Toteuta innovatiivisia tehonsyöttöverkkoja modulaaristen tehonmuuntimien avulla

Sähköajoneuvojen (EV) tehonsyöttöverkot (PDN) ovat muuttumassa nopeasti. Perinteiset 12 voltin lyijyakun kaltaiset sähkölähteet ovat väistyneet vähintään 48 voltin teholähteiden tieltä. Samaan aikaan monet moottorit, pumput, anturit ja toimilaitteet toimivat edelleen perinteisillä jännitetasoilla. Tämän seurauksena korkeammat jännitteet on alennettava tehokkaasti ja jaettava näille eri kuormille. Tämän saavuttamiseksi sekä samanaikaisesti jännitehäviöiden ja niihin liittyvien tehohäviöiden minimoimiseksi tehojärjestelmien suunnittelijat ovat siirtymässä keskitetystä lähestymistavasta (jossa suuri DC/DC-muunnin on lähellä teholähdettä) hajautettuun arkkitehtuuriin (jossa korkeajännite jaellaan tehonmuuntimiin lähellä kutakin alemman jännitteen kuormaa).

Hajautettu PDN vaatii kevyitä teholähteitä, joilla on suuri tehotiheys ja optimaalinen hyötysuhde ja jotka ovat pienikokoisia. Vaikka perinteisten erilliskomponenttien käyttäminen näiden muuntimien suunnitteluun talon sisällä voi olla houkuttelevaa suunnittelun optimoimiseksi, se voi olla myös vaativa tehtävä.

On parempikin vaihtoehto: modulaariset valmislaitteet lähteestä, jolla on laaja suunnittelukokemus ja joukko erilaisia ratkaisuja PDN-vaatimuksiin, kuten tulojännitealue, lähtöjännite, teho, tiheys ja hyötysuhde.

Tässä artikkelissa käsitellään nykyaikaisen PDN-verkon tarpeita ja tyypillisiä tehonsyöttövaatimuksia. Artikkelissa esitellään myös esimerkkejä Vicorin modulaarisista tehonsyöttöratkaisuista ja kerrotaan, miten niitä voidaan käyttää suorituskykyisissä ja kustannustehokkaissa PDN-verkoissa.

PDN-verkkojen kehitys

Sähkö- ja hybridiautot tarvitsevat maksimaalisen toimintamatkan ja minimaalisen latausajan. Samalla niiden on tarjottava kattava valikoima ominaisuuksia kuljettajille ja matkustajille. Näissä vaatimuksissa korostuu ratkaisun korkea hyötysuhde ja keveys. Tämän seurauksena ajoneuvojen valmistajat ovat siirtymässä keskitetystä PDN-arkkitehtuurista hajautettuun vyöhykearkkitehtuuriin (kuva 1).

Kuva 1: Keskitetty arkkitehtuuri muuntaa lähdejännitteen 12 voltin kuormajännitteeksi lähellä teholähdettä ja jakelee sen koko ajoneuvoon, kun taas hajautettu vyöhykearkkitehtuuri jakelee lähdejännitteen paikallisille DC/DC-muuntimille, joissa jännite lasketaan 12 volttiin mahdollisimman lähellä kuormaa. (Kuvan lähde: Vicor)

Keskitetty arkkitehtuuri muuntaa teholähteen 48 volttia 12 voltiksi ”hopealaatikolla”, suurella DC/DC-muuntimella, joka käyttää vanhempia, matalataajuisia pulssileveysmoduloituja (PWM) kytkentätopologioita. Teho jaellaan sitten hopealaatikosta 12 voltin jännitteellä. Kuormaan syötetyn tehon pysyessä samana sähkövirta on 12 voltin jännitteellä neljä kertaa korkeampi kuin 48 voltin potentiaalilla. Tämä tarkoittaa, että resistiivinen tehohäviö, joka on verrannollinen virran neliöön, on 16 kertaa suurempi.

Toisaalta vyöhykearkkitehtuuri jakelee 48 voltin lähdejännitteen paikallisille vyöhykkeille, joissa pienemmät ja korkeamman hyötysuhteen DC/DC-muuntimet (48 voltista 12 volttiin) syöttävät sen kuormille. Alhaisempi virta sallii pienemmän johtimien ja liitinten poikkipinta-alan, minkä ansiosta johtosarjat ovat edullisempia ja kevyempiä. Paikalliset muuntimet sijoitetaan lähemmäksi kuormaa, jotta 12 voltin johdot olisivat mahdollisimman lyhyitä.

