Implante redes de fornecimento de energia inovadoras usando conversores de energia modulares

As redes de fornecimento de energia (PDNs) de veículos elétricos (EV) estão mudando rapidamente. As fontes de energia elétrica tradicionais, como a bateria de chumbo-ácido de 12 volts, estão dando lugar a fontes de 48 volts ou mais. Ao mesmo tempo, muitos motores, bombas, sensores e atuadores ainda operam nos níveis de tensão tradicionais. Como resultado, as tensões de nível superior devem ser reduzidas e distribuídas com eficiência para essas várias cargas. Para conseguir isso e, ao mesmo tempo, minimizar as quedas de tensão resistivas e as perdas de energia associadas, os arquitetos de sistemas de energia estão migrando de uma abordagem centralizada (com um grande conversor CC/CC próximo à fonte) para uma arquitetura descentralizada (em que uma alta tensão é distribuída para conversores de energia próximos a cada uma das cargas de baixa tensão).

Essa PDN descentralizada exige fontes de alimentação leves com alta densidade de potência, eficiência ideal e tamanho reduzido. Embora o uso de componentes discretos convencionais, para projetar esses conversores internamente, possa ser tentador para otimizar um projeto, também pode ser uma tarefa assustadora.

Há uma opção melhor: dispositivos modulares prontos para uso de uma fonte com ampla experiência em design e uma variedade de soluções para os requisitos de PDN, como faixa da tensão de entrada, tensão de saída, potência, densidade e eficiência.

Este artigo discute as necessidades de uma PDN moderna e os requisitos típicos da fonte de alimentação. O artigo também apresenta exemplos de soluções de fontes de alimentação modulares da Vicor e mostra como elas podem ser aplicadas em PDNs econômicas e de alto desempenho.

Evolução da PDN

Os EVs elétricos e híbridos precisam de autonomia máxima e tempo mínimo de recarga, ao mesmo tempo, em que fornecem uma gama completa de serviços para motoristas e passageiros. Esses requisitos enfatizam os projetos eficientes e leves. Consequentemente, os fabricantes de veículos estão fazendo a transição de uma arquitetura PDN centralizada para uma arquitetura zonal descentralizada (Figura 1).

Figura 1: A arquitetura centralizada converte a tensão da fonte para a tensão da carga de 12 volts perto da fonte e a distribui por todo o veículo; a arquitetura zonal descentralizada distribui a tensão da fonte para conversores CC/CC locais, onde a tensão é reduzida para 12 volts o mais próximo possível da carga. (Fonte da imagem: Vicor)

A arquitetura centralizada converte a fonte de 48 volts em 12 volts por meio de uma "caixa prateada", um grande conversor CC/CC que usa topologias de chaveamento via modulação por largura de pulso (PWM) mais antigas e de baixa frequência. A energia é então distribuída pela caixa prateada a 12 volts. Para uma determinada potência fornecida à carga, o nível de corrente em 12 volts é quatro vezes maior do que a corrente fornecida em um potencial de 48 volts. Isso significa que a perda resistiva de potência, que é proporcional ao quadrado da corrente, é 16 vezes maior.

Por outro lado, a arquitetura zonal distribui a fonte de 48 volts para as zonas locais, onde conversores CC/CC de 48 a 12 volts menores e de maior eficiência alimentam as cargas. Níveis mais baixos de corrente exigem seções transversais menores dos condutores e conectores, resultando em chicotes de fiação de menor custo e peso. Os conversores locais são colocados mais perto da carga para minimizar o comprimento da fiação de energia de 12 volts.

No sistema zonal, as fontes de calor são amplamente distribuídas pelas zonas do veículo, em vez de ficarem concentradas perto da fonte. Isso melhora a dissipação geral de calor, permitindo que os conversores individuais operem em ambientes com temperaturas mais baixas. O resultado é uma maior eficiência operacional e maior confiabilidade.

Projeto de fontes de alimentação PDN

Embora seja possível criar um projeto de conversor PDN personalizado usando componentes discretos, o projeto da fonte de alimentação é uma tarefa formidável. Poucos engenheiros têm as habilidades ou a experiência necessárias para atender aos requisitos regulamentares e da aplicação. Uma abordagem modular é uma opção mais simples e melhor.

Os projetos modulares de PDN dependem da disponibilidade de um inventário de módulos de energia que ofereça uma ampla gama de funções relacionadas à energia para permitir arquiteturas flexíveis e dimensionáveis (Figura 2).

