 5).

Figura 5: Applicazione tipica di DCM3623T75H06A6T00 che comanda un carico diretto e un regolatore PoL non isolato. (Immagine per gentile concessione di Vicor)

Il circuito è semplice. I componenti L1, C1, R4, C4 e Cy formano il filtro EMI di ingresso. Il condensatore di uscita C_Out-Ext, insieme a R_Out-Ext, garantisce la stabilità del circuito di controllo. Il resistore può essere la resistenza equivalente in serie (ESR) del condensatore, con un valore di circa 10 mΩ. Il condensatore deve essere collocato fisicamente vicino ai pin di uscita del convertitore. R_dm, L_b, L_{2 e} C₂ formano un filtro di uscita in modo differenziale. La frequenza di taglio del filtro è impostata su un decimo della frequenza di commutazione.

La maggior parte dei convertitori DCM può funzionare con le uscite in parallelo (modalità array). Ciò aumenta la potenza erogata al carico combinando le uscite di un massimo di otto moduli (Figura 6).

Figura 6: Il circuito mostra il funzionamento in parallelo di quattro convertitori DCM che comandano un carico comune. (Immagine per gentile concessione di Vicor)

I componenti esterni svolgono le stesse funzioni dell'esempio del convertitore singolo. In modalità array, ogni modulo DCM deve vedere un valore minimo di capacità di uscita prima di qualsiasi induttanza in serie e deve essere posizionato più vicino al singolo convertitore che alla giunzione di uscita. Negli array in cui tutti gli "N" moduli DCM vengono avviati contemporaneamente, il valore massimo della capacità di uscita può essere pari a N moltiplicato per C_out-Ext. Inoltre, per garantire la stabilità e ridurre al minimo la sovraoscillazione, l'impedenza della sorgente di alimentazione deve essere inferiore alla metà dell'impedenza di ingresso dell'array DCM.

Conclusione

Applicazioni come i veicoli e gli EV stanno vedendo uno spostamento dalle architetture PDN centralizzate a quelle decentralizzate. I convertitori c.c./c.c. necessari per soddisfare i requisiti di efficienza, densità di potenza e peso sono difficili da progettare utilizzando componenti discreti. I progettisti possono invece ridurre tempi e costi utilizzando le soluzioni di alimentazione modulare serie DCM di Vicor. Come dimostrato, questi moduli sono all'avanguardia in contenitori avanzati come ChiP e VIA, e le innovative topologie ZVS sono scalabili e versatili, in grado di soddisfare un'ampia gamma di applicazioni diversificate.