Power Delivery Network (PDN) neboli napájecí síť je důležitou částí elektrovozidel. Aby se minimalizovaly ztráty ve vedení, bylo nutné přejít od centralizovaného systému (velký DC/DC měnič v blízkosti zdroje) k decentralizované architektuře (vysoké napětí je distribuováno do výkonových měničů umístěných blízko zátěže). Tato decentralizovaná architektura vyžaduje napájecí zdroje s vysokou hustotou výkonu, vysokou účinností a malými rozměry. Lze použít diskrétní komponenty, ale mnohem výhodnější je použít modulární měniče, které nabízí široký rozsah vstupního a výstupního napětí, dostatečný výkon a vysokou účinnost. Tento článek pojednává o potřebách moderní napájecí sítě ( PDN – Power Delivery Network ) a uvede příklady modulární měničů od Vicoru.
Evoluce napájecí sítě PDN
Elektrické a hybridní vozidla se snaží zajistit maximální dojezd a minimální dobu nabíjení. Současně však poskytují řidičům a cestujícím celou řadu služeb. V důsledku toho výrobci vozidel přecházejí z centralizované architektury na decentralizovanou zónovou architekturu (obrázek 1).
Obrázek 1: Centralizovaná architektura převádí napětí zdroje na 12 V v blízkosti zdroje a toto napětí se distribuuje je po celém vozidle. Decentralizovaná zónová architektura distribuuje zdroj napětí do místních DC/DC měničů, kde se napětí převede na 12 V co nejblíže zátěži. (Zdroj obrázku: Vicor)
Centralizovaná architektura převádí 48 V zdroj na 12 V prostřednictvím velkého DC/DC měniče konvertoru, který využívá starší spínací měniče a nízkofrekvenční PWM modulaci. Energie je pak distribuována z tohoto měniče po celém vozidle s napěťovou úrovní 12 V. Úroveň proudu při 12 V je čtyřikrát větší než proud dodávaný při 48 V. To znamená, že ztráta výkonu, která je úměrná druhé mocnině proudu, je 16krát vyšší.
Na druhé straně zónová architektura distribuuje 48 V do místních zón, kde se napájí 12 V DC/DC měniče s vyšší účinností. Nižší úrovně proudu vyžadují menší průřezy vodičů a menší rozměry konektorů, a to vede k nižším nákladům a nižší hmotnosti kabelových svazků. Zónové měniče jsou umístěny co nejblíže k zátěži, aby se zkrátila délka 12 V napájecího vedení. V zónovém systému jsou zdroje tepla rovnoměrně rozprostřeny po zónách vozidla, než aby byly soustředěny do jednoho místa, a to v blízkosti zdroje. To zlepšuje celkový odvod tepla a umožňuje jednotlivým měničům pracovat v prostředí s nižší teplotou. Výsledkem je vyšší provozní účinnost a vyšší spolehlivost.
Návrh napájecí sítě PDN
Ačkoli je možné vytvořit vlastní návrh měniče pomocí diskrétních komponent, je to náročný úkol. Jen málo inženýrů má potřebné zkušenosti, aby splnili aplikační a regulační požadavky. Modulární přístup je jednodušší a navíc poskytuje širokou škálu funkcí a umožňuje vytvořit flexibilní a škálovatelné architektury (obrázek 2).
Obrázek 2: Modulární návrhy PDN spoléhají na širokou škálou řešení, aby byla zajištěna flexibilita a škálovatelnost. (Zdroj obrázku: Vicor)
Základní zónová architektura PDN (vlevo nahoře) distribuuje 48 V do místních DC/DC modulárních měničů a snižuje napětí na požadovanou úroveň. Pokud dojde ke změně požadavků napěťovou úroveň na zátěži, provede se jednoduchý upgrade modulu (uprostřed nahoře). Přidání nové zátěže jednoduše vyžaduje přidání dalšího modulárního měniče (vpravo nahoře). Není nutné měnit konfiguraci zdroje.
Snížení ztrát napájecích cest lze dosáhnout drobnou změnou faktorizované architektury (vlevo dole). Faktorizovaná architektura rozděluje regulaci výkonu a transformaci napětí/proud do dvou samostatných modulů. Faktorizovaný proud sběrnice je snímán předregulačním modulem (PRM - pre-regulator module). Modul transformace napětí (VTM - voltage transformation module) funguje podobně jako stejnosměrný transformátor. VTM je menší než DC/DC modul a může být umístěn blíže k zátěži, aby se více snížily ztráty vedení. Také jeho nízká výstupní impedance vyžaduje menší výstupní kondenzátory. To znamená možnost použití menších keramických kondenzátorů místo objemných kondenzátorů.
Potřebu většího výkonu lze uspokojit paralelním zapojením více modulů (na obrázku dole uprostřed). Pokud se použije zdroj s vyšším napětím jako je 400 nebo 800 V je nutné použít fixed-ratio step-down modul a bus converter modul (BCM), aby se snížilo napětí zdroje až na úroveň sběrnice s bezpečným napětím SELV (vpravo dole). Sběrnice SELV je bezpečnostní standard, který specifikuje maximální limit napětí pro elektrická zařízení, aby byla zajištěna bezpečnost před úrazem elektrickým proudem. Úroveň napětí SELV se pohybuje pod 53 V. Vicor nabízí ve své řadě DCM širokou škálu modulů, které vyhovují výše zmíněným situacím. Vicor byla průkopníkem několika revolučních pokroků v designu napájecích modulů, a to konkrétně Converter housed in Package (ChiP) a Vicor Integrated Adapter (VIA) (obrázek 3).
