Повышение эффективности систем с батарейным питанием с помощью преобразователей с постоянным коэффициентом усиления
Том Куратоло (Tom Curatolo), главный инженер отдела технической поддержки, Vicor
Преобразователи с постоянным коэффициентом усиления К обладают достаточно высокой удельной мощностью, КПД и гибкостью, которые позволяют создавать более эффективные схемы подачи питания (PDN) даже при использовании источников питания с широким диапазоном выходного напряжения, например с батареями или возобновляемыми источниками энергии. В отличие от более популярных, широко распространенных регулируемых DC/DC-преобразователей, преобразователи с постоянным К позволяют разрабатывать и оптимизировать PDN-схемы для повышения эффективности системы. Разделение функций преобразования, изоляции и регулирования обеспечивает заметный прирост эффективности и ощутимые преимущества конечной системы.
Современные схемы подачи электропитания для автомобилей, легких электромобилей (LEV), роботов, БПЛА (дронов) и промышленных систем все чаще применяются в источниках питания с более высоким напряжением 100, 400, 800 В при более высоких уровнях распределения безопасного низковольтного напряжения (SELV) в диапазоне 48–60 В для повышения мощности в современных системах. Многие из этих систем, использующих батареи, возобновляемые источники энергии и топливные элементы в качестве основного источника энергии для схем подачи питания, имеют одну общую проблему: их выходное напряжение изменяется в достаточно широком диапазоне.
По этой причине наиболее востребованным преобразователем для высоковольтных источников питания с широким диапазоном выходного напряжения является изолированный стабилизируемый DC/DC-преобразователь в виде единого функционального блока.
Однако DC/DC-преобразователь не рассчитан на осуществление функций преобразования, стабилизации и изоляции в одном функциональном блоке. По сути, каждая из этих функций снижает эффективность преобразователя, увеличивая потери мощности в виде тепла – основного фактора, определяющего удельную мощность DC/DC-преобразователя, а также его стоимость и надежность. Поскольку уровни мощности систем повышаются до многих десятков киловатт, ее потери в первую очередь сказываются на массогабаритных показателях преобразователей. Средства управления тепловым режимом также значительно увеличивают размер и стоимость преобразовательного каскада.
Альтернативная архитектура
Из соображений безопасности большинству систем требуется изоляция в высоковольтных участках PDN-схем; при этом можно разделить функции преобразования, регулирования и стабилизации. После понижения напряжения схемы подачи питания с помощью преобразователя с постоянным К до требуемого уровня SELV (определяемого К), необходимо установить, где лучше всего осуществлять преобразование и регулировку напряжения для нагрузки.
Поскольку уровень мощности растет в таких приложениях как высокопроизводительные вычисления и электрические транспортные средства, все чаще вместо 12 В в качестве безопасного низковольтного напряжения для распределения используются 54 и 48 В, соответственно. При более высоких нагрузочных токах эти более высокие напряжения позволяют существенно уменьшить тепловые потери мощности (I2R) в распределительной схеме и повысить эффективность, а также сократить массогабаритные показатели за счет меньших кабелей, проводов, разъемов и медных слоев питания печатных плат. Однако ключом к использованию преобразователей с постоянным К на входе этих систем является способность любого последующего промежуточного преобразователя и PoL-стабилизатора управлять выходным напряжением в широком диапазоне при этих более высоких значениях безопасного низковольтного напряжения. Понижающие и понижающе-повышающие стабилизаторы с переключением при нулевом напряжении (ZVS) имеют преимущества за счет более высокой эффективности преобразования и регулировки более высоких напряжений.
Рассмотрим три приложения, эффективность которых значительно повышается за счет разделения этих трех функций:
а) зарядка электромобилей;
б) робототехника для сельского хозяйства;
в) БПЛА.
Неизолированное высоковольтное преобразование для зарядки электромобилей
На рынке электромобилей в качестве основного источника питания все чаще используются батареи на 800 и 400 В, которые благодаря способности быстро заряжаться при таких напряжениях получают более широкое распространение и применение. При этом, однако, зарядные станции не работают с этими обоими напряжениями батарей. В настоящее время производители автомобилей разрабатывают бортовые системы зарядки, которые либо повышают напряжение станции с 400 В для 800-В батареи автомобиля, либо понижают 800 В до 400 В для обеспечения совместимости и быстрой зарядки.
Уровни мощности для этих бортовых преобразователей меняются в диапазоне 50–150 кВт. Поскольку зарядная станция имеет изолированное и регулируемое выходное напряжение постоянного тока, а батарея на 800 или 400 В оснащена изолированным высоковольтным преобразователем для электропитания последующих систем (см. рис. 1), двунаправленному преобразователю 800/400 В изоляция и регулировка не требуются. При использовании топологии с высокой частотой коммутации КПД приближается к 99,3%, что значительно снижает размер и вес преобразователя этого типа.
