פרישה חדשנית של רשתות הספקת-כוח באמצעות ממירי הספק מודולריים

רשתות העברת הספק (PDN) של רכבים חשמליים (EV) משתנות במהירות. מקורות הספקת-כוח חשמלי מסורתיים, כמו סוללת עופרת-חומצה 12 וולט, מפנים את מקומם למקורות של 48 וולט ומעלה. במקביל, מנועים, משאבות, חיישנים ומפעילים רבים עדיין פועלים ברמות מתח מסורתיות. כתוצאה מכך, יש להוריד באופן יעיל מתחים מרמה גבוהה יותר ולפלג אותם לעומסים שונים אלו. כדי להשיג זאת תוך מזעור מפלי המתח ההתנגדותיים והפסדי ההספק נלווים, מתכנני מערכות הספקת-הכוח עוברים מגישה ריכוזית (עם ממיר DC/DC גדול ליד המקור) לארכיטקטורה מבוזרת (בה מפולג המתח הגבוה לממירי הספק המותקנים בקרבת כל אחד מעומסי המתח הנמוך יותר).

רשת PDN מבוזרת זו דורשת ספקי-כוח קלי-משקל עם צפיפות הספק גבוהה, נצילות אופטימלית וחתימת שטח קטנה. למרות שזה יכול להיות מפתה להשתמש ברכיבים בדידים קונבנציונליים לתכנון ממירים אלו בתוך-הבית כדי לייעל את התכנון, זה גם יכול להוות משימה מרתיעה.

ישנה אפשרות טובה יותר: התקנים מודולריים מן-המדף, ממקור בעל ניסיון רב בתכנון ועם מגוון פתרונות לדרישות רשתות PDN כגון תחום מתחי הכניסה, מתח היציאה, הספק, צפיפות ונצילות.

מאמר זה דן בצרכים של רשת PDN מודרנית ובדרישות הספקת-הכוח הטיפוסיות שלה. המאמר מציג גם דוגמאות לפתרונות הספקת-כוח מודולריים של Vicor ומראה כיצד ניתן ליישם אותם עבור רשתות PDN יעילות וחסכוניות עם ביצועים עיליים.

התפתחות רשתות PDN

רכבים חשמליים והיברידיים זקוקים לטווח נסיעה מקסימלי ולזמן טעינה מינימלי, תוך אספקה בו-זמנית למערך שלם של שירותים לנהגים ולנוסעים. דרישות אלו שמות דגש על תכנונים יעילים וקלי-משקל. כתוצאה מכך יצרני רכב עוברים מארכיטקטורת PDN ריכוזית לארכיטקטורה אזורית מבוזרת (איור 1).

איור 1: הארכיטקטורה הריכוזית ממירה את מתח המקור למתח עומס של 12 וולט ליד המקור ומפלגת אותו בכל הרכב; הארכיטקטורה האזורית המבוזרת מפלגת את מתח המקור לממירי DC/DC מקומיים שבהם המתח יורד ל-12 וולט קרוב ככל האפשר לעומס. (מקור התמונה: Vicor)

הארכיטקטורה הריכוזית ממירה את מקור ה-48 וולט ל-12 וולט באמצעות "תיבת כסף", ממיר DC/DC גדול המשתמש בטופולוגיות מיתוג ישנות יותר של אפנון רוחב פולס (PWM) בתדר נמוך. לאחר מכן מפולג המתח מתיבת הכסף ב-12 וולט. עבור הספק נתון המועבר לעומס, רמת הזרם ב-12 וולט גדולה פי ארבעה מהזרם המסופק במתח של 48 וולט. משמעות הדבר היא שהפסדי ההספק ההתנגדותיים, שהם פרופורציונליים לריבוע הזרם, גבוהים פי 16.

מצד שני, הארכיטקטורה האזורית מפלגת את מקור ה-48 וולט לאזורים המקומיים שבהם מפעילים את העומסים ממירי DC/DC של 48 ל-12 וולט, שהם קטנים יותר ובעלי נצילות גבוהה יותר. רמות זרם נמוכות יותר דורשות חתכי רוחב קטנים יותר של המוליכים והמחברים, וכתוצאה מכך צמות חיווט בעלויות נמוכות יותר ומשקל קל יותר. הממירים המקומיים ממוקמים קרוב יותר לעומס כדי להקטין למינימום את אורכי חוטי החשמל עבור 12 וולט.

