Implementere innovative strømforsyningsnettverk ved å bruke modulære strømomformere

Strømforsyningsnettverk (PDN – Power Delivery Network) for elbiler (EV – electric vehicle) endrer seg raskt. Tradisjonelle elektriske strømkilder, for eksempel blysyrebatteriet på 12 V, baner vei for kilder på 48 V eller høyere. Samtidig drives mange motorer, pumper, sensorer og aktuatorer fortsatt på tradisjonelle spenningsnivåer. Som et resultat, må høyere spenninger reduseres effektivt og distribueres til disse forskjellige lastene. For å oppnå dette, samtidig som resistive spenningsfall og tilknyttet strømtap minimeres, beveger strømsystemarkitektene seg fra en sentralisert tilnærming (med en stor DC–DC-omformer nær kilden) til en desentralisert arkitektur (der høy spenning distribueres til strømomformere nær hver av lastene med lavere spenning).

Dette desentraliserte strømforsyningsnettverket (PDN) krever lette strømforsyninger med høy effekttetthet, optimal virkningsgrad og liten størrelse. Selv om det kan være fristende å bruke konvensjonelle frittstående komponenter til å utvikle disse omformerne internt for å optimalisere en konstruksjon, kan det også være en utfordrende oppgave.

Det finnes et bedre alternativ: Modulære enheter fra en kilde med omfattende konstruksjonserfaring og en rekke løsninger for kravene til strømforsyningsnettverk, slik som inngangsspenningsområde, utgangsspenning, strøm, tetthet og virkningsgrad.

Denne artikkelen tar for seg behovene til et moderne strømforsyningsnettverk og typiske strømforsyningskrav. Artikkelen introduserer også eksempler på modulære strømforsyningsløsninger fra Vicor, og viser hvordan disse kan brukes for kostnadseffektive strømforsyningsnettverk med høy ytelse.

Utviklingen av strømforsyningsnettverk

Elektriske og hybridelektriske kjøretøy trenger maksimal rekkevidde og minimal ladetid, samtidig som de tilbyr et komplett utvalg av tjenester til sjåfører og passasjerer. Disse kravene legger vekt på effektive, lette konstruksjoner. Derfor beveger kjøretøyprodusenter seg vekk fra en sentralisert strømforsyningsnettverk-arkitektur og over til en desentralisert soneinndelt arkitektur (figur 1).

Figur 1: Den sentraliserte arkitekturen konverterer kildespenningen til den 12-volts lastespenningen nær kilden, og distribuerer den gjennom hele kjøretøyet. Den desentraliserte soneinndelte arkitekturen distribuerer kildespenningen til lokale DC–DC-omformere, der spenningen faller til 12 volt så nær lasten som mulig. (Bildekilde: Vicor)

Den sentraliserte arkitekturen konverterer den 48-volts kilden til 12 volt via en «sølvboks», som er en stor DC–DC-omformer som bruker eldre, lavfrekvente vekslingstopologier med pulsbreddemodulasjon (PWM). Strømmen distribueres deretter fra sølvboksen ved 12 volt. For en gitt effekt som forsynes til lasten, er strømnivået ved 12 volt fire ganger større enn strømmen som forsynes under et 48-volts potensial. Dette betyr at det resistive effekttapet, som er proporsjonalt med kvadratet av strømmen, er 16 ganger høyere.

På den annen side distribuerer sonearkitekturen 48-volts-kilden til de lokale sonene, der mindre 48- til 12-volts DC–DC-omformere med høyere virkningsgrad driver lastene. Lavere strømnivåer krever mindre leder- og kontakttverrsnitt, noe som resulterer i kabelsett som er billigere og lettere. De lokale omformerne er plassert nærmere lasten for å minimere lengden på de 12-volts strømledningene.

I sonesystemet er varmekilder bredt fordelt i kjøretøyets soner, i stedet for å være konsentrert nær kilden. Dette forbedrer den generelle varmeavledningen, slik at de enkelte omformerne kan fungere i miljøer med lavere temperatur. Resultatet er høyere driftsvirkningsgrad og økt pålitelighet.

Konstruksjon av PDN-strømforsyninger

Selv om det er mulig å lage en egendefinert PDN-omformer ved å bruke frittstående komponenter, er konstruksjon av strømforsyninger en formidabel oppgave. Få teknikere har den nødvendige kompetansen eller erfaringen til å oppfylle kravene til bruksområdet og forskriftene. En modulær tilnærming er et enklere, bedre alternativ.

Modulære PDN-konstruksjoner avhenger av at et strømmodulinventar som tilbyr et bredt utvalg av strømrelaterte funksjoner for å muliggjøre fleksible og skalerbare arkitekturer, er tilgjengelig (figur 2).

