Utilizzare un convertitore di potenza c.a./c.c. raffreddato a contatto per applicazioni in condizioni difficili

Con la proliferazione dei dispositivi elettronici, i progettisti di dispositivi di alimentazione e di convertitori c.a./c.c. per ambienti difficili devono affrontare requisiti sempre più impegnativi in termini di prestazioni, ambiente e confezionamento. Sebbene il ruolo di un convertitore di potenza collegato alla linea non sia cambiato in modo sostanziale, per renderlo pienamente funzionale sul campo sono necessarie ulteriori considerazioni.

La prima è il problema del raffreddamento, perché anche un alimentatore efficiente emette calore. Il progettista deve pertanto considerare i requisiti elettrici e di forma a livello di sistema. Inoltre, il convertitore deve incorporare funzionalità che semplifichino la progettazione e proteggano il convertitore, l'utente e il carico da eventi avversi.

Questo articolo esamina brevemente le sfide che devono affrontare i progettisti di sistemi di alimentazione destinati agli ambienti difficili. Presenta quindi una famiglia di convertitori c.a./c.c. da 504 W, raffreddati a contatto, di Advanced Energy e mostra come possono affrontare queste sfide.

Iniziare con il problema del raffreddamento

Salvo rare eccezioni, i progettisti che incorporano un convertitore c.a./c.c. in un sistema devono anche stabilire come dissipare il calore generato. Anche se i convertitori moderni sono relativamente efficienti, in genere dall'80% al 90% o più, il calore viene comunque generato e deve essere eliminato per garantire che l'alimentatore non si surriscaldi, compromettendo così le prestazioni e l'affidabilità.

La fisica termica mostra che esistono tre modi per dissipare il calore (Figura 1):

1. Conduzione, tramite contatto diretto tra due superfici solide
2. Convezione, da parte di un fluido in movimento, che può essere aria o liquido
3. Irraggiamento, come energia elettromagnetica (principalmente infrarossa), che può verificarsi nel vuoto

Figura 1: L'energia termica può essere dissipata per conduzione, convezione o irraggiamento. (Immagine per gentile concessione di Nuclear Power)

Il raffreddamento per irraggiamento è generalmente inadeguato per i sistemi elettronici, in quanto trasferisce solo una quantità relativamente piccola di calore. Tuttavia, l'irraggiamento è fondamentale per i veicoli spaziali che devono diffondere il calore nel vuoto dello spazio.

La maggior parte dei progettisti preferisce affrontare la propria strategia di raffreddamento utilizzando la convezione di flusso d'aria non forzata (naturale) o forzata da un ventilatore, con l'aria che passa attraverso le aperture e le bocchette dell'unità di conversione. Questo metodo di raffreddamento è relativamente economico e facile da valutare.

Tuttavia, l'approccio del raffreddamento per convezione non è pratico in molte installazioni reali. Il convertitore deve trovarsi all'interno dell'involucro sigillato con grado di protezione dalle infiltrazioni (IP) dell'applicazione per una protezione completa da acqua, pioggia, polvere e altri agenti contaminanti. Inoltre, la maggior parte dei convertitori standard non è fisicamente disposta o imballata per il raffreddamento per conduzione.

La progettazione deve cambiare quando il raffreddamento deve avvenire esclusivamente per conduzione termica dall'involucro del convertitore a una superficie adiacente. Spesso si tratta di raffreddamento a contatto o a parete fredda. La speciale concezione del confezionamento della famiglia di convertitori di potenza Artesyn AIF500 di Advanced Energy (Figura 2) è un buon esempio di questo approccio.

Figura 2: I convertitori di potenza Artesyn AIF500 utilizzano il raffreddamento a contatto o a parete fredda. (Immagine per gentile concessione di Advanced Energy)

Queste unità a profilo ribassato sono montate su una scheda CS. Hanno un ingombro di 116,84 × 60,96 × 13,95 mm e un peso di 260 grammi.

Sono progettati principalmente per i requisiti di alimentazione RF Remote Radio Head (RRH) delle applicazioni telco 5G. Sono adatti anche per display e applicazioni industriali e il loro tempo medio tra guasti (MTBF) è di oltre un milione di ore.

I moduli sono progettati per il raffreddamento a contatto tramite una piastra base (Figura 3) e sono in grado di erogare l'intera potenza nominale in un ampio intervallo di temperatura della piastra base, da -40 °C a +100 °C.

Figura 3: I moduli AIF500 sono progettati per il raffreddamento per conduzione attraverso la piastra base posta a diretto contatto con una superficie più fredda. (Immagine per gentile concessione di Advanced Energy)

Scegliere un convertitore di potenza

La scelta di un convertitore di potenza inizia con i requisiti di prestazione fondamentali. Tra questi, la capacità di fornire una tensione di uscita costante al carico nonostante le variazioni di tensione di linea allo stato stazionario, i transitori di tensione, le variazioni della domanda di carico e gli sbalzi di temperatura ambiente.