במערכת האזורית, מקורות החום מפוזרים באופן נרחב בכל אזורי הרכב במקום להיות מרוכזים ליד המקור. דבר זה משפר את פיזור החום הכולל, ומאפשר לממירים השונים לפעול בסביבת טמפרטורה נמוכה יותר. התוצאה היא נצילות פעולה גבוהה יותר ואמינות רבה יותר.

תכנון ספקי-כוח PDN

למרות שיצירת תכן ממיר PDN מותאם-במיוחד באמצעות רכיבים בדידים היא אפשרית, תכנון הספקת-הכוח הוא משימה אימתנית. למהנדסים מועטים יש את הכישורים או הניסיון הנדרשים כדי לעמוד בדרישות היישום והתקינה. גישה מודולרית היא אפשרות פשוטה וטובה יותר.

תכני PDN מודולריים תלויים בזמינות של מלאי מודולי הספקת-הכוח המעניקים מגוון רחב של פונקציות הקשורות להספק כדי לאפשר ארכיטקטורות גמישות וניתנות-להרחבה (איור 2).

איור 2: תכני PDN מודולריים מסתמכים על יצרן עם מגוון רחב של פתרונות המבטיחים גמישות ויכולת הרחבה. (מקור התמונה: Vicor)

ארכיטקטורת PDN אזורית בסיסית (משמאל למעלה) מפלגת את מקור המתח של 48 וולט לממירי DC/DC מודולריים מקומיים, ומורידה את המתח לרמות הנדרשות. אם יש שינוי בדרישות העומס, מתבצע שדרוג פשוט למודול לדירוג הספק גבוה יותר (במרכז למעלה). הוספת עומס חדש דורשת אך ורק הוספת ממיר מודולרי נוסף (מימין למעלה). אין צורך לשנות את תצורת המקור.

הפחתה בהפסדי פסי הספקת-הכוח יכולה להתבצע על ידי שינוי קטן לארכיטקטורה המחולקת לגורמים (משמאל למטה). הארכיטקטורה המחולקת לגורמים מפצלת את ייצוב ההספק ואת השנאת המתח/הזרם לשני מודולים נפרדים. מודול הקדם-מייצב (PRM) מנהל את פונקציות ייצוב המתח. מתבצעת חישה של זרם האפיק המחולק לגורמים כדי לייצב את מתח היציאה של הפס. מודול השנאת המתח (VTM), הפועל בדומה לשנאי DC, מנהל את הפחתת המתח/הכפלת הזרם. ה-VTM הוא קטן יותר ממודול ממיר DC/DC שלם וניתן למקם אותו קרוב יותר לעומס כדי להפחית את הפסדי ההתנגדות. כמו כן, עכבת היציאה הנמוכה שלו דורשת קבלי יציאה קטנים יותר. משמעות הדבר היא שקבלים קרמיים קטנים יותר יכולים להחליף קבלים בעלי גוף גדול יותר ליד העומס.

ניתן לענות על הצורך בהספק גדול יותר על ידי חיבור במקביל של מספר מודולי ממירים (במרכז למטה). שדרוג למקורות מתח גבוה יותר, כמו 400 או 800 וולט, יכול להתבצע על ידי הוספת מודול הורדת מתח ביחס קבוע ומודול המרת אפיק (BCM) כדי להוריד את מתח המקור לרמות אפיק מתח בטיחות נמוך ביותר (SELV) (מימין למטה). שימו לב שאפיק SELV הוא תקן בטיחות המציין את מגבלת המתח המקסימלי עבור התקנים חשמליים כדי להבטיח בטיחות מפני התחשמלות. רמות מתח SELV הן בדרך כלל מתחת ל-53 וולט.

דוגמאות אלו מספקות מבט אל הגמישות ויכולת ההרחבה הקיימות בארכיטקטורה האזורית. חברת Vicor מציעה בסדרת DCM שלה מגוון רחב של מודולי ממירים המתאימים ליישומים מגוונים אלו. החברה הייתה חלוצה במספר חידושים מהפכניים בתכנון מודולי הספקת-כוח, כולל ממיר הנתון במארז (ChiP) והמתאם המשולב של Vicor‏ (VIA) (איור 3).

