Újszerű áramellátó hálózatok kiépítése modulrendszerű áramátalakítók használatával

A villanyjárművek (EV, electric vehicle) áramellátó hálózatai (PDN, power delivery network) gyorsan változnak. A hagyományos villamos áramforrások, például a 12 V-os ólom–sav akkumulátor egyre inkább átadják a helyüket a 48 V-os vagy annál nagyobb feszültségű áramforrásoknak. Ugyanakkor számos villanymotor, szivattyú, érzékelő és működtetőelem még mindig hagyományos feszültségszintekről működik. Emiatt a nagyobb feszültségeket hatékonyan kell csökkenteni, és a különböző fogyasztók között elosztani. Ennek elérése érdekében – az ohmos ellenállások miatti feszültségesések és az ezekhez kapcsolódó energiaveszteségek minimálisra csökkentése mellett – az energiarendszerek tervezői a központosított (idegen szóval centralizált) rendszerkialakításról (amely egy nagy egyenáram-átalakítót használ az áramforrás közelében) az elosztott (decentralizált) architektúra felé mozdulnak el (ahol a nagyfeszültséget a kisebb feszültségű terhelések közelében lévő áramátalakítókra osztják el).

Ez az elosztott áramellátó hálózat nagy teljesítménysűrűségű, optimális hatásfokú és kis helyigényű könnyű tápegységeket igényel. Bár a tervezés optimalizálása érdekében csábító lehet a hagyományos diszkrét alkatrészekből felépített áramátalakítók házon belüli tervezése, de egyben ijesztő feladatot is jelenthet.

Van azonban egy ennél jobb megoldás is: olyan forrásból származó készen kapható modulrendszerű eszközök, amelynek széles körű tervezési tapasztalata és az áramellátó hálózatok támasztotta követelményeket kielégítő számos megoldása van. Ilyen követelmény például a bemenőfeszültség-tartomány, a kimenőfeszültség, a teljesítménysűrűség és a hatásfok.

Ez a cikk a korszerű áramellátó hálózatok igényeit és a tápegységekkel szemben támasztott általános követelményeket tárgyalja. Ezenkívül példaként bemutatja a Vicor cég néhány modulrendszerű tápegységét is, és ismerteti, hogyan lehet ezeket nagy teljesítményű, költségtakarékos áramellátó hálózatok tervezéséhez felhasználni.

Az áramellátó hálózatok fejlődése

A villanyjárművek és a hibrid villanyjárművek esetében minél nagyobb hatótávolságra és minél rövidebb töltési időre van szükség, miközben a vezető és az utasok számára a szolgáltatások széles skáláját kell nyújtaniuk. Ezek a követelmények a jó hatásfokú, kis tömegű készülékekre helyezik a hangsúlyt. Következésképpen a járműgyártók napjainkban a központosított áramellátó hálózatokról az elosztott zónás kialakítású rendszerekre állnak át (1. ábra).

1. ábra: A központosított architektúra a forrásfeszültséget az áramforrás közelében alakítja át a terheléseket ellátó 12 V-os tápfeszültséggé, és azt osztja el a teljes járműben, míg az elosztott zónás kialakítású rendszer helyi egyenáram-átalakítókra osztja el a forrásfeszültséget, és a terheléshez a lehető legközelebb csökkentik azt 12 V-ra (ábra: Vicor)

A központosított architektúra a 48 V-os forrásfeszültséget 12 V-osra alakítja át egy „szürke dobozon” keresztül, amely egy régebbi, kis frekvenciájú impulzusszélesség-modulációs (PWM) kapcsolóáramköröket használó nagy egyenáram-átalakító. A áramellátás ezt követően a szürke dobozból, 12 V-on történik. A terhelésre jutó adott teljesítmény esetében az áramerősség 12 V-os feszültségen négyszer akkora, mint 48 V-os feszültségen. Ez azt jelenti, hogy az ohmos ellenállások miatti teljesítményveszteség, amely az áramerősség négyzetével arányos, 12 V-os feszültséget használva 16-szor akkora.

Ezzel szemben az elosztott zónás architektúra a 48 V-os forrásfeszültséget helyi zónákra osztja el, ahol kisebb, jobb hatásfokú, a 48 V-ot 12 V-tá alakító egyenáram-átalakítók látják el a fogyasztókat. A kisebb áramerősségek kisebb vezeték- és csatlakozó-keresztmetszetet igényelnek, ami olcsóbb és könnyebb kábelkötegeket eredményez. A helyi áramátalakítók közelebb vannak a terheléshez, hogy a 12 V-os tápkábelek hossza a lehető legrövidebbre csökkenjen.