Vyöhykejärjestelmässä lämmönlähteet jakautuvat laajalti ajoneuvon vyöhykkeille sen sijaan, että ne keskittyisivät lähelle teholähdettä. Tämä parantaa lämmön yleistä dissipoitumista, minkä ansiosta yksittäiset muuntimet voivat toimia matalammissa lämpötiloissa. Tuloksena on parempi hyötysuhde ja luotettavuus.

PDN-teholähteen suunnittelu

Vaikka räätälöidyn PDN-muuntimen suunnittelu erilliskomponentteja käyttäen onkin mahdollista, teholähteen suunnittelu on valtava tehtävä. Vain harvoilla insinööreillä on tarvittavat taidot ja kokemus käyttökohteen ja lakisäteisten vaatimusten täyttämiseksi. Modulaarinen lähestymistapa on yksinkertaisempi ja parempi vaihtoehto.

Modulaariset PDN-ratkaisut tarvitsevat tehomoduulitarjonnan, joka sisältää laajan valikoiman virransyöttöön liittyviä toimintoja joustavien ja skaalattavien arkkitehtuurien mahdollistamiseksi (kuva 2).

Kuva 2: Modulaarisiin PDN-ratkaisuihin tarvitaan toimittaja, jolla on laaja valikoima ratkaisuja joustavuuden ja skaalattavuuden mahdollistamiseksi. (Kuvan lähde: Vicor)

Vyöhykemallinen PDN-perusarkkitehtuuri (ylhäällä vasemmalla) jakelee 48 voltin lähdejännitteen paikallisiin modulaarisiin DC/DC-muuntimiin, joissa jännite lasketaan vaadituille tasoille. Jos kuormavaatimukset muuttuvat, tehdään yksinkertainen päivitys korkeampitehoiseen moduuliin (ylhäällä keskellä). Uuden kuorman lisäämiseksi tarvitsee vain lisätä uusi modulaarinen muunnin (ylhäällä oikealla). Teholähteen konfiguraatiota ei tarvitse muuttaa.

Jännitetasojen häviöitä voidaan vähentää pienellä muutoksella jaettuun arkkitehtuuriin (alhaalla vasemmalla). Jaetussa arkkitehtuurissa jännitteensäätö sekä jännite-/virtamuunnos on jaettu kahteen erilliseen moduuliin. Esisäätömoduuli (PRM) hoitaa jännitteen säätötoimintoja. Jaetun väylän virtaa mitataan jännitetason lähtöjännitteen säätämiseksi. Jännitteen muuntomoduuli (VTM), joka toimii samalla tavalla kuin DC-muuntaja, hoitaa jännitteenalennuksen ja virran moninkertaistamisen. VTM on pienempi kuin täysimittainen DC/DC-muunninmoduuli, ja se voidaan sijoittaa lähemmäksi kuormaa resistanssihäviöiden vähentämiseksi. Lisäksi sen alhainen lähtöimpedanssi mahdollistaa pienempien lähtökondensaattoreiden käytön. Tämä tarkoittaa, että suuremmat tasauskondensaattorit voidaan korvata kuorman lähelle sijoitetuilla pienemmillä keraamisilla kondensaattoreilla.

Korkeampi tehontarve voidaan täyttää kytkemällä useampia muunninmoduuleita rinnakkain (alhaalla keskellä). Päivitys korkeampiin jännitelähteisiin, kuten 400 tai 800 volttiin, voidaan toteuttaa lisäämällä kiinteäsuhteinen jännitteenalennusmoduuli ja väylämuunninmoduuli (BCM) lähdejännitteen laskemiseksi SELV-väylätasoille (alhaalla oikealla). Huomaa, että SELV-väylä (Safety Extra-Low Voltage) on turvallisuusstandardi, joka määrittää sähkölaitteiden enimmäisjänniterajan sähköiskuvaaran poistamiseksi. SELV-jännitetasot ovat yleensä alle 53 volttia.

Näissä esimerkeissä tarkastellaan vyöhykearkkitehtuurin mahdollistamaa joustavuutta ja skaalautuvuutta. Vicor tarjoaa DCM-sarjassaan laajan valikoiman muunninmoduuleja, jotka sopivat näihin erilaisiin käyttösovelluksiin. Yritys on ollut edelläkävijä useissa mullistavissa edistysaskelissa tehomoduulien suunnittelussa, mukaan lukien ChiP-koteloitu (Converter housed in Package) muunnin ja integroitu VIA-sovitin (Vicor Integrated Adapter) (kuva 3).