איור 3: דוגמאות לתצורות הפיזיות של ChiP ו-VIA מסדרת DCM. (מקור התמונה: Vicor)

מארזים אלו מגדילים את צפיפות ההספק פי ארבעה בהשוואה לתצורות המארזים הקודמות תוך השגת הפחתה של 20% בהפסדי ההספק. ה-ChiP משתמש במבנים מגנטיים המורכבים דרך מצע בעל צפיפות גבוהה. רכיבים אחרים מותקנים באמצעות פרישה דו-צדדית כדי להכפיל את צפיפות ההספק. לביצועים תרמיים משופרים, הרכיבים מונחים באופן סימטרי בתוך המארז. פרישה מתקדמת זו, יחד עם חומר מרוכב ביציקה אופטימלית, מניבה נתיבים תרמיים משופרים. למודול ChiP יש עכבה תרמית נמוכה במשטח העליון והתחתון. ניתן לשפר את הקירור באמצעות צלעות-קירור המוצמדות תרמית למשטח העליון והתחתון, כמו גם באמצעות החיבורים החשמליים. מודול VIA מוסיף סינון משולב של הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), ייצוב מתח יציאה טוב יותר וממשק בקרה משני לאלמנט המבני הבסיסי דמוי הלבנה.

מודולי ממירי DC/DC‏ לדוגמה מסדרת DCM

סדרת DCM היא דוגמה לממיר DC/DC מיוצב ומבודד לשימוש כללי. הממיר, המופעל ממקור לא-מיוצב בעל תחום מתחים רחב ככניסה, מייצר יציאת הספק מיוצבת-מתח ברמות של עד 1,300 וואט בזרמי יציאה של עד 46.43 אמפר (A). הוא מציע בידוד של עד 4,242 וולט DC בין הכניסה ליציאה. הבידוד מתייחס לבידוד גלווני, כלומר לא זורם זרם ישירות בין הכניסה ליציאה. בידוד זה עשוי להידרש על ידי תקני בטיחות אם מתחי הכניסה עלולים להזיק לבני אדם. העובדה שהיציאה צפה ביחס לכניסה מאפשרת גם היפוך או הסטה של קוטביות היציאה.

משפחת רכיבי DCM משתמשת בטופולוגיית מיתוג במתח-אפס (ZVS), אשר מפחיתה את הפסדי ההתנעה הגבוהים הנפוצים בממירי PWM קונבנציונליים על ידי מיתוג-רך של התקני ההספק. טופולוגיית ZVS מאפשרת פעולות בתדר גבוה יותר ובמתחי כניסה גבוהים יותר מבלי לוותר על הנצילות. ממירים אלו פועלים בתדרי מיתוג הנעים מ-500 קילו-הרץ (kHz) עד קרוב ל-1 מגה-הרץ (MHz). שימוש בתדר מיתוג גבוה זה מפחית גם את הגודל של רכיבי אחסון האנרגיה המגנטית והקיבולית הנלווים, ומשפר את צפיפות ההספק. ניתן להשיג צפיפויות הספק ונצילויות של עד 1,244 וואט לאינץ' מעוקב (W/in.³) ו-96%, בהתאמה.

סדרת DCM זמינה בשלושה גודלי מארזים: DCM2322‏, DCM3623 ו-DCM4623, עם תחום מתחי כניסה ורמות הספק יציאה חופפים (איור 4).

איור 4: מוצג גרף סיכום של המאפיינים החשמליים של ממירי DC/DC מסדרת DCM, כולל תחום מתחי הכניסה והיציאה. (מקור התמונה: Vicor)

תחום מתחי הכניסה של שלוש משפחות הממירים נע מ-9 עד 420 וולט עם יציאות SELV בצעדים הנעים בין 3 ל-52.8 וולט DC. ניתן לכוונן את גבולות מתח היציאה בטווח של ‎-40% עד ‎+10% ממתח היציאה הנומינלי. ליציאות יש גבול זרם פעולה מלא כדי לשמור על הממיר בתחום הפעולה הבטוח שלו, בהתבסס על יציאת ההספק הממוצעת המקסימלית, ללא קשר להגדרת מתח היציאה.