Le unità AIF500 completamente incapsulate funzionano da 90 V_c.a. a 264 V_c.a.. Le opzioni includono AIF42BAC-01N con uscita fissa a 12 V/42 A e AIF11WAC-01N con uscita fissa a 48 V/10,5 A. Il tempo di avvio a piena uscita, un parametro importante in molte applicazioni, è di 3,5 secondi, mentre la regolazione della linea è di ±0,2% e quella del carico di ±4%.

Oltre a un ampio ingresso di linea c.a. e a un'uscita c.c. ben regolata, i convertitori AIF500 incorporano anche funzioni di protezione come il blocco di sottotensione (UVLO), la protezione da sovratensione (OVP) e la protezione da sovracorrente (OCP). La limitazione interna della corrente di inserzione riduce al minimo la circuiteria esterna necessaria per prevenire i danni causati da sovracorrenti transitorie all'avvio.

Inoltre, i convertitori sono approvati per soddisfare gli standard di sicurezza EN, UL, Canada UL, IEC e EN 62368-1 e recano i marchi di sicurezza CE e UKCA. Queste certificazioni sono state ottenute anche grazie al loro isolamento multiplo di 4.000 V_c.c. da ingresso a uscita, 2.500 V_c.c. da ingresso a piastra base e 100 V_c.c. da uscita a piastra base.

I requisiti normativi e le buone pratiche ingegneristiche richiedono la riduzione al minimo del carico termico per il funzionamento ad alta efficienza. Questi convertitori offrono un'efficienza superiore al 90% quando funzionano a metà della potenza di uscita nominale o più. Ad esempio, l'unità a 12 V che funziona con una linea a 230 V_c.a. ha un'efficienza superiore al 93% con una potenza di uscita di 300 W o superiore (Figura 4). Al di sopra dei 300 W, il fattore di potenza (PF) supera lo 0,99, ben oltre i requisiti normativi.

Figura 4: L'efficienza di conversione di potenza di AIF500 è superiore al 90% quando funziona oltre il valore di carico medio, il che riduce la dissipazione termica e soddisfa i requisiti normativi. (Immagine per gentile concessione di Advanced Energy)

Aggiungere caratteristiche e funzioni a livello di sistema

I convertitori di oggi devono offrire funzionalità che vadano oltre i due fili per l'ingresso c.a., i due fili per l'uscita c.c. e i due conduttori per il telerilevamento. Devono anche integrarsi a livello di sistema con connessioni e funzioni aggiuntive.

Ad esempio, i convertitori AIF500 hanno un'uscita diretta a linea singola "Unit Good" e un ingresso a livello TTL per l'abilitazione remota. Quando non sono abilitati, la loro potenza di standby è di 5 W. Questi segnali di controllo sono solo un punto di partenza per la connettività, poiché i convertitori includono anche un'interfaccia PMBus.

Tra le altre caratteristiche, l'uscita ausiliaria sempre accesa a tensione fissa da 8 V_c.c. a 11 V_c.c. a 250 mA, che supporta piccoli carichi critici.

La configurazione del convertitore a unità singola richiede solo un filtro esterno per le interferenze elettromagnetiche (EMI), un condensatore di mantenimento e un condensatore di uscita.

Per le applicazioni in cui la corrente di uscita di una singola unità AIF500 è insufficiente, le unità supportano la condivisione attiva della corrente, che estende la configurazione a unità singola a un massimo di dieci unità con semplici interconnessioni tra le unità (Figura 5). Questa disposizione in parallelo richiede solo l'aggiunta di condensatori di mantenimento e di uscita per la seconda unità (e per ogni unità aggiuntiva); non sono necessari altri componenti.

Figura 5: Una singola unità AIF500 richiede solo pochi componenti esterni per il funzionamento (in alto); possono essere collegati in parallelo fino a 10 unità se è necessaria una corrente di uscita più elevata (in basso). (Immagine per gentile concessione di Advanced Energy)

Il PMBus offre un'interfaccia grafica utente (GUI), che semplifica il controllo e il monitoraggio di uno o più moduli quando il progetto è in fase di sviluppo e durante la distribuzione dell'applicazione. Fornisce informazioni su tensioni, correnti e sullo stato dei principali parametri operativi e dei punti fisici.

Conclusione

Un convertitore c.a./c.c. robusto inizia con un progetto solido, ma il raffreddamento adeguato è sempre un problema, soprattutto nelle installazioni esposte all'ambiente. La famiglia di convertitori Artesyn AIF500, interamente chiusa, è progettata per funzionare con specifiche fino a +100 °C su piastre base, utilizzando il raffreddamento a contatto. Queste unità offrono prestazioni superiori e includono funzioni e caratteristiche aggiuntive, come l'interfaccia PMBus, che consentono loro di funzionare come convertitori compatibili con il sistema, non come semplici fonti essenziali di uscite c.c. regolate.