Redes de suministro eléctrico innovadoras con convertidores de potencia modulares

Las redes de suministro eléctrico (PDN) para vehículos eléctricos (VE) están cambiando rápidamente. Las fuentes de energía eléctrica tradicionales, como la batería de plomo-ácido de 12 voltios, están dejando paso a fuentes de 48 voltios o más. Al mismo tiempo, muchos motores, bombas, sensores y actuadores siguen funcionando con niveles de voltaje tradicionales. Como resultado, los voltajes de nivel superior deben reducirse y distribuirse eficazmente a estas diversas cargas. Para conseguirlo minimizando las caídas de tensión resistivas y las pérdidas de potencia asociadas, los arquitectos de sistemas eléctricos están pasando de un enfoque centralizado (con un gran convertidor de CC/CC cerca de la fuente) a una arquitectura descentralizada (en la que una alta tensión se distribuye a convertidores de potencia cerca de cada una de las cargas de menor tensión).

Esta PDN descentralizada requiere fuentes de alimentación ligeras con alta densidad de potencia, eficiencia óptima y un tamaño reducido. Aunque utilizar componentes discretos convencionales para diseñar internamente estos convertidores puede resultar tentador para optimizar un diseño, también puede ser una tarea desalentadora.

Hay una opción mejor: dispositivos modulares listos para usar de una fuente con amplia experiencia en diseño y una gran variedad de soluciones para los requisitos de la PDN, como el rango de tensión de entrada, la tensión de salida, la potencia, la densidad y la eficiencia.

Este artículo analiza las necesidades de una PDN moderna y los requisitos típicos de la fuente de alimentación. El artículo también presenta ejemplos de soluciones modulares de fuente de alimentación de Vicor y muestra cómo pueden aplicarse para PDN de alto rendimiento y rentables.

Evolución de PDN

Los vehículos eléctricos e híbridos necesitan la máxima autonomía y el mínimo tiempo de carga, al tiempo que ofrecen una completa matriz de servicios a conductores y pasajeros. Estos requisitos hacen hincapié en diseños eficientes y ligeros. En consecuencia, los fabricantes de vehículos están pasando de una arquitectura PDN centralizada a una arquitectura zonal descentralizada (Figura 1).

Figura 1: La arquitectura centralizada convierte la tensión de la fuente en la tensión de carga de 12 voltios cerca de la fuente y la distribuye por todo el vehículo; la arquitectura zonal descentralizada distribuye la tensión de la fuente a convertidores de CC/CC locales donde la tensión se reduce a 12 voltios lo más cerca posible de la carga. (Fuente de la imagen: Vicor)

La arquitectura centralizada convierte la fuente de 48 voltios a 12 voltios a través de una "caja de plata", un gran convertidor de CC/CC que utiliza topologías de conmutación antiguas de modulación por ancho de pulsos (PWM) de baja frecuencia. La alimentación se distribuye desde la caja plateada a 12 voltios. Para una potencia dada entregada a la carga, el nivel de corriente a 12 voltios es cuatro veces mayor que la corriente entregada bajo un potencial de 48 voltios. Esto significa que la pérdida de potencia resistiva, que es proporcional al cuadrado de la corriente, es 16 veces mayor.

Por otro lado, la arquitectura zonal distribuye la fuente de 48 voltios a las zonas locales, donde convertidores de CC/CC de 48 a 12 voltios más pequeños y eficientes alimentan las cargas. Los niveles de corriente más bajos requieren secciones transversales de conductores y conectores más pequeñas, lo que se traduce en mazos de cableado de menor coste y peso. Los convertidores locales se colocan más cerca de la carga para minimizar las longitudes del cableado de alimentación de 12 voltios.

En el sistema zonal, las fuentes de calor se distribuyen ampliamente por las zonas del vehículo en lugar de concentrarse cerca de la fuente. Esto mejora la disipación general del calor, lo que permite que los distintos convertidores funcionen en entornos con temperaturas más bajas. El resultado es una mayor eficiencia operativa y una mayor fiabilidad.

Diseño de fuentes de alimentación PDN

Aunque es posible crear un diseño de convertidor PDN personalizado utilizando componentes discretos, el diseño de la fuente de alimentación es una tarea formidable. Pocos ingenieros tienen los conocimientos o la experiencia necesarios para cumplir los requisitos normativos y de aplicación. Un enfoque modular es una opción más sencilla y mejor.

Los diseños de PDN modulares dependen de la disponibilidad de un inventario de módulos de alimentación que ofrezca un amplio rango de funciones relacionadas con la alimentación para permitir arquitecturas flexibles y escalables (Figura 2).