סדרת DCM כוללת הגנה בעת תקלה עבור תת-מתח ו/או מתח-יתר בכניסה, טמפרטורת-יתר, מתח-יתר ביציאה, זרם-יתר ביציאה וקצר ביציאה.

דוגמאות למספר מוצרי DCM, כולל כל שלושת גודלי המארזים ושורה של מתחי כניסה ותחומי הספק מקסימליים, מוצגות בטבלה 1.

טבלה 1: המאפיינים של ממירי DCM הנמצאים בשימוש נפוץ ממחישים את תחום מתחי הכניסה, מתחי היציאה ורמות ההספק הקיימים עבור מענה למגוון רחב של דרישות יישום. (מקור הטבלה: Art Pini‏)

הטבלה מסכמת את התכונות העיקריות של כל אחד מממירי ה-DCM לדוגמה ומספקת את המידות הפיזיות שלהם. זהו מדגם קטן מתוך מגוון דגמי ה-DCM הקיימים.

יישומים אופייניים

ניתן ליישם את ממירי ה-DCM בנפרד, ואת רובם ניתן להפעיל גם במקביל. בשימוש עצמאי, היציאה יכולה להזין מספר עומסים, כולל מייצבי נקודת עומס (POL) לא-מבודדים (איור 5).

איור 5: מוצג יישום טיפוסי של DCM3623T75H06A6T00 הדוחף עומס ישיר, כמו גם מייצב POL לא-מבודד. (מקור התמונה: Vicor)

המעגל הוא פשוט. הרכיבים L1‏, C1‏, R4‏, C4 ו-Cy יוצרים את מסנן ה-EMI בכניסה. קבל היציאה C_Out-Ext, יחד עם R_Out-Ext, מספקים את יציבות חוג הבקרה. הנגד יכול להוות את ההתנגדות הטורית האפקטיבית (ESR) של הקבל, עם ערך של כ-10 מילי-אוהם (mΩ). הקבל חייב להיות ממוקם קרוב פיזית לפיני היציאה של הממיר. R_dm‏, L_b‏, L_{2 ו-}C₂ יוצרים מסנן מצב דיפרנציאלי (DM‏) ביציאה. תדר הקטעון של המסנן מוגדר לעשירית מתדר המיתוג.

רוב ממירי ה-DCM יכולים לפעול כשהיציאות שלהם מחוברות במקביל (אופן מערך). דבר זה מגדיל את תפוקת ההספק המסופקת לעומס על ידי שילוב היציאות של עד שמונה מודולים (איור 6).

איור 6: מעגל המציג את פעולת המערך המקבילי של ארבעה ממירי DCM הדוחפים עומס משותף. (מקור התמונה: Vicor)

הרכיבים החיצוניים מבצעים את אותן פונקציות כמו בדוגמה של הממיר היחיד. באופן מערך, כל מודול DCM חייב לראות ערך מינימלי של קיבוליות ביציאה לפני כל השראות בטור, ועליו להיות ממוקם קרוב יותר לממיר שלו מאשר לצומת היציאה. במערכים שבהם כל "N" מודולי DCM מופעלים בו-זמנית, הערך המקסימלי של קיבוליות היציאה עשוי להיות עד פי N מ-C_out-Ext. קיימות גם דרישות לכך שעכבת מקור הספקת-הכוח תהיה פחות מחצי עכבת הכניסה של מערך ה-DCM כדי להבטיח יציבות ולמזער Ringing‏.

סיכום

יישומים כגון רכבים רגילים וחשמליים עוברים שינוי בולט מארכיטקטורות PDN ריכוזיות למבוזרות. ממירי ה-DC/DC הנחוצים כדי לעמוד בדרישות הנצילות, צפיפות ההספק והמשקל הנלוות, הם מאתגרים לתכנון באמצעות רכיבים בדידים. במקום זאת, המתכננים יכולים לצמצם את הזמן והעלות על ידי שימוש בפתרונות הספקת-כוח מודולריים סדרת DCM של Vicor. כפי שהוצג, מודולים אלו נמצאים בחזית המארזים המתקדמים כמו ChiP ו-VIA, לצד טופולוגיות ZVS חדשניות הניתנות להרחבה והרב-תכליתיות, ועונים על מגוון רחב של יישומים מגוונים.