Figura 2: Os projetos modulares de PDN dependem de um fornecedor com uma ampla variedade de soluções para garantir flexibilidade e escalabilidade. (Fonte da imagem: Vicor)

A arquitetura PDN zonal básica (canto superior esquerdo) distribui a fonte de alimentação de 48 volts para conversores modulares CC/CC locais, reduzindo a tensão para os níveis necessários. Se houver uma alteração nos requisitos da carga, é feita uma atualização simples para um módulo com um dimensionamento de potência mais alta (centro superior). A adição de uma nova carga requer apenas a adição de outro conversor modular (canto superior direito). Não há necessidade de alterar a configuração de origem.

Uma redução nas perdas da trilha de alimentação pode ser obtida com uma pequena alteração em uma arquitetura decomposta (canto inferior esquerdo). A arquitetura decomposta divide a regulagem de energia e a transformação de tensão/corrente em dois módulos separados. O módulo pré-regulador (PRM) gerencia as funções de regulagem de tensão. A corrente de barramento decomposta é detectada para regular a tensão de saída da trilha. O módulo de transformação de tensão (VTM), que atua de forma semelhante a um transformador CC, gerencia a redução da tensão e a multiplicação da corrente. O VTM é menor do que um módulo conversor CC/CC completo e pode ser colocado mais próximo da carga para reduzir as perdas de resistência. Além disso, sua baixa impedância de saída exige capacitores menores de saída. Isso significa que os capacitores de cerâmica menores podem substituir os capacitores volumosos maiores perto da carga.

A necessidade de maior potência pode ser atendida com a ligação em paralelo de vários módulos conversores (centro inferior). A atualização para fontes de tensão mais altas, como 400 ou 800 volts, pode ser realizada com a adição de um módulo abaixador de relação fixa e um módulo conversor de barramento (BCM) para reduzir a tensão da fonte até os níveis de barramento de tensão extra baixa de segurança (SELV) (canto inferior direito). Observe que o barramento SELV é um padrão de segurança que especifica o limite máximo de tensão para dispositivos elétricos a fim de garantir a segurança contra choques elétricos. Os níveis de tensão SELV são geralmente inferiores a 53 volts.

Esses exemplos oferecem uma visão da flexibilidade e da escalabilidade disponíveis com a arquitetura zonal. A Vicor oferece uma ampla gama de módulos conversores em sua série DCM que se adaptam a essas diversas aplicações. A empresa foi pioneira em vários avanços revolucionários no projeto de módulos de potência, incluindo os invólucros ChiP (Converter-housed-in-Package) e VIA (Vicor-Integrated-Adapter) (Figura 3).

Figura 3: Exemplos de configurações físicas ChiP e VIA da série DCM. (Fonte da imagem: Vicor)

Esses invólucros aumentam a densidade de potência por um fator de quatro em comparação com as configurações de invólucros anteriores e, ao mesmo tempo, alcançam uma redução de 20% nas perdas de potência. O ChiP usa estruturas magnéticas montadas em um substrato de alta densidade. Outros componentes são montados usando um layout de dupla face para dobrar a densidade de potência. Os componentes são dispostos simetricamente dentro do invólucro para melhorar o desempenho térmico. Esse layout avançado, juntamente com o material composto do molde otimizado, produz caminhos térmicos aprimorados. O módulo ChiP tem baixa impedância térmica na superfície superior e inferior. O resfriamento pode ser aumentado com o uso de dissipadores de calor acoplados termicamente às superfícies superior e inferior, bem como por meio das conexões elétricas. O módulo VIA adiciona filtragem integrada contra interferência eletromagnética (EMI), melhor regulagem da tensão de saída e uma interface de controle secundária ao elemento estrutural básico do "bloco".

Exemplo de módulos conversores CC/CC da série DCM

A série DCM é um exemplo de conversor CC/CC regulado e isolado para uso geral. Trabalhando com uma fonte não regulada de ampla faixa de tensão como entrada, o conversor gera uma saída de alimentação regulada por tensão em níveis de até 1.300 watts com correntes de saída de até 46,43 amperes (A). Oferece isolação de até 4.242 volts CC entre a entrada e a saída. A isolação refere-se ao isolamento galvânico, o que significa que nenhuma corrente flui diretamente entre a entrada e a saída. Essa isolação pode ser exigida pelas normas de segurança se as tensões de entrada forem prejudiciais aos seres humanos. O fato de a saída estar flutuando em relação à entrada também permite a inversão ou a mudança da polaridade da saída.