A zónás rendszerben a hőforrások széles körben oszlanak el a jármű zónáiban, nem a feszültségforrás közelében koncentrálódnak. Ez javítja a hűtést úgy általában, lehetővé téve, hogy az egyes áramátalakítók alacsonyabb hőmérsékletű környezetben működjenek. Az eredmény: jobb működési hatásfok és nagyobb megbízhatóság.

Tápegységek tervezése áramellátó hálózatokhoz

Bár lehet egyedi áramellátó hálózathoz való áramátalakítót tervezni diszkrét alkatrészek felhasználásával, a tápegységtervezés félelmetes feladat. Kevés mérnöknek vannak meg a szükséges készségei és tapasztalata ahhoz, hogy megfeleljen a felhasználási területek és a szabályozások támasztotta követelményeknek. A modulrendszerű kialakítás egyszerűbb és jobb megoldás.

Az áramellátó hálózathoz tervezett modulrendszerű berendezések tervezése az áramellátással kapcsolatos funkciók széles skáláját kínáló tápegységmodulok beszerezhetőségétől függ. Ezekre a tápegységmodulokra azért van szükség, hogy rugalmas és méretezhető architektúrákat lehessen kialakítani (2. ábra).

2. ábra: Hogy az áramellátó hálózathoz tervezett modulrendszerű berendezések kellő mértékű rugalmasságot és méretezhetőséget tegyenek lehetővé, tervezőik a megoldások széles választékát kínáló beszállítókra támaszkodnak (ábra: Vicor)

Az alapszintű elosztott zónás áramellátó hálózati architektúra (balra fent) a 48 V-os áramforrás energiáját elosztja a helyi modulrendszerű egyenáram-átalakítókra, amelyek a feszültséget a szükséges értékűre csökkentik. Ha a terhelési követelmények megváltoznak, akkor a modult egyszerűen csak egy nagyobb teljesítményűre kell cserélni (fent középen). Új terhelés hozzáadásához pusztán egy újabb modulrendszerű átalakítóval kell bővíteni a rendszert (jobbra fent). Nincs szükség az áramforrás kialakításának módosítására.

Az áramellátó sín veszteségeinek csökkentése a több részre osztott rendszerre való kisebb változtatással érhető el (balra lent). A több részre osztott rendszer a teljesítményszabályozást, illetve a feszültség- és áramátalakítást két különálló modulra osztja. A feszültségszabályozási funkciókat az előszabályozó modul (PRM, pre-regulator module) kezeli. A több részre osztott sín áramerősségét érzékelőkkel mérik a sín feszültségének szabályozásához. A feszültségcsökkentést és az áramsokszorozást a feszültségátalakító modul (VTM, voltage transformation module) kezeli, amely úgy működik, mint egy egyenáramú transzformátor. A feszültségátalakító modul kisebb, mint egy teljes egyenáram-átalakító modul, és az ohmos ellenállás okozta veszteségek csökkentése érdekében közelebb helyezhető a terheléshez. Emellett a kisebb kimeneti impedancia miatt kisebb értékű kimeneti kondenzátorokra van szükség. Ez azt jelenti, hogy a nagyobb méretű kondenzátorokat kisebb térfogatú kerámiakondenzátorokkal lehet helyettesíteni, és azokat a terhelés közelében lehet elhelyezni.

A nagyobb teljesítményigény több párhuzamosan kapcsolt átalakítómodullal elégíthető ki (lent középen). A nagyobb feszültségű, például 400 vagy 800 V-os áramforrásokra történő fejlesztés egy állandó arányú feszültségcsökkentő modul és egy sínátalakító modul (BCM, bus converter module) hozzáadásával valósítható meg, amely a forrásfeszültséget a SELV (safety extra-low voltage, biztonságos rendkívül kis feszültség) sínfeszültségszintre csökkenti (jobbra lent). Itt jegyezzük meg, hogy a SELV sín egy biztonsági szabvány, amely a villamos készülékek feszültségének felső határértékét szabja meg az áramütés elleni védelem érdekében. A SELV-feszültségszintek általában 53 V alatt vannak.

Ezek a példák némiképp szemléltetik, mekkora rugalmasság és méretezhetőség érhető el az elosztott zónás architektúrával. A Vicor cég a DCM termékcsaládjában az áramátalakító modulok széles választékát kínálja, amelyek megfelelnek a különféle felhasználási területekre. A vállalat úttörő szerepet játszott az áramellátó modulok tervezésében, ilyenek többek között az egy tokban elhelyezett áramátalakítók (ChiP, Converter housed in Package) és a Vicor beépített adapterek (VIA, Vicor Integrated Adapter) (3. ábra).

