Tecnologie convenzionali
Attualmente, i convertitori DC/DC utilizzano progetti tecnologici esistenti, uno dei cui aspetti fondamentali è, ad esempio, la topologia. I convertitori DC/DC utilizzano numerose topologie diverse, nessuna delle quali è superiore alle altre sotto ogni aspetto. Alcune applicazioni hanno requisiti che vengono soddisfatti meglio da una particolare topologia. Sebbene una valutazione completa del gran numero di topologie disponibili potrebbe essere un compito arduo, è pratico valutare i vantaggi e gli svantaggi delle due principali classi di topologie: la modulazione a larghezza di impulso a frequenza fissa (PWM) e la commutazione a corrente zero a frequenza variabile quasi risonante (ZCS).
Tra i due, la progettazione PWM può essere leggermente più semplice, ma esiste un compromesso intrinseco tra efficienza e frequenza operativa, entrambi parametri importanti per i veicoli elettrici (EV) e ibridi (HV). Il funzionamento ad alta frequenza è stato a lungo considerato fondamentale per ottenere un'elevata densità di potenza
– ad esempio, componenti magnetici, filtri e condensatori più piccoli – nei convertitori a commutazione. Tuttavia, nei convertitori a commutazione a frequenza fissa, le perdite di commutazione aumentano direttamente con la frequenza operativa, creando una "barriera di frequenza" che limita la densità di potenza raggiungibile. I convertitori a frequenza variabile superano questa barriera di frequenza commutando in conduzione e in interdizione quando la corrente è zero. Questi convertitori operano a frequenze superiori a 1 MHz e possono raggiungere densità di potenza più elevate rispetto ai convertitori a bassa frequenza.
Una seconda differenza fondamentale tra i convertitori DC/DC a frequenza fissa e a frequenza variabile è il rumore generato dalla commutazione, un parametro importante per i veicoli elettrici e ibridi. La commutazione brusca del PWM genera più rumore rispetto alla commutazione graduale dello ZCS.
Attualmente, l'applicazione principale dei convertitori DC/DC nei veicoli elettrici e ibridi sembra essere la conversione dell'alta tensione della batteria alla tensione del veicolo, tipicamente 12 V, sebbene possano essere necessarie tensioni più elevate, come 42 V per il servosterzo. I convertitori DC/DC, solitamente realizzati su misura, utilizzati in questa applicazione hanno in genere ingressi da 250 a 450 V, uscite da 13, 24 e 28 V e potenze nominali in uscita da 250 W a 3,5 kW. Le dimensioni e i pesi dei convertitori DC/DC disponibili variano considerevolmente a seconda della frequenza operativa, ma anche, in una certa misura, delle tensioni di ingresso e di uscita e della potenza nominale.
Con le topologie convenzionali, l'efficienza varia dall'80% al 90%, ma è probabile che le basse efficienze siano inferiori di quattro o cinque punti percentuali. Di conseguenza, le specifiche a bassa frequenza dei convertitori AC/DC e di alcuni convertitori DC/DC ad ampio raggio dovrebbero essere riviste al ribasso.
La conversione ad alta tensione/alta potenza nei veicoli è ancora in una fase iniziale. Molte sfide tecniche ed economiche devono ancora essere affrontate nelle applicazioni per veicoli elettrici e ad alta tensione. Le sfide tecniche per un convertitore di questo tipo, molte delle quali sono interconnesse, includono dimensioni, peso, efficienza, compatibilità/interferenza elettromagnetica (EMC/EMI), affidabilità, isolamento ad alta tensione, dissipazione del calore/gestione termica e costo. E, naturalmente, prestazioni affidabili negli ambienti caldi, freddi, soggetti a urti e vibrazioni tipici di un veicolo stradale sono imprescindibili.
Tecnologie avanzate:
i convertitori DC/DC per i futuri veicoli elettrici e ibridi richiedono elevati livelli di densità di potenza, efficienza e scalabilità, che non possono essere raggiunti economicamente con convertitori ingombranti e a bassa frequenza. Sebbene un convertitore DC/DC da 2 kW possa essere un obiettivo di progettazione comune, i veicoli di fascia alta necessitano di maggiore potenza, mentre convertitori DC/DC più piccoli e a bassa potenza offrirebbero costi inferiori per i veicoli elettrici e ibridi di fascia bassa. Per soddisfare questa gamma di requisiti di potenza, una metodologia di sistema di alimentazione flessibile e scalabile, che utilizzi convertitori modulari ad alta densità di potenza in grado di effettuare un'efficiente conversione del bus, isolamento e regolazione della tensione, consentirà prestazioni superiori e tempi di commercializzazione più rapidi, il tutto mantenendo la convenienza economica.
Queste tecnologie avanzate sono già disponibili o lo saranno a breve. Questi nuclei di conversione di potenza possono fornire una distribuzione efficiente di energia ad alta tensione all'interno dei veicoli e offrono vantaggi chiave al progettista del sistema di alimentazione, tra cui dimensioni ridotte, peso contenuto, elevata densità di potenza, alta efficienza, flessibilità di progettazione e risposta rapida alle mutevoli esigenze elettriche.