Figura 2: Los diseños de PDN modulares dependen de un proveedor con una amplia variedad de soluciones para garantizar la flexibilidad y escalabilidad. (Fuente de la imagen: Vicor)

La arquitectura zonal básica PDN (arriba a la izquierda) distribuye la fuente de alimentación de 48 voltios a convertidores modulares de CC/CC locales, reduciendo el voltaje a los niveles necesarios. Si se produce un cambio en las necesidades de carga, basta con cambiar a un módulo de mayor potencia de salida (centro superior). Para añadir una nueva carga basta con añadir otro convertidor modular (arriba a la derecha). No es necesario cambiar la configuración de la fuente.

Es posible reducir las pérdidas en el carril de alimentación con un pequeño cambio a una arquitectura factorizada (abajo a la izquierda). La arquitectura factorizada divide la regulación de potencia y la transformación de tensión/corriente en dos módulos independientes. El módulo prerregulador (PRM) gestiona las funciones de regulación del voltaje. La corriente de bus factorizada se detecta para regular la tensión de salida del carril. El módulo de transformación de tensión (VTM), que actúa de forma similar a un transformador de CC, gestiona la reducción de tensión/multiplicación de corriente. El VTM es más pequeño que un módulo convertidor CC/CC completo y puede colocarse más cerca de la carga para reducir las pérdidas por resistencia. Además, su baja impedancia de salida requiere condensadores de salida más pequeños. Esto significa que los condensadores cerámicos más pequeños pueden sustituir a los condensadores de mayor tamaño cerca de la carga.

La necesidad de mayor potencia puede satisfacerse conectando en paralelo varios módulos convertidores (centro inferior). La actualización a fuentes de voltaje más alto, como 400 u 800 voltios, puede realizarse añadiendo un módulo reductor de relación fija y un módulo convertidor de bus (BCM) para reducir el voltaje de la fuente a niveles de bus de voltaje extra bajo de seguridad (SELV) (abajo a la derecha). Tenga en cuenta que el bus SELV es una norma de seguridad que especifica el límite máximo de voltaje de los dispositivos eléctricos para garantizar la seguridad frente a descargas eléctricas. Los niveles de voltaje SELV suelen ser inferiores a 53 voltios.

Estos ejemplos dan una idea de la flexibilidad y escalabilidad que ofrece la arquitectura zonal. Vicor ofrece una amplia gama de módulos convertidores en su serie DCM que se adaptan a estas diversas aplicaciones. La empresa fue pionera en varios avances revolucionarios en el diseño de módulos de potencia, como los paquetes Converter housed in Package (ChiP) y Vicor Integrated Adaptador (VIA) (Figura 3).

Figura 3: Ejemplos de las configuraciones físicas ChiP y VIA de la Serie DCM. (Fuente de la imagen: Vicor)

Estos paquetes multiplican por cuatro la densidad de potencia en comparación con las configuraciones anteriores, al tiempo que reducen en un 20% las pérdidas de potencia. El ChiP utiliza estructuras magnéticas montadas a través de un sustrato de alta densidad. Los demás componentes se montan a dos caras para duplicar la densidad de potencia. Los componentes están dispuestos simétricamente dentro del envase para mejorar el rendimiento térmico. Esta disposición avanzada, junto con el material optimizado del compuesto del molde, produce trayectorias térmicas mejoradas. El módulo ChiP presenta una baja impedancia térmica en las superficies superior e inferior. La refrigeración puede aumentarse mediante disipadores térmicos acoplados térmicamente a las superficies superior e inferior, así como a través de las conexiones eléctricas. El módulo VIA añade al elemento estructural básico "ladrillo" un filtrado integrado de interferencias electromagnéticas (EMI), una mejor regulación de la tensión de salida y una interfaz de control secundaria.

Ejemplo de módulos convertidores de CC/CC de la serie DCM

La Serie DCM es un ejemplo de convertidor CC/CC regulado y aislado de uso general. Trabajando a partir de una fuente no regulada de amplio rango de voltaje como entrada, el convertidor genera una potencia de salida regulada por voltaje a niveles de hasta 1300 Vatios a corrientes de salida de hasta 46.43 amperios (A). Ofrece un aislamiento de hasta 4.242 voltios CC entre la entrada y la salida. El aislamiento se refiere al aislamiento galvánico, lo que significa que no fluye corriente directamente entre la entrada y la salida. Este aislamiento puede ser exigido por las normas de seguridad si las tensiones de entrada pueden ser perjudiciales para las personas. El hecho de que la salida flote respecto a la entrada también permite invertir o cambiar la polaridad de salida.

La familia DCM utiliza una topología de conmutación de voltaje cero (ZVS), que reduce las elevadas pérdidas de encendido habituales en los convertidores PWM convencionales mediante la conmutación suave de los dispositivos de potencia. La conmutación de voltaje cero (ZVS) permite funcionar a mayor frecuencia y con voltajes de entrada más altos sin sacrificar la eficiencia. Estos convertidores funcionan a frecuencias de conmutación que oscilan entre 500 kilohercios (kHz) y cerca de 1 megahercio (MHz). El uso de esta alta frecuencia de conmutación también reduce el tamaño de los componentes magnéticos y capacitivos de almacenamiento de energía asociados, lo que mejora la densidad de potencia. Se pueden alcanzar densidades de potencia y eficiencias de hasta 1244 Vatios por Pulgada Cúbica (W/in³) y 96%, respectivamente.

