Déployer des réseaux de distribution d'énergie innovants à l'aide de convertisseurs de puissance modulaires

Les réseaux de distribution d'énergie (PDN) pour les véhicules électriques (VE) évoluent rapidement. Les sources d'énergie électrique traditionnelles, comme les batteries plomb-acide de 12 volts (V), cèdent la place à des sources de 48 V ou plus. Dans le même temps, de nombreux moteurs, pompes, capteurs et actionneurs fonctionnent toujours aux niveaux de tension traditionnels. Par conséquent, les tensions plus élevées doivent être abaissées et distribuées efficacement à ces différentes charges. Pour y parvenir tout en minimisant les chutes de tension résistives et les pertes de puissance associées, les architectes de systèmes électriques passent d'une approche centralisée (avec un grand convertisseur CC/CC à proximité de la source) à une architecture décentralisée (où une haute tension est distribuée aux convertisseurs de puissance près de chacune des charges à plus basse tension).

Ce PDN décentralisé requiert des alimentations légères offrant une haute densité de puissance, un rendement optimal et un faible encombrement. Bien qu'il puisse être tentant d'utiliser des composants discrets conventionnels pour développer ces convertisseurs en interne afin d'optimiser une conception, cette tâche peut également représenter un défi de taille.

Il existe une meilleure option : des dispositifs modulaires prêts à l'emploi provenant d'une source disposant d'une vaste expérience de conception et d'une variété de solutions pour les exigences PDN telles que la plage de tensions d'entrée, la tension de sortie, la puissance, la densité et le rendement.

Cet article traite des besoins d'un réseau PDN moderne et des exigences typiques en matière d'alimentation électrique. L'article présente également des exemples de solutions d'alimentation modulaires de Vicor et montre comment les appliquer pour créer des PDN performants et rentables.

Évolution des réseaux PDN

Les véhicules électriques et hybrides nécessitent une autonomie maximale et un temps de charge minimal tout en offrant une gamme complète de services aux conducteurs et aux passagers. Ces exigences mettent l'accent sur des conceptions efficaces et légères. Par conséquent, les constructeurs automobiles passent d'une architecture PDN centralisée à une architecture zonale décentralisée (Figure 1).

Figure 1 : L'architecture centralisée convertit la tension source en tension de charge 12 V près de la source et la distribue dans tout le véhicule. L'architecture zonale décentralisée distribue la tension source aux convertisseurs CC/CC locaux où la tension est abaissée à 12 V aussi près que possible de la charge. (Source de l'image : Vicor)

L'architecture centralisée convertit la source de 48 V en 12 V via un grand convertisseur CC/CC (boîtier argenté) qui utilise des topologies de commutation à modulation de largeur d'impulsion (PWM) basse fréquence plus anciennes. L'alimentation est ensuite distribuée depuis le convertisseur à 12 V. Pour une alimentation donnée délivrée à la charge, le niveau de courant à 12 V est quatre fois supérieur au courant délivré sous un potentiel de 48 V. Cela signifie que la perte de puissance résistive, qui est proportionnelle au carré du courant, est 16 fois plus élevée.

L'architecture zonale distribue la source de 48 V aux zones locales où des convertisseurs CC/CC de 48 V à 12 V plus petits et plus efficaces alimentent les charges. Les niveaux de courant inférieurs nécessitent des sections transversales de conducteurs et de connecteurs plus petites, ce qui se traduit par des faisceaux de câbles moins coûteux et plus légers. Les convertisseurs locaux sont placés plus près de la charge pour minimiser la longueur du câblage d'alimentation 12 V.

Dans le système zonal, les sources de chaleur sont largement réparties dans toutes les zones du véhicule plutôt que concentrées à proximité de la source. Cela améliore la dissipation thermique globale, permettant aux convertisseurs individuels de fonctionner en environnements à plus basse température. Il en résulte un meilleur rendement opérationnel et une plus grande fiabilité.

Concevoir des alimentations PDN

Bien qu'il soit possible de développer un convertisseur PDN personnalisé à l'aide de composants discrets, la conception d'une alimentation est une tâche considérable. Peu d'ingénieurs possèdent les compétences ou l'expérience requises pour répondre aux exigences applicatives et réglementaires. Une approche modulaire est une option plus simple et plus efficace.

Les conceptions PDN modulaires dépendent de la disponibilité d'un stock de modules d'alimentation fournissant un large éventail de fonctions liées à l'alimentation pour permettre des architectures flexibles et évolutives (Figure 2).