A família DCM usa uma topologia de chaveamento de tensão zero (ZVS), que reduz as altas perdas de ativação comuns nos conversores PWM convencionais por meio da comutação suave dos dispositivos de potência. O ZVS permite operações em uma frequência mais alta e em tensões de entrada mais altas sem sacrificar a eficiência. Esses conversores operam em frequências de chaveamento que variam de 500 quilohertz (kHz) a quase 1 megahertz (MHz). O uso dessa alta frequência de chaveamento também reduz o tamanho dos componentes de armazenamento de energia magnéticos e capacitivos associados, melhorando a densidade de potência. É possível obter densidades de potência e eficiências de até 1244 watts por polegada cúbica (W/in^.3) e 96%, respectivamente.

A série DCM está disponível em três tamanhos de invólucros: DCM2322, DCM3623 e DCM4623, com faixas da tensão de entrada e níveis de potência de saída sobrepostos (Figura 4).

Figura 4: é mostrado um gráfico resumido das características elétricas dos conversores CC/CC da série DCM, incluindo as faixas da tensão de entrada e saída. (Fonte da imagem: Vicor)

As faixas da tensão de entrada das três famílias de conversores abrangem de 9 a 420 volts com saídas SELV em incrementos que variam de 3 a 52,8 volts CC. Os limites da tensão de saída podem ser ajustados na faixa de -40% a +10% da tensão de saída nominal. As saídas têm um limite de corrente totalmente operacional para manter o conversor dentro de sua área de operação segura, com base na potência média máxima de saída, independentemente da configuração da tensão de saída.

A série DCM inclui proteção contra falhas de subtensão e/ou sobretensão na entrada, temperatura excessiva, sobretensão de saída, sobrecorrente de saída e curto-circuito de saída.

Exemplos de vários produtos DCM, incluindo os três tamanhos de invólucros e uma variedade de tensões de entrada e faixas de potência máxima, são mostrados na Tabela 1.

Tabela 1: As características dos conversores DCM comumente usados ilustram a faixa da tensão de entrada, tensão de saída e níveis de potência disponíveis para atender a uma ampla gama de requisitos das aplicações. (Fonte da tabela: Art Pini)

A tabela resume as principais características de cada um dos exemplos de conversores DCM e fornece suas dimensões físicas. Esta é uma pequena amostra da variedade de modelos de DCM disponíveis.

Aplicações típicas

Os conversores DCM podem ser aplicados individualmente, e a maioria também pode ser operada em paralelo. Quando usada sozinha, a saída pode alimentar várias cargas, inclusive reguladores de ponto de carga (POL) não isolados (Figura 5).

Figura 5: É mostrada uma aplicação típica do DCM3623T75H06A6T00 acionando uma carga direta, bem como um regulador POL não isolado. (Fonte da imagem: Vicor)

O circuito é simples. Os componentes L1, C1, R4, C4 e Cy formam o filtro EMI de entrada. O capacitor de saída C_Out-Ext, juntamente com o R_Out-Ext, proporciona estabilidade à malha de controle. O resistor pode ser a resistência equivalente em série (ESR) do capacitor, com um valor de cerca de 10 miliohms (mΩ). O capacitor deve estar localizado fisicamente próximo aos pinos de saída do conversor. R_dm, L_b, L_{2 e} C₂ formam um filtro de saída de modo diferencial. A frequência de corte do filtro é definida como um décimo da frequência de chaveamento.

A maioria dos conversores DCM pode operar com suas saídas ligadas em paralelo (modo de matriz). Isso aumenta a potência de saída fornecida à carga, combinando as saídas de até oito módulos (Figura 6).

Figura 6: O circuito mostra a operação de matriz paralela de quatro conversores DCM acionando uma carga comum. (Fonte da imagem: Vicor)

Os componentes externos executam as mesmas funções que no exemplo do conversor único. No modo de matriz, cada módulo DCM deve ter um valor mínimo de capacitância de saída antes de qualquer indutância em série, e deve estar localizado mais próximo do conversor individual do que da junção de saída. Em matrizes em que todos os "N" módulos DCM são iniciados simultaneamente, o valor máximo da capacitância de saída pode ser de até N vezes C_out-Ext. Também há requisitos para que a impedância da fonte de alimentação seja menor que a metade da impedância de entrada da matriz de DCMs para garantir a estabilidade e minimizar o zumbido.

Conclusão

Aplicações como veículos e EVs estão passando por uma mudança notável de arquiteturas PDN centralizadas para descentralizadas. Os conversores CC/CC necessários para atender aos requisitos de eficiência, densidade de potência e peso associados são difíceis de projetar usando componentes discretos. Em vez disso, os projetistas podem reduzir o tempo e o custo usando as soluções de fonte de alimentação modular da série DCM da Vicor. Conforme demonstrado, esses módulos estão na vanguarda de invólucros avançados, como ChiP e VIA, e as topologias ZVS inovadoras são dimensionáveis e versáteis, atendendo a uma ampla variedade de aplicações.