Figur 2: Modulære PDN-konstruksjoner er avhengige av en leverandør som har et bredt utvalg av løsninger for å sikre fleksibilitet og skalerbarhet. (Bildekilde: Vicor)

Den grunnleggende soneinndelte PDN-arkitekturen (øverst til venstre) distribuerer den 48-volts strømkilden til lokale DC–DC-modulomformere, og reduserer spenningen til de nødvendige nivåene. Hvis det er en endring i lastkravene, kan en enkel oppgradering til en modul med høyere effektklassifisering gjøres (øverst i midten). Når en ny last legges til, kreves det bare at en modulær omformer legges til (øverst til høyre). Det er ikke nødvendig å endre kildekonfigurasjonen.

En reduksjon i strømskinnetap kan oppnås ved hjelp av en mindre endring av en faktorisert arkitektur (nederst til venstre). Den faktoriserte arkitekturen deler strømreguleringen og spennings-/strømtransformasjonen i to separate moduler. For-regulatormodulen (PRM – pre-regulator module) styrer spenningsreguleringsfunksjonene. Den faktoriserte busstrømmen detekteres for å regulere utgangsspenningen til skinnen. Spenningstransformasjonsmodulen (VTM – voltage transformation module), som fungerer på samme måte som en DC–transformator, håndterer spenningsreduksjon/strømmultiplikasjon. VTM-en er mindre enn en full DC–DC-omformermodul, og kan plasseres nærmere lasten for å redusere motstandstap. Dessuten krever den lave utgangsimpedansen mindre utgangskondensatorer. Dette betyr at mindre keramiske kondensatorer kan erstatte større bulkkondensatorer nær lasten.

Behovet for større effekt kan dekkes ved å parallellkoble flere omformermoduler (nederst i midten). Oppdatering til strømkilder med høyere spenning, for eksempel 400 eller 800 volt, kan gjøres ved å legge til en nedtransformeringsmodul med faste trinn (fixed-ratio step-down module) og en bussomformermodul (BCM – bus converter module) for å redusere kildespenningen ned til sikkerhetsbussnivåer med ekstra lav spenning (SELV – safety extra-low voltage) (nederst til høyre). Vær oppmerksom på at SELV-bussen er en sikkerhetsstandard som spesifiserer den maksimale spenningsgrensen for elektriske enheter for å sikre sikkerhet mot elektriske støt. SELV-spenningsnivåene er vanligvis under 53 volt.

Disse eksemplene gir en titt på fleksibiliteten og skalerbarheten som er tilgjengelig med sonearkitekturen. Vicor tilbyr et bredt utvalg av omformermoduler i DCM-serien som er egnet til disse ulike bruksområdene. Selskapet banet vei for flere revolusjonerende fremskritt innen strømmodulkonstruksjon, som omfatter omformer i kapsling (ChiP – Converter housed in Package) og Vicor-integrert adapter (VIA – Vicor Integrated Adapter) (figur 3).

Figur 3: Eksempler på fysiske ChiP- og VIA-konfigurasjoner i DCM-serien. (Bildekilde: Vicor)

Disse kapslingene øker strømtettheten med en faktor på fire sammenlignet med tidligere kapslingskonfigurasjoner, samtidig som de oppnår en reduksjon i strømtap på 20 %. ChiP bruker magnetiske strukturer montert ved hjelp av et substrat med høy tetthet. Andre komponenter monteres ved hjelp av en tosidig layout for å doble effekttettheten. Komponentene er lagt ut symmetrisk i kapslingen for å gi forbedret termisk ytelse. Denne avanserte layouten, kombinert med optimalisert støpeformsmateriale, gir forbedrede termiske baner. ChiP-modulen har lav termisk impedans på topp- og bunnflaten. Kjøling kan utvides ved hjelp av kjøleribber som er termisk koblet til topp- og bunnflatene, og gjennom de elektriske tilkoblingene. VIA-modulen legger til integrert filtrering for elektromagnetisk interferens (EMI), bedre regulering av utgangsspenning og et sekundært styringsgrensesnitt for det grunnleggende strukturelle blokkelementet («brick» structural element).

DC–DC-omformere for HR/DCM-serien

DCM-serien er et eksempel på en regulert og isolert generell DC–DC-omformer. Ved å arbeide fra en uregulert kilde med bredt spenningsområde som inngang, genererer omformeren en spenningsregulert effekt på opptil 1300 watt ved utgangsstrømmer på opptil 46,43 ampere (A). Den tilbyr opptil 4242 volt DC-isolasjon mellom inngang og utgang. Isolasjon refererer til galvanisk isolasjon, noe som betyr at ikke noe strøm flyter direkte mellom inngangen og utgangen. Denne isolasjonen kan være nødvendig i henhold til sikkerhetsstandarder hvis inngangsspenningene kan være skadelige for mennesker. Ved å ha utgangen jordingsfri relativt til inngangen, muliggjøres også reversering eller forskyvning av utgangspolariteten.