Kuva 3: Esimerkkejä DCM-sarjan ChiP- ja VIA-kotelojen fyysisistä konfiguraatioista. (Kuvan lähde: Vicor)

Nämä paketit kasvattavat tehotiheyttä kertoimella neljä aiempiin kotelokonfiguraatioihin verrattuna ja vähentävät tehohäviöitä 20 prosentilla. ChiP-moduuleissa käytetään magneettisia rakenteita, jotka on asennettu suurtiheyksisen perusmateriaalin läpi. Muut komponentit on asennettu hyödyntäen kaksipuolista layoutia tehotiheyden kaksinkertaistamiseksi. Komponentit on aseteltu koteloon symmetrisesti lämpöteknisen suorituskyvyn parantamiseksi. Tämä edistynyt sijoittelu yhdessä optimoidun muottiyhdisteen kanssa mahdollistavat paremmat lämmönjohtumisreitit. ChiP-moduulin ylä- ja alapinnan lämpöimpedanssi on alhainen. Jäähdytystä voidaan parantaa ylä- ja alapintoihin lämpökytketyillä jäähdytyslevyillä sekä sähköliitäntöjen kautta. VIA-moduuli tarjoaa perusmalliseen elementtiin lisäksi integroidun sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) suodattimen, paremman lähtöjännitteen säädön ja toissijaisen ohjausliittymän.

Esimerkki DCM-sarjan DC/DC-muunninmoduuleista

DCM-sarja on esimerkki jännitesäädetystä ja erotetusta DC/DC-yleismuuntimesta. Muunnin käyttää tulona reguloimatonta laajaa jännitealuetta ja generoi jopa 1300 watin lähtötehon jännitesäädöllä ja jopa 46,43 ampeerin (A) lähtövirralla. Se tarjoaa jopa 4242 voltin DC-erotuksen tulon ja lähdön välillä. Erotus viittaa galvaaniseen erotukseen, mikä tarkoittaa, että sähköä ei virtaa suoraan tulon ja lähdön välillä. Turvallisuusstandardit saattavat edellyttää tällaista erotusta, jos tulojännitteet voivat olla haitallisia ihmisille. Kun lähtö kelluu suhteessa tuloon, myös lähdön napaisuus voidaan kääntää tai sitä voidaan siirtää.

DCM-tuoteperheessä käytetään nollajännitekytkentää (ZVS), joka vähentää perinteisissä PWM-muuntimissa yleistä korkeaa päällekytkentähäviötä kytkemällä virtalaitteet päälle pehmeästi. ZVS mahdollistaa korkeamman taajuuden ja korkeamman tulojännitteen käytön hyötysuhteesta tinkimättä. Nämä muuntimet toimivat kytkentätaajuuksilla, jotka vaihtelevat 500 kilohertsistä (kHz) lähes 1 megahertsiin (MHz). Näin korkean kytkentätaajuuden käyttö pienentää myös käytettyjen magneettisten ja kapasitiivisten energianvarastointikomponenttien kokoa, mikä parantaa tehotiheyttä. Tehotiheys voi olla jopa 1244 W/in.³ ja hyötysuhde jopa 96 %.

DCM-sarjaa on saatavana kolmessa kotelokoossa: DCM2322, DCM3623 ja DCM4623. Näiden tulojännitealueet ja lähtötehotasot ovat osittain päällekkäiset (kuva 4).

Kuva 4: Kuvassa on yhteenvetokaavio DCM-sarjan DC/DC-muuntimien sähköisistä ominaisuuksista, mukaan lukien tulo- ja lähtöjännitealueet. (Kuvan lähde: Vicor)

Näiden kolmen muunninperheen tulojännitealueet kattavat alueen 9–420 volttia, ja SELV-lähdöt kattavat alueen 3–52,8 VDC askelittain. Lähtöjännitteen raja-arvoja voidaan säätää alueella −40 % ... +10 % nimellislähtöjännitteestä. Lähdöt on varustettu täysin toimivalla virtarajoituksella, jotta muunnin pysyy turvallisella käyttöalueellaan perustuen suurimpaan keskimääräiseen lähtötehoon lähtöjännitteen asetuksesta riippumatta.