Nello specifico, tra le nuove tecnologie di conversione di potenza, sotto forma di motori di conversione di potenza CC/CC, che promettono soluzioni avanzate per veicoli elettrici/ibridi, figurano:
1. Convertitori DC/DC a commutazione a tensione zero (ZVS) con efficienza del 95% e densità di potenza di 1 kW/pollice cubo;
2. Regolatori Buck-Boost ZVS con
efficienza >97% a 1 kW/pollice cubo; e
3. Convertitori bus ad alta tensione Sine Amplitude Converter™ (SAC HV) con efficienza del 97% a 1 kW/pollice cubo.
Convertitori da DC/DC a DC/ZVS. I convertitori a commutazione a tensione zero a doppia tensione fissa (DC/ZVS, Figura 1) possono fornire un'uscita regolata a partire da un intervallo di ingresso molto ampio. I sistemi di alimentazione a celle adattive includono più convertitori configurati in un array per fornire energia con un ampio intervallo, alta tensione e alta frequenza. Un blocco convertitore utilizza tipicamente due celle convertitore accoppiate magneticamente, configurate selettivamente in serie o in parallelo. In entrambe le configurazioni, il rumore di modo comune viene virtualmente annullato, eliminando così la difficoltà di un filtraggio esteso per veicoli elettrici e veicoli ibridi.
Tra le topologie di celle adattive che integrano convertitori DC/DC per migliorare le prestazioni dei convertitori DC/DC nei veicoli elettrici/veicolari, si annoverano le celle con un convertitore ad ampiezza sinusoidale (SAC, Figura 2). I core SAC utilizzano la commutazione a tensione/corrente zero per eliminare le perdite di commutazione. Eliminando queste perdite, il SAC può operare in modo efficiente a frequenze relativamente elevate, tipicamente dell'ordine dei MHz, con conseguente riduzione delle dimensioni del prodotto. L'elevata frequenza operativa consente la miniaturizzazione di molti componenti, aumentando così la densità di potenza del convertitore. I convertitori a commutazione dolce che operano ad alte frequenze minimizzano anche le interferenze elettromagnetiche (EMI) e i componenti di filtraggio richiesti dai convertitori a commutazione dura che operano a basse frequenze.
Il core SAC viene generalmente utilizzato per fornire la conversione del bus con un rapporto di tensione fisso e un elevato isolamento di tensione. Il core DC-ZVS offre la conversione DC/DC con regolazione e isolamento. Le Figure 3 e 4 mostrano l'efficienza e l'ondulazione di uscita dei convertitori DC/ZVS configurati in un array multi-kW.
Regolatori Buck-Boost ZVS. I regolatori buck-boost ZVS forniscono un'uscita regolata a partire da una sorgente di ingresso non regolata. I regolatori buck-boost ZVS possono essere utilizzati indipendentemente come regolatori di tensione non isolati o combinati con moltiplicatori di corrente SAC per creare convertitori DC/DC isolati. Il regolatore può essere "escluso" dai moltiplicatori di corrente SAC per ottenere una maggiore densità di potenza al punto di carico, una distribuzione efficiente dell'energia e un risparmio in termini di peso e costi dei conduttori. Insieme, questi componenti consentono di realizzare sistemi di conversione DC/DC con livelli di densità, flessibilità ed efficienza significativamente superiori rispetto ai convertitori convenzionali.
Le caratteristiche del regolatore buck-boost ZVS includono:
- Tensioni di ingresso e di uscita fino a 650 V CC.
- Intervallo di tensione di ingresso fino a 5:1.
- Fattore di riduzione/incremento della tensione fino a 5:1.
- Efficienza di conversione fino al 98%.
- Scalabile da centinaia di watt a kilowatt.
Una topologia di commutazione dolce unica e un'architettura di controllo ZVS consentono un funzionamento efficiente ad alta tensione a 1 MHz. I regolatori possono essere collegati in parallelo per aumentare la potenza di uscita. Una caratteristica fondamentale dell'architettura di controllo del regolatore è che la sequenza di commutazione non cambia in modalità buck o boost; viene controllata solo la durata relativa delle fasi all'interno di ciascun ciclo operativo per aumentare o diminuire la tensione.
Convertitori di bus HV SAC. I convertitori a fattore fisso, incluso il convertitore di bus HV SAC, sono in grado di convertire in modo efficiente la tensione del bus ad alta tensione. Le loro caratteristiche principali includono:
- Tensioni di ingresso e di uscita fino a 650 V CC.
- Rapporto di tensione di ingresso fino a 5:1.
- Moltiplicazione della corrente fino a 200X.
- Efficienza di conversione fino al 98%.
- Scalabile da centinaia di watt a kilowatt.
Le topologie ZVS-ZCS SAC con stadio di potenza a basso fattore di merito Q offrono un'efficiente elaborazione di potenza ad alta frequenza con un oscillatore a frequenza fissa caratterizzato da elevata purezza spettrale e simmetria di modo comune, con conseguente funzionamento praticamente privo di rumore. L'architettura di controllo blocca la frequenza operativa alla frequenza di risonanza della trasmissione di potenza, ottimizzando così l'efficienza e minimizzando l'impedenza di uscita. Grazie all'efficace cancellazione delle componenti reattive, l'impedenza di uscita, Zout, può essere relativamente bassa. Per ridurre ulteriormente Zout o per aumentare la capacità di potenza, i convertitori di bus possono essere collegati in parallelo, condividendo con precisione la corrente. I convertitori di bus SAC, silenziosi e potenti, forniscono una conversione tensione/corrente fondamentalmente lineare con un'impedenza di uscita piatta fino a circa 1 MHz.
Insieme, queste tecnologie di potenza promettono soluzioni superiori alle sfide tecniche associate ai veicoli elettrici e ibridi, come dimensioni ridotte, peso contenuto, altissima efficienza, basse emissioni elettromagnetiche (EMI), isolamento ad alta tensione, gestione termica, modularità, flessibilità di progettazione, scalabilità e costi. Possono essere facilmente collegate in parallelo per creare array ad alta potenza tolleranti ai guasti.
Keith Nardone, Direttore dello Sviluppo Commerciale; e Tom Curatolo, Direttore dell'Ingegneria Applicativa. Vicor Corporation