Figure 2 : Les conceptions PDN modulaires dépendent d'un fournisseur proposant une grande variété de solutions pour garantir la flexibilité et l'évolutivité. (Source de l'image : Vicor)

L'architecture PDN zonale de base (en haut à gauche) distribue la source d'alimentation 48 V aux convertisseurs modulaires CC/CC locaux, abaissant la tension aux niveaux requis. En cas de modification des exigences de charge, une simple mise à niveau vers un module avec une puissance nominale plus élevée est effectuée (en haut au centre). L'ajout d'une nouvelle charge requiert simplement l'ajout d'un autre convertisseur modulaire (en haut à droite). Il n'est pas nécessaire de modifier la configuration source.

Une réduction des pertes dans les rails d'alimentation peut être obtenue par une modification mineure d'une architecture factorisée (en bas à gauche). L'architecture factorisée divise la régulation de puissance et la transformation tension/courant en deux modules distincts. Le module de pré-régulateur (PRM) gère les fonctions de régulation de tension. Le courant de bus factorisé est détecté pour réguler la tension de sortie du rail. Le module de transformation de tension (VTM), agissant de la même manière qu'un transformateur CC, gère la réduction de tension/la multiplication de courant. Le VTM est plus petit qu'un module de convertisseur CC/CC complet et peut être placé plus près de la charge pour réduire les pertes par résistance. De plus, sa faible impédance de sortie nécessite des condensateurs de sortie plus petits. Cela signifie que des condensateurs en céramique plus petits peuvent remplacer des condensateurs plus gros à proximité de la charge.

Le besoin d'une plus grande puissance peut être satisfait en mettant en parallèle plusieurs modules de convertisseur (en bas au centre). La mise à niveau vers des sources de tension plus élevées, comme 400 V ou 800 V, peut être effectuée en ajoutant un module abaisseur à rapport fixe et un module convertisseur de bus (BCM) pour réduire la tension source à des niveaux de bus à tension de sécurité extra-basse (SELV) (en bas à droite). Notez que le bus SELV est une norme de sécurité qui spécifie la limite de tension maximum pour les dispositifs électriques afin de garantir la sécurité contre les chocs électriques. Les niveaux de tension SELV sont généralement inférieurs à 53 V.

Ces exemples donnent un aperçu de la flexibilité et de l'évolutivité disponibles avec l'architecture zonale. Vicor propose un vaste choix de modules de convertisseurs adaptés à ces différentes applications dans sa série DCM. L'entreprise est à l'origine de plusieurs avancées révolutionnaires dans la conception de modules d'alimentation, notamment les boîtiers ChiP (Converter housed in Package) et VIA (Vicor Integrated Adapter) (Figure 3).

Figure 3 : Exemples de configurations physiques ChiP et VIA de la série DCM. (Source de l'image : Vicor)

Ces boîtiers augmentent la densité de puissance d'un facteur quatre par rapport aux configurations de boîtier précédentes tout en permettant une réduction de 20 % des pertes de puissance. Le boîtier ChiP utilise des structures magnétiques montées dans un substrat haute densité. D'autres composants sont montés dans une disposition double face pour doubler la densité de puissance. Les composants sont disposés symétriquement dans le boîtier pour des performances thermiques améliorées. Cette disposition avancée, associée à un matériau de composé de moulage optimisé, permet d'améliorer les chemins thermiques. Le module ChiP présente une faible impédance thermique sur les surfaces supérieure et inférieure. Le refroidissement peut être amélioré à l'aide de dissipateurs thermiques couplés thermiquement aux surfaces supérieure et inférieure, et via les connexions électriques. Le module VIA ajoute un filtrage intégré des interférences électromagnétiques (EMI), une meilleure régulation de la tension de sortie et une interface de contrôle secondaire à l'élément structurel « brique » de base.

Exemples de modules de convertisseurs CC/CC série DCM

La série DCM présente des convertisseurs CC/CC régulés et isolés à usage général. Fonctionnant depuis une source à tension étendue non régulée comme entrée, le convertisseur génère une puissance de sortie régulée en tension à des niveaux atteignant 1300 watts (W) à des courants de sortie jusqu'à 46,43 ampères (A). Il offre une isolation CC jusqu'à 4242 V entre l'entrée et la sortie. L'isolation fait référence à l'isolation galvanique, signifiant qu'aucun courant ne circule directement entre l'entrée et la sortie. Cette isolation peut être exigée par les normes de sécurité si les tensions d'entrée s'avèrent nocives pour l'homme. Le fait que la sortie flotte par rapport à l'entrée permet également d'inverser ou de décaler la polarité de la sortie.

La série DCM utilise une topologie de commutation au zéro de la tension (ZVS) qui réduit les pertes à l'activation importantes, fréquentes dans les convertisseurs PWM conventionnels, grâce à une commutation douce des dispositifs d'alimentation. La commutation au zéro de la tension permet des opérations à plus haute fréquence et à plus hautes tensions d'entrée sans compromettre le rendement. Ces convertisseurs fonctionnent à des fréquences de commutation s'étendant de 500 kilohertz (kHz) à près de 1 mégahertz (MHz). L'utilisation de cette fréquence de commutation élevée permet également de réduire la taille des composants de stockage d'énergie magnétiques et capacitifs associés, améliorant ainsi la densité de puissance. Des densités de puissance et des rendements atteignant 1244 watts par pouce cube (W/po³) et 96 %, respectivement, sont réalisables.