Изолированные и неизолированные преобразователи для сельскохозяйственных роботов
Сельскохозяйственные роботы – большие машины, для питания которых, как правило, от батареи на 800 В требуется до 20 кВт мощности. Поскольку от эффективности PDN-схемы зависит время работы между зарядками, этот показатель важен для приложений данного класса. Изолированный шинный преобразователь или преобразователь с постоянным К понижают высокое напряжение до безопасного уровня 48 В, благодаря чему обеспечивается наибольшая эффективность подачи питания по кабелям и разъемам (см. рис. 2). Шинные преобразователи легко устанавливаются параллельно друг другу для масштабирования входного каскада и повышения гибкости проектного решения. Прямое преобразование и стабилизация 48 В обеспечиваются с учетом разных нагрузок в системе с помощью высокоэффективных понижающе-повышающих и понижающих ZVS-стабилизаторов. Например, для питания системной материнской платы ЦП напряжением 12 В самым эффективным решением с наибольшей удельной мощностью является неизолированный преобразователь 48/12 В с постоянным К. Дальнейшее регулирование осуществляется с помощью многофазного каскада 12-В понижающего PoL-стабилизатора.
Повышающее преобразование безопасного низкого напряжения и понижающее преобразование для питания привязных дронов
Привязные дроны применяются охранными, пожарными и спасательными службами для стационарного наблюдения, связи и освещения. Двунаправленный преобразователь с постоянным К имеет очень эффективную универсальную схему, которая позволяет использовать батарейный источник питания с низким безопасным напряжением, минимизировать массогабаритные показатели кабеля, чтобы в наибольшей мере увеличить время безотказной работы и полезную нагрузку.
В приложениях этого класса шинный преобразователь с К = 1:8 повышает напряжение с 48 до 384 В для подачи питания по кабелю; при этом используется кабель меньшей толщины, и сокращаются омические потери. Тот же преобразователь применяется на БПЛА для преобразования 384 В в 48 В для бортовой электроники и роторной системы дрона. Такая PDN-схема обеспечивает максимальную эффективность и удельную мощность (за счет сокращения массогабаритных показателей) преобразователя с постоянным К, а также позволяет освободить часть пространства дрона под полезную нагрузку. В будущих приложениях появится возможность повышать напряжение с 48 до 800 В (К = 1:16), чтобы увеличить длину кабеля для работы на больших высотах, уменьшить его толщину и вес.
Эффективность и удельная мощность схемы подачи питания имеют решающее значение для работоспособности, которая зависит от времени безотказной работы и зарядки, пройденного расстояния, полезной нагрузки, не говоря уже о других важных характеристиках приложений для рынка автомобилей, роботов и дронов. Эффективность PDN-схемы можно увеличить, что наглядно демонстрируют преобразователи с постоянным К даже при использовании в качестве источников питания, например, батарей с широким диапазоном выходного напряжения. В этих и других приложениях функции изолирующего барьера и стабилизации напряжения могут выполняться в восходящем или нисходящем направлениях путем распределения большего напряжения, чтобы уменьшить размеры кабелей, разъемов и медных слоев питания на системных платах. Рассмотренные в этой статье примеры распределения электропитания PDN-схемами показывают, как преобразователи с постоянным К в сочетании с высокоэффективными ZVS-стабилизаторами позволяют создать инновационные изделия и высококачественные решения с конкурентными преимуществами.
Рис. 1. Для обеспечения совместимости электромобилей и зарядных станций независимо от того, одинаковое ли у них напряжение, схема подачи электропитания использует неизолированный модуль шинного преобразователя с постоянным К (NBM) Vicor для преобразования 800 В в 400 В или обратно при мощности 6кВт. Это высокоэффективное масштабируемое решение с высокой удельной мощностью позволяет электромобилям с разным напряжением батареи использовать одни и те же зарядные станции
Рис. 2. Для работы с широким рядом нагрузок и экономии заряда батареи в схеме подачи питания сельскохозяйственного робота применяется модуль шинного преобразователя с постоянным К (BCM) от Vicor для генерации напряжения 48 В, что минимизирует потери, вызванные шинами с меньшим напряжением. Питание эффективно распределяется по нагрузкам с помощью преобразователей с постоянным К или регулируемых PoL-преобразователей, например NBM, PRM, понижающих ZVS-преобразователей и понижающе-повышающих ZVS-стабилизаторов от Vicor
Рис. 3. Чтобы существенно сократить диаметр и вес кабеля привязного дрона, в схеме подачи электропитания используется модуль шинного преобразователя с постоянным К (BCM) от Vicor, который повышает напряжение кабеля до 800 В. Как и в случае других PDN-схем, 48-В шина используется локально, чтобы минимизировать потери на земле и в воздухе. BCM-модуль также применяется для изоляции и понижения выпрямленного выходного напряжения от одно- или трехфазного источника переменного тока до 48 В