3. ábra: Példák az egy tokban elhelyezett áramátalakítók és a Vicor beépített adapterek fizikai kialakítására (kép: Vicor)

Ezek az eszközök a korábbi hasonló rendeltetésű eszközökhöz képest négyszeresére növelik a teljesítménysűrűséget, miközben 20%-kal csökkentik a teljesítményveszteséget. Az egy tokban elhelyezett áramátalakítók nagy sűrűségű hordozóra szerelt mágneses struktúrákat használnak. A többi alkatrész kétoldalas elrendezéssel van felszerelve a teljesítménysűrűség megkétszerezése érdekében. Az alkatrészek a jobb hűtés érdekében szimmetrikusan vannak elhelyezve a tokban. Ez az átgondolt elrendezés, valamint az optimalizált kitöltőanyag-keverék jobb hőelvezetési utakat eredményez. Az egy tokban elhelyezett áramátalakító moduloknak kicsi a hőimpedanciájuk a felső és az alsó felületükön is. A hűtés a felső és az alsó felülethez hőcsatolással csatlakoztatott hűtőbordákkal, valamint a villamos csatlakozások kialakításával javítható. A Vicor beépített adapter modulok beépített elektromágneses (EMI) zavarszűréssel, jobb kimenőfeszültség-szabályozással és egy másodlagos vezérlőfelülettel egészítik ki az alapul szolgáló, téglatest formájú szerkezeti elemet.

Néhány DCM sorozatú egyenáram-átalakító modul

A DCM termékcsaládba szabályozott és leválasztott általános célú egyenáram-átalakítók tartoznak. Az áramátalakító bemenete, amelyről működik, egy szabályozatlan, széles bemenőfeszültség-tartományú áramforrás. Az áramátalakító akár 1300 W szabályozott feszültségű kimenőteljesítményt is képes előállítani legfeljebb 46,43 A kimenő áramerősséggel. A bemenet és a kimenet közötti egyenáramú leválasztás eléri a 4242 V-ot. A leválasztás a galvanikus szigetelésre utal, ami azt jelenti, hogy a bemenet és a kimenet között közvetlenül nem folyik áram. Ezt a leválasztást a biztonsági szabványok is megkövetelhetik, ha a bemenőfeszültségek emberre ártalmas mértékűek lehetnek. A kimenetnek a bemenethez képesti lebegése lehetővé teszi a kimeneti polaritás megfordítását vagy eltolását is.

A DCM termékcsalád nullfeszültségen kapcsoló (ZVS, zero-voltage switching) áramköri elrendezést használ, amely a tápegységek lágy kapcsolásával csökkenti a hagyományos impulzusszélesség-modulációs (PWM-es) áramátalakítóknál általános nagy nyitási veszteségeket. A nullfeszültségen kapcsolás lehetővé teszi a nagyobb frekvencián és nagyobb bemenőfeszültségen történő működést a hatásfok feláldozása nélkül. Ezek az áramátalakítók 500 kHz és közel 1 MHz közötti kapcsolási frekvenciákon működnek. A nagy kapcsolási frekvencia használata csökkenti a kapcsolódó mágneses és kapacitív energiatároló alkatrészek méretét is, ami növeli a teljesítménysűrűséget. Így akár 1244 W/in.³ (watt/köbhüvelyk) (75,9 W/cm³) teljesítménysűrűség és 96%-os hatásfok is elérhető.

A DCM sorozat háromféle tokméretben kapható: DCM2322, DCM3623 és DCM4623, egymást átfedő bemenőfeszültség-tartományokkal és kimenőteljesítmény-szintekkel (4. ábra).

4. ábra: A DCM sorozatú egyenáram-átalakítók villamos jellemzőit összefoglaló ábra, amelyen láthatóak a bemenő- és kimenőfeszültség-tartományok is (ábra: Vicor)

A három áramátalakító-család bemenőfeszültség-tartománya 9 V és 420 V közötti, míg a kimenő SELV-szintek 3 V-tól és 52,8 V egyenfeszültségig terjednek, több lépésben. A kimenőfeszültség-határok a névleges kimenőfeszültség –40%-a és +10%-a közötti tartományban állíthatóak. A kimenetek teljes mértékben működőképes áramkorlátozással vannak ellátva, hogy az áramátalakítót a legnagyobb átlagos kimenőteljesítmény alapján a kimenőfeszültség-beállítástól függetlenül a biztonságos működési tartományon belül tartsák.