La série DCM est disponible en trois formats de boîtier : DCM2322, DCM3623 et DCM4623, avec des plages de tensions d'entrée et des niveaux de puissance de sortie qui se chevauchent (Figure 4).

Figure 4 : Graphique récapitulatif des caractéristiques électriques des convertisseurs CC/CC série DCM, y compris les plages de tensions d'entrée et de sortie. (Source de l'image : Vicor)

Les plages de tensions d'entrée des trois familles de convertisseurs couvrent de 9 V à 420 V avec des sorties SELV par paliers de 3 V à 52,8 V CC. Les limites de tension de sortie peuvent être ajustées sur une plage de -40 % à +10 % de la tension de sortie nominale. Les sorties ont une limite de courant entièrement opérationnelle pour maintenir le convertisseur dans son aire de sécurité, basée sur la puissance de sortie moyenne maximale, quel que soit le réglage de la tension de sortie.

La série DCM inclut une protection contre les défaillances en cas de sous-tension et/ou surtension d'entrée, surchauffe, surtension de sortie, surintensité de sortie et court-circuit en sortie.

Des exemples de plusieurs produits DCM, y compris les trois formats de boîtier et des plages de tensions d'entrée et de puissances maximum, sont présentés dans le Tableau 1.

Tableau 1 : Les caractéristiques des convertisseurs DCM fréquemment utilisés illustrent la plage de tensions d'entrée, la tension de sortie et les niveaux de puissance disponibles pour répondre à un large éventail d'exigences applicatives. (Source du tableau : Art Pini)

Le tableau résume les principales caractéristiques de chacun des exemples de convertisseurs DCM et fournit leurs dimensions physiques. Il ne s'agit que d'un aperçu de la diversité de modèles DCM disponibles.

Applications typiques

Les convertisseurs DCM peuvent être appliqués seuls et la plupart peuvent également fonctionner en parallèle. Lorsqu'ils sont utilisés seuls, la sortie peut alimenter plusieurs charges, y compris des régulateurs de point de charge (POL) non isolés (Figure 5).

Figure 5 : Application typique du DCM3623T75H06A6T00 commandant une charge directe, ainsi qu'un régulateur POL non isolé. (Source de l'image : Vicor)

Le circuit est simple. Les composants L1, C1, R4, C4 et Cy forment le filtre EMI d'entrée. Le condensateur de sortie C_Out-Ext, avec R_Out-Ext, assure la stabilité de la boucle de commande. La résistance peut être la résistance série équivalente (ESR) du condensateur, avec une valeur d'environ 10 milliohms (mΩ). Le condensateur doit être placé physiquement à proximité des broches de sortie du convertisseur. R_dm, L_b, L₂, _et C₂ forment un filtre de sortie en mode différentiel. La fréquence de coupure du filtre est définie sur un dixième de la fréquence de commutation.

La plupart des convertisseurs DCM peuvent fonctionner avec leurs sorties connectées en parallèle (mode réseau). Cela permet d'augmenter la puissance de sortie délivrée à la charge en combinant les sorties de jusqu'à huit modules (Figure 6).

Figure 6 : Le circuit illustre le fonctionnement en réseau parallèle de quatre convertisseurs DCM commandant une charge commune. (Source de l'image : Vicor)

Les composants externes remplissent les mêmes fonctions que dans l'exemple de convertisseur unique. En mode réseau, chaque module DCM doit voir une valeur minimum de capacité de sortie avant toute inductance série, et il doit être placé plus près du convertisseur individuel que de la jonction de sortie. Dans les réseaux où tous les « N » de modules DCM sont démarrés simultanément, la valeur maximum de la capacité de sortie peut atteindre N fois C_Out-Ext. Il est également nécessaire que l'impédance de la source d'alimentation soit inférieure à la moitié de l'impédance d'entrée du réseau DCM afin de garantir la stabilité et de minimiser l'oscillation.

Conclusion

Les applications telles que les véhicules électriques connaissent une évolution notable des architectures PDN centralisées vers des architectures décentralisées. Les convertisseurs CC/CC nécessaires pour répondre aux exigences de rendement, de densité de puissance et de poids associées sont difficiles à concevoir à l'aide de composants discrets. Les concepteurs peuvent réduire les délais et les coûts en utilisant les solutions d'alimentation modulaires série DCM de Vicor. Comme illustré, ces modules sont à la pointe des boîtiers avancés tels que ChiP et VIA, et les topologies ZVS innovantes sont évolutives et polyvalentes, répondant à une grande variété d'applications.