การปรับใช้นวัตกรรมเครือข่ายจ่ายพลังงานโดยใช้ตัวแปลงพลังงานแบบแยกส่วน

เครือข่ายจ่ายไฟ (PDN) ของรถยนต์ไฟฟ้า (EV) กำลังเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว โดยแหล่งพลังงานไฟฟ้าแบบเดิมๆ เช่น แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดขนาด 12 โวลต์ กำลังหลีกทางให้กับแหล่งพลังงานไฟฟ้า 48 โวลต์ขึ้นไป ในขณะเดียวกัน มอเตอร์ ปั๊ม เซ็นเซอร์ และแอคชูเอเตอร์จำนวนมากยังคงทำงานที่ระดับแรงดันไฟฟ้าแบบเดิม เป็นผลให้แรงดันไฟฟ้าระดับสูงกว่าจะต้องลดลงอย่างมีประสิทธิภาพและกระจายไปยังโหลดต่างๆ เหล่านี้ เพื่อให้บรรลุเป้าหมายดังกล่าวและยังลดแรงดันไฟฟ้าตกจากตัวต้านทานและการสูญเสียพลังงานที่เกี่ยวข้อง นักออกแบบระบบไฟฟ้ากำลังเปลี่ยนจากแนวทางแบบรวมศูนย์ (ด้วยตัวแปลง DC/DC ขนาดใหญ่ใกล้แหล่งกำเนิด) ไปสู่สถาปัตยกรรมแบบกระจาย (ซึ่งมีการกระจายไฟฟ้าแรงดันสูงไปยังตัวแปลงพลังงานที่อยู่ใกล้แต่ละแหล่ง) ของโหลดแรงดันไฟฟ้าต่ำ)

PDN แบบกระจายนี้ต้องการแหล่งจ่ายไฟน้ำหนักเบาที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูง ประสิทธิภาพสูงสุด และใช้พื้นที่เพียงเล็กน้อย แม้ว่าการออกแบบตัวแปลงเหล่านี้โดยใช้ส่วนประกอบแยกแบบดั้งเดิมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพอาจดูน่าดึงดูด แต่ก็อาจเป็นงานที่ท้าทายเช่นกัน

ตัวเลือกที่ดีกว่าคือ การใช้อุปกรณ์โมดูลาร์ที่มีจำหน่ายทั่วไปจากแหล่งที่มีประสบการณ์การออกแบบที่กว้างขวางและโซลูชันที่หลากหลายสำหรับข้อกำหนด PDN เช่น ช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุต แรงดันเอาต์พุต กำลังไฟฟ้า ความหนาแน่น และประสิทธิภาพ

บทความนี้กล่าวถึงความต้องการของ PDN สมัยใหม่และข้อกำหนดด้านแหล่งจ่ายไฟทั่วไป บทความนี้ยังแนะนำตัวอย่างโซลูชันแหล่งจ่ายไฟแบบแยกส่วนจาก Vicor และแสดงให้เห็นว่าสามารถนำไปใช้กับ PDN ให้มีประสิทธิภาพสูงและคุ้มค่าได้อย่างไร

วิวัฒนาการของ PDN

รถยนต์ไฟฟ้าและรถไฮบริดต้องการระยะการขับขี่สูงสุดและใช้เวลาชาร์จน้อยที่สุด ขณะเดียวกันก็ให้บริการเต็มรูปแบบแก่ผู้ขับขี่และผู้โดยสารไปพร้อมๆ กัน ข้อกำหนดเหล่านี้เน้นที่การออกแบบที่มีประสิทธิภาพและมีน้ำหนักเบา ด้วยเหตุนี้ ผู้ผลิตยานยนต์จึงเปลี่ยนจากสถาปัตยกรรม PDN แบบรวมศูนย์ไปเป็นสถาปัตยกรรมแบบกระจายแบ่งโซน (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: สถาปัตยกรรมแบบรวมศูนย์จะแปลงแรงดันไฟฟ้าต้นทางเป็นแรงดันไฟฟ้าโหลด 12 โวลต์ใกล้กับแหล่งกำเนิดและกระจายไปทั่วยานพาหนะ และสถาปัตยกรรมแบบกระจายแบ่งโซนจะกระจายแรงดันไฟฟ้าต้นทางไปยังตัวแปลง DC/DC โดยลดแรงดันไฟฟ้าลงเหลือ 12 โวลต์ให้ใกล้กับโหลดมากที่สุด (แหล่งที่มาภาพ: Vicor)