DCM-sarja sisältää vikasuojauksen tulon alijännitettä ja/tai ylijännitettä, ylikuumenemista, lähdön ylijännitettä, lähdön ylivirtaa ja lähdön oikosulkua varten.

Taulukossa 1 on esimerkkejä erilaisista DCM-tuotteista, mukaan lukien kaikki kolme kotelokokoa sekä tulojännite- ja maksimitehoalueet.

Taulukko 1: Yleisesti käytettyjen DCM-muuntimien syöttöjännitteet, lähtöjännitteet ja tehotasot täyttävät mitä erilaisimpien sovellusten vaatimukset. (Taulukon lähde: Art Pini)

Taulukossa on yhteenveto kunkin esimerkkinä käytetyn DCM-muuntimen keskeisistä ominaisuuksista sekä niiden fyysiset mitat. Tämä on pieni näyte saatavana olevista DCM-malleista.

Tyypilliset sovellukset

DCM-muuntimia voidaan käyttää yksittäin, ja useimpia voidaan käyttää myös rinnakkain. Yksin käytettynä lähtö voi syöttää useita kuormia, mukaan lukien erottamattomat kuormituspisteen (POL) jännitteensäätimet (kuva 5).

Kuva 5: Kuvassa on DCM3623T75H06A6T00-muuntimen tyypillinen sovellus, jossa virta syötetään suoraan kuormaan, sekä erottamaton POL-jännitteensäädin. (Kuvan lähde: Vicor)

Virtapiiri on suoraviivainen. Komponentit L1, C1, R4, C4 ja Cy muodostavat tulon EMI-suodattimen. Lähtökondensaattori C_Out-Ext yhdessä R_Out-Ext-vastuksen kanssa takaavat vakaan ohjaussilmukan. Vastuksena voi toimia kondensaattorin ESR, jonka arvo on noin 10 mΩ. Kondensaattorin on sijaittava fyysisesti lähellä muuntimen lähtönastoja. R_dm, L_b, L_{2 ja} C₂ muodostavat differentiaalimuotoisen lähtösuodattimen. Suodattimen rajataajuudeksi on asetettu yksi kymmenesosa kytkentätaajuudesta.

Useimpia DCM-muuntimia voidaan käyttää siten, että niiden lähdöt on kytketty rinnakkain (ryhmätila). Tämä lisää kuormaan syötettyä tehoa yhdistämällä jopa kahdeksan moduulin lähdöt (kuva 6).

Kuva 6: Piirikaaviossa esitetään neljän samaan kuormaan virtaa syöttävän DCM-muuntimen rinnakkaiskytkentä. (Kuvan lähde: Vicor)

Ulkoisilla komponenteilla on samat tehtävä kuin yksittäistä muunninta käyttävässä esimerkissä. Ryhmätilassa jokaisen DCM-moduulin on nähtävä lähtökapasitanssin minimiarvo ennen mitään sarjainduktanssia, ja sen on sijaittava lähempänä yksittäistä muunninta kuin lähtöliitosta. Ryhmissä, joissa kaikki N DCM-moduulia kytketään päälle samanaikaisesti, lähtökapasitanssin maksimiarvo voi olla enintään N kertaa C_out-Ext-arvo. Vaatimuksena on myös, että teholähteen impedanssi on alle puolet DCM-ryhmän tuloimpedanssista stabiilisuuden varmistamiseksi ja värähtelyn minimoimiseksi.

Yhteenveto

Perinteiset ajoneuvot ja sähköajoneuvot ovat käymässä läpi merkittävää siirtymää keskitetyistä hajautettuihin PDN-arkkitehtuureihin. Hyötysuhdetta, tehotiheyttä ja painoa koskevat vaatimukset täyttäviä DC/DC-muuntimia on vaikea suunnitella käyttäen erilliskomponentteja. Sen sijaan suunnittelijat voivat vähentää kehitysaikaa ja kustannuksia käyttämällä Vicorin DCM-sarjan modulaarisia virtalähderatkaisuja. Kuten artikkelissa esitetään, nämä moduulit ovat ChiP:n ja VIA:n kaltaisten edistyneiden kotelotekniikoiden eturintamassa, ja innovatiiviset ZVS-topologiat ovat skaalattavia ja monipuolisia sekä soveltuvat moniin erilaisiin käyttökohteisiin.