A DCM sorozat hibavédelemmel van ellátva a bemeneti feszültségesés és túlfeszültség, a túlmelegedés, a kimeneti túlfeszültség, a kimeneti túláram és kimeneti rövidzárlat ellen.

Az 1. táblázatban néhány DCM áramátalakító adatai láthatóak mindhárom tokméretből, valamint a bemenőfeszültség-tartományuk és a legnagyobb teljesítményük.

1. táblázat: Az általánosan használt DCM áramátalakítók jellemzői szemléltetik a felhasználási követelmények széles körének kielégítésére alkalmas bemenőfeszültség-tartományokat, kimenőfeszültségeket és teljesítményszinteket (táblázat: Art Pini)

A táblázat néhány DCM áramátalakító főbb jellemzőit és fizikai méreteit tartalmazza. Ez azonban csak egy kis ízelítő a beszerezhető DCM áramátalakító-típusok sokféleségéből.

Jellegzetes felhasználási területek

A DCM áramátalakítók használhatók önállóan, de a legtöbbjük párhuzamosan kapcsolva is. Önállóan használva a kimenet több terhelést is elláthat árammal, beleértve a terhelésponti (POL, point-of-load) nem leválasztott feszültségszabályozókat is (5. ábra).

5. ábra: A DCM3623T75H06A6T00 egy közvetlen terheléseket, valamint egy terhelésponti nem leválasztott feszültségszabályozót meghajtó jellegzetes felhasználása (ábra: Vicor)

Az áramkör egyszerű. Az L1, C1, Rd, Cd és Cy alkatrészek alkotják a bemeneti EMI-szűrőt. A C_Out-Ext kimeneti kondenzátor az R_Out-Ext ellenállással együtt a szabályozóhurok stabilitásáért felel. Az ellenállás lehet akár a kondenzátor egyenértékű soros ellenállása (ESR, equivalent series resistance) is, amelynek értéke körülbelül 10 mΩ. A kondenzátornak fizikailag közel kell lennie az áramátalakító kimeneti lábaihoz. Az R_dm, az L_b, az L_{2 és a} C₂ egy különbségi üzemmódú kimeneti szűrőt alkot. A szűrő határfrekvenciája (vágási frekvenciája) a kapcsolási frekvencia tizedére van beállítva.

A legtöbb DCM áramátalakító párhuzamosan kapcsolt kimenetekkel is működhet (tömbbe kapcsolt üzemmód). Ezzel növelhető a terhelésre leadott teljesítmény azáltal, hogy akár nyolc modul kimenete is kombinálható (6. ábra).

6. ábra: Az áramkör egy közös terhelést meghajtó, párhuzamosan tömbbe kapcsolt nyolc DCM áramátalakító működését mutatja (ábra: Vicor)

A külső alkatrészek ugyanazokat a funkciókat látják el, mint az egy áramátalakítós példában. Tömbbe kapcsolt üzemmódban minden DCM modulnak legalább a kimeneti kapacitás minimális értékét kell látnia bármilyen soros induktivitás (tekercs) előtt, és ezeknek a kondenzátoroknak (kapacitásoknak) közelebb kell lenniük az egyes áramátalakítókhoz, mint a kimeneti csomóponthoz. Azokban a tömbökben, ahol az összes (n) DCM modul egyidejűleg indul, a kimeneti kapacitás legnagyobb értéke legfeljebb a C_Out-Ext kapacitás n-szerese lehet. Emellett követelmény még, hogy a stabilitás biztosítása és a lengés minimálisra csökkentése érdekében az áramforrás impedanciájának a DCM tömb bemeneti impedanciájának felénél kisebbnek kell lennie.

Összegzés

Az olyan felhasználási területeken, mint a járművek és a villanyjárművek, jelentős elmozdulás történt a központosított áramellátó hálózati architektúrákról az elosztott áramellátó hálózati architektúrák irányába. A kapcsolódó hatásfok-, teljesítménysűrűségi és tömegkövetelmények teljesítéséhez szükséges egyenáram-átalakítókat nehéz diszkrét alkatrészekből megtervezni. Ehelyett a tervezők csökkenthetik a tervezési időt és költségeket a Vicor DCM sorozatú, modulrendszerű tápegységeinek használatával. Mint látható, ezek a modulok a korszerű eszközök élvonalába tartoznak. Ilyenek például az egy tokban elhelyezett áramátalakítók (ChiP, Converter housed in Package) és a Vicor beépített adapterek (VIA, Vicor Integrated Adapter). Az újszerű, nullfeszültségen kapcsoló (ZVS) áramköri elrendezések méretezhetőek és sokoldalúak, így a legkülönfélébb felhasználási területek széles skálájára megfelelnek.