Obrázek 3: Příklady konfigurací měničů ChiP a VIA řady DCM. (Zdroj obrázku: Vicor)
Tato pouzdra zvyšují hustotu výkonu čtyřnásobně ve srovnání s dřívějšími verzemi a snižují ztráty o 20 %. ChiP využívá magnetické struktury umístěné přes substrát s vysokou hustotou. Ostatní komponenty jsou umístěny oboustranně, aby se zdvojnásobila hustota výkonu. Komponenty jsou v pouzdře rozmístěny symetricky, aby se dosáhlo co nejlepšího rozložení tepelného výkonu. ChiP modul má nízkou horní a spodní povrchovou tepelnou impedanci. Chlazení tak může být spojeno s horním a spodním povrchem. Modul VIA k základní „brick“ konstrukci přidává integrované filtrování elektromagnetického rušení (EMI), lepší regulaci výstupního napětí a sekundární ovládací rozhraní.
DC/DC měniče řady DCM
Řada DCM je příkladem regulovaného a izolovaného DC/DC měniče pro všeobecné použití. Převodník pracuje z neregulovaného zdroje se širokým rozsahem vstupního napětí a je schopen dodat výkon až 1300 W při výstupních proudech až 46,43 A. Nabízí až 4 242 V DC galvanickou izolaci mezi vstupem a výstupem ( To znamená, že nulový proud teče mezi vstupem a výstupem). Tato izolace je vyžadována bezpečnostními normami, jelikož vstupní napětí může být nebezpečné pro lidi. Plovoucí výstup vzhledem ke vstupu může způsobit obrácení nebo posun výstupní polarity.
Řada DCM používá topologii přepínání nulového napětí (ZVS), která snižuje vysoké spínací ztráty, které jsou běžné u konvenčních PWM převodníků. ZVS umožňuje provoz při vyšší frekvenci a vyšším vstupním napětí bez snížení účinnosti. Tyto převodníky pracují na spínacích frekvencích od 500 kHz do téměř 1 MHz. Použití vysoké spínací frekvence snižuje velikost souvisejících magnetických a kapacitních komponent, čímž se zvyšuje hustota výkonu až na hodnotu 75 W/cm3 s účinností až 96 %. Řada DCM je k dispozici ve třech velikostech: DCM2322, DCM3623 a DCM4623 s překrývajícími se rozsahy vstupního napětí a úrovněmi výstupního výkonu (obrázek 4).
Obrázek 4: Charakteristiky DC/DC měničů řady DCM, včetně rozsahů vstupního a výstupního napětí. (Zdroj obrázku: Vicor)
Rozsahy vstupního napětí tří rodin měničů pokrývají výstupní napětí od 9 do 420 V v krocích od 3 do 52,8 V. Výstupní napětí lze upravit v rozsahu od -40 % do +10 % jmenovitého výstupního napětí. Výstupy mají plně funkční proudový limit, aby měnič zůstal v jeho bezpečné provozní oblasti bez ohledu na nastavení výstupního napětí. Řada DCM zahrnuje ochranu pro vstupní podpětí nebo přepětí, přehřátí, výstupní přepětí, výstupní nadproud a zkrat. Příklady několika produktů řady DCM, včetně všech tří velikostí pouzder a rozsahů vstupního napětí a maximálního výkonu jsou uvedeny v tabulce 1. (DCM2322T50T2660T60, DCM2322TA5N13A2T60, DCM3623T75H06A6T00, DCM3623TA5N31B4T70, MDCM270P050M250A40).
Tabulka 1: Vlastnosti běžně používaných DCM měničů. (Zdroj tabulky: Art Pini)
Typické aplikace
Měniče řady DCM lze použít jak samostatně, tak i v paralelním zapojení. Při samostatném použití může výstup napájet více zátěží včetně neizolovaného regulátoru POL (obrázek 5).
Obrázek 5: Typické použití DCM3623T75H06A6T00 napájecí zátěž a také neizolovaný regulátor POL. (Zdroj obrázku: Vicor)
Komponenty L1, C1, R4, C4 a Cy tvoří vstupní EMI filtr. Výstupní kondenzátor COut-Ext spolu s ROut-Ext zajišťuje stabilitu řídicí smyčky. Odpor může reprezentovat efektivní sériový odpor kondenzátoru (ESR) s hodnotou asi 10 mΩ. Kondenzátor musí být fyzicky umístěn blízko výstupních pinů měniče. Rdm , Lb , L2 a C2 tvoří výstupní filtr v diferenciálním režimu. Mezní frekvence filtru je nastavena na desetinu spínací frekvence. Většina měničů řady DCM může pracovat v paralelním zapojení ( tzv. režim pole). To zvyšuje výkon dodávaný do zátěže a to zapojím až osmi modulů (obrázek 6).
Obrázek 6: Obvod ukazuje činnost paralelního pole čtyř převodníků DCM napájející společnou zátěž. (Zdroj obrázku: Vicor)
Externí komponenty provádějí stejné funkce jako v příkladu s jedním měničem. V polích, kde jsou všechny měniče DCM spuštěny současně, může být maximální hodnota výstupní kapacity až N krát Cout Ext. Impedance napájecího zdroje by měla být a menší než polovina vstupní impedance pole DCM, aby byla zajištěna stabilita a snížili se oscilace.
Závěr
Hybridní vozidla a elektromobily přecházejí z centralizované k decentralizované architektuře napájecí sítě PDN. Decentralizace přináší snížení ztrát ve vedení a pro vyšší účinnost jsou k dispozici modulární DC/DC měniče řady DCM od Vicoru. Tyto moduly jsou nabízeny v pokročilých pouzdrech ChiP a VIA, které zajišťují škálovatelnost a všestranné a použití v různých aplikací.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com