DCM-familien bruker en topologi med nullspenningsveksling (ZVS – zero-voltage switching), som reduserer de høye innkoblingstapene som er vanlige i konvensjonelle PWM-omformere (PWM – puls width modulation – pulsbreddemodulasjon) ved å myk-veksle strømforsyningsenhetene. ZVS muliggjør drift ved høyere frekvens og ved høyere inngangsspenninger, uten å ofre virkningsgrad. Disse omformerne fungerer ved vekslingsfrekvenser som går fra 500 kilohertz (kHz) til nær 1 megahertz (MHz). Ved å bruke denne høye vekslingsfrekvensen reduseres også størrelsen på de tilknyttede magnetiske og kapasitive energilagringskomponentene, noe som forbedrer strømtettheten. Effekttettheter og virkningsgrader på opptil henholdsvis 20 385 watt per kubikkcentimeter (W/cm³) og 96 % kan oppnås.

DCM-serien er tilgjengelig i tre kapslingsstørrelser: DCM2322, DCM3623 og DCM4623, med overlappende inngangsspenningsområder og utgangseffektnivåer (figur 4).

Figur 4: Her vises et sammendrag av de elektriske egenskapene til DCM-omformerne i DCM-serien, inkludert inngangs- og utgangsspenningsområdene. (Bildekilde: Vicor)

Inngangsspenningsområdene til de tre omformerfamiliene dekker 9 til 420 volt med SELV-utganger, i trinn som spenner fra 3 til 52,8 volt DC. Utgangsspenningsgrenser kan trimmes i området –40 % til +10 % av nominell utgangsspenning. Utgangene har en fullstendig operativ strømgrense for å holde omformeren innenfor sitt sikre driftsområde, basert på den maksimale gjennomsnittlige utgangseffekten, uavhengig av utgangsspenningsinnstillingen.

DCM-serien inkluderer feilbeskyttelse for underspenning og/eller overspenning på inngang, overtemperatur, overspenning på utgang, overstrøm på utgang og kortslutning på utgang.

Eksempler på flere DCM-produkter, inkludert alle tre kapslingsstørrelsene og et område med inngangsspenning og maksimale effektområder, er vist i tabell 1.

Tabell 1: Egenskapene til vanlige DCM-omformere illustrerer området for inngangsspenning, utgangsspenning og effektnivåer som er tilgjengelige for å møte et bredt spekter av konstruksjonskrav. (Tabellkilde: Art Pini)

Tabellen oppsummerer de viktigste egenskapene til hvert av eksemplene på DCM-omformere, og angir de fysiske målene til disse. Dette er et lite utvalg av de forskjellige DCM-modellene som er tilgjengelige.

Typiske konstruksjoner

DCM-omformerne kan brukes enkeltvis, og de fleste kan også brukes parallelt. Når de brukes alene, kan utgangen mate flere laster, inkludert ikke-isolerte POL-regulatorer (POL – point-of-load) (figur 5).

Figur 5: Her vises en typisk konstruksjon for DCM3623T75H06A6T00 som driver en direkte last, samt en ikke-isolert POL-regulator. (Bildekilde: Vicor)

Kretsen er enkel. Komponentene L1, C1, R4, C4 og Cy danner EMI-filteret på inngangen. Utgangskondensatoren C_Out-Ext, kombinert med R_Out-Ext, gir stabilitet i styringssløyfen. Motstanden kan være kondensatorens effektive seriemotstand (ESR – effective series resistance), med en verdi på ca. 10 milliohm (mΩ). Kondensatoren må være plassert fysisk nær omformerens utgangspinner. R_dm, L_b, L_{2 og} C₂ danner et utgangsfilter i differensialmodus. Avskjæringsfrekvensen til filteret er satt til én tiendedel av vekslingsfrekvensen.

De fleste DCM-omformere kan fungere med utgangene bundet i parallell (matrisemodus). Dette øker effekten som leveres til lasten ved å kombinere utgangene fra opptil åtte moduler (figur 6).

Figur 6: Kretsen viser den parallelle matrisedriften til fire DCM-omformere som driver en felles last. (Bildekilde: Vicor)

De eksterne komponentene utfører de samme funksjonene som i eksempelet med én enkel omformer. I matrisemodus må hver DCM-modul se en minimumsverdi for utgangskapasitans før noen serieinduktans, og den må være plassert nærmere den individuelle omformeren enn til utgangsforbindelsen. I matriser der alle «N» til DCM-modulene startes samtidig, kan den maksimale verdien til utgangskapasitansen være opptil N ganger C_Out-Ext. Det er også krav om at strømkildens impedans skal være mindre enn halvparten av inngangsimpedansen til DCM-matrisen for å sikre stabilitet og minimere dempet svingning (ringing).

Konklusjon

Utrustninger som kjøretøy og elbiler gjennomgår et betydelig skifte fra sentraliserte til desentraliserte PDN-arkitekturer. DC–DC-omformerne som er nødvendige for å oppfylle de tilknyttede kravene til virkningsgrad, effekttetthet og vekt, er utfordrende å konstruere ved å bruke frittstående komponenter. I stedet kan konstruktører redusere tid og kostnader ved å bruke Vicors DCM-serie med modulære strømforsyningsløsninger. Som vist, ligger disse modulene i forkant av avanserte kapslinger som ChiP og VIA, og innovative ZVS-topologier er skalerbare og allsidige, og de imøtekommer et bredt utvalg av ulike bruksområder.