La serie DCM está disponible en tres tamaños de encapsulado: DCM2322, DCM3623 y DCM4623, con rangos de tensión de entrada y niveles de potencia de salida superpuestos (Figura 4).

Figura 4: Se muestra un gráfico resumen de las características eléctricas de los convertidores de CC/CC de la serie DCM, incluidos los rangos de tensión de entrada y salida. (Fuente de la imagen: Vicor)

Los rangos de tensión de entrada de las tres familias de convertidores cubren de 9 a 420 voltios con salidas SELV en pasos que van de 3 a 52.8 voltios CC. Los límites de voltaje de salida se pueden recortar en un rango de -40% a +10% del voltaje de salida nominal. Las salidas tienen un límite de corriente totalmente operativo para mantener el convertidor dentro de su zona de funcionamiento seguro, basado en la potencia media máxima de salida, independientemente del ajuste de la tensión de salida.

La serie DCM incluye protección contra fallos por subtensión y/o sobretensión de entrada, sobretemperatura, sobretensión de salida, sobrecorriente de salida y cortocircuito de salida.

En la Tabla 1 se muestran ejemplos de varios productos DCM, incluidos los tres tamaños de encapsulado y una serie de rangos de voltaje de entrada y potencia máxima.

Tabla 1: Las características de los convertidores DCM de uso común ilustran la gama de voltaje de entrada, voltaje de salida y niveles de potencia disponibles para satisfacer una amplia gama de requisitos de aplicación. (Fuente de la tabla: Art Pini)

La tabla resume las características clave de cada uno de los convertidores DCM de ejemplo y proporciona sus dimensiones físicas. Esta es una pequeña muestra de la variedad de modelos DCM disponibles.

Aplicaciones típicas

Los convertidores DCM pueden aplicarse individualmente, y la mayoría también pueden funcionar en paralelo. Cuando se utiliza sola, la salida puede alimentar varias cargas, incluidos los reguladores de punto de carga (POL) no aislados (figura 5).

Figura 5: Se muestra una aplicación típica del DCM3623T75H06A6T00 accionando una carga directa, así como un regulador POL no aislado. (Fuente de la imagen: Vicor)

El circuito es sencillo. Los componentes L1, C1, R4, C4 y Cy forman el filtro EMI (interferencia electromagnética) de entrada. El capacitor de salida C_Out-Ext, junto con R_Out-Ext, proporciona estabilidad al bucle de control. La resistencia puede ser la resistencia equivalente en serie (ESR) del capacitor, con un valor de unos 10 miliohmios (mΩ). El capacitor debe estar situado físicamente cerca de las clavijas de salida del convertidor. _Rdm, _Lb, _{L2 y C2} forman un filtro de salida en modo diferencial. La frecuencia de corte del filtro se ajusta a una décima parte de la frecuencia de conmutación.

La mayoría de los convertidores DCM pueden funcionar con sus salidas conectadas en paralelo (modo matriz). Esto aumenta la potencia suministrada a la carga combinando las salidas de hasta ocho módulos (Figura 6).

Figura 6: El circuito muestra el funcionamiento en matriz paralela de cuatro convertidores DCM que accionan una carga común. (Fuente de la imagen: Vicor)

Los componentes externos realizan las mismas funciones que en el ejemplo del convertidor simple. En el modo de matriz, cada módulo DCM debe ver un valor mínimo de capacitancia de salida antes que cualquier inductancia en serie, y debe estar situado más cerca del convertidor individual que de la unión de salida. En las matrices en las que todos los "N" módulos DCM se ponen en marcha simultáneamente, el valor máximo de la capacitancia de salida puede ser hasta N veces C_out-Ext. También es necesario que la impedancia de la fuente de alimentación sea inferior a la mitad de la impedancia de entrada de la matriz DCM para garantizar la estabilidad y minimizar los anillos.

Conclusión:

Aplicaciones como los vehículos y los VE están experimentando un notable cambio de arquitecturas PDN centralizadas a descentralizadas. Los convertidores de CC/CC necesarios para cumplir los requisitos de eficiencia, densidad de potencia y peso son difíciles de diseñar con componentes discretos. En cambio, los diseñadores pueden reducir tiempo y costes utilizando las soluciones modulares de fuente de alimentación de la serie DCM de Vicor. Como se ha demostrado, estos módulos están a la vanguardia de paquetes avanzados como ChiP y VIA, y las innovadoras topologías de conmutación de voltaje cero (ZVS) son escalables y versátiles, y dan respuesta a una amplia variedad de aplicaciones diversas.