สถาปัตยกรรมแบบรวมศูนย์จะแปลงแหล่งกำเนิด 48 โวลต์เป็น 12 โวลต์ผ่าน "กล่องสีเงิน" ซึ่งเป็นตัวแปลง DC/DC ขนาดใหญ่ที่ใช้โทโพโลยีสวิตชิ่งความกว้างพัลส์ความถี่ต่ำ (PWM) แบบเก่า แล้วจ่ายไฟจากกล่องสีเงินที่ 12 โวลต์ สำหรับกำลังไฟฟ้าที่จ่ายให้กับโหลด ระดับกระแสไฟที่ 12 โวลต์จะมากกว่ากระแสไฟที่จ่ายภายใต้ศักย์ไฟฟ้า 48 โวลต์ถึงสี่เท่า ซึ่งหมายความว่าการสูญเสียกำลังต้านทานซึ่งเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของกระแสที่จะสูงขึ้นไป 16 เท่า

ในทางกลับกัน สถาปัตยกรรมแบบกระจายแบ่งโซนแหล่งใช้ 48 โวลต์ไปยังโซนที่มีตัวแปลง DC/DC ไฟ 48 ไปเป็น 12 โวลต์ที่มีขนาดเล็กกว่าและมีประสิทธิภาพสูงกว่าในการจ่ายไฟให้กับโหลด ระดับกระแสไฟที่ต่ำกว่าต้องใช้ตัวนำและส่วนตัดขวางของตัวเชื่อมต่อที่เล็กลง ส่งผลให้ชุดสายไฟมีต้นทุนที่ต่ำกว่าและน้ำหนักเบากว่า โดยที่ตัวแปลงภายในจะถูกวางไว้ใกล้กับโหลดมากขึ้นเพื่อลดความยาวของสายไฟ 12 โวลต์

ในระบบแบ่งโซน แหล่งความร้อนจะกระจายไปยังโซนต่าง ๆ ของรถแทนที่จะกระจุกตัวอยู่ใกล้แหล่งจ่ายไฟ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการกระจายความร้อนโดยรวม ทำให้ตัวแปลงแต่ละตัวสามารถทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำลงได้ ผลลัพธ์ที่ได้คือประสิทธิภาพการทำงานที่สูงขึ้นและความน่าเชื่อถือที่มากขึ้น

การออกแบบแหล่งจ่ายไฟ PDN

แม้ว่าจะสามารถการออกแบบตัวแปลง PDN แบบกำหนดเองโดยใช้ส่วนประกอบแบบแยกได้ แต่การออกแบบแหล่งจ่ายไฟถือเป็นงานที่ยากลำบาก มีวิศวกรเพียงไม่กี่คนมีทักษะหรือประสบการณ์ที่จำเป็นเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดการใช้งานและกฎระเบียบ ดังนั้นวิธีการแบบโมดูลาร์เป็นทางเลือกที่ง่ายกว่าและดีกว่า

การออกแบบ PDN แบบโมดูลาร์ขึ้นอยู่กับความพร้อมของคลังโมดูลพลังงานซึ่งมีฟังก์ชันที่เกี่ยวข้องกับพลังงานที่หลากหลาย เพื่อให้สามารถใช้งานสถาปัตยกรรมที่ยืดหยุ่นและปรับขนาดได้ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: การออกแบบ PDN แบบโมดูลาร์อาศัยซัพพลายเออร์ที่มีโซลูชันที่หลากหลายเพื่อให้มั่นใจถึงความยืดหยุ่นและความสามารถในการขยายขนาด (แหล่งที่มาภาพ: Vicor)

สถาปัตยกรรม PDN แบบแบ่งโซน (ซ้ายบน) กระจายแหล่งพลังงาน 48 โวลต์ไปยังตัวแปลงโมดูลาร์ DC/DC ส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าลดลงถึงระดับที่ต้องการ หากมีการเปลี่ยนแปลงข้อกำหนดของโหลด สามารถอัปเกรดง่ายๆ เป็นโมดูลที่มีอัตรากำลังสูงกว่า (ตรงกลางด้านบน) การเพิ่มโหลดใหม่เพียงแค่ต้องเพิ่มตัวแปลงโมดูลาร์ตัวอื่น (ขวาบน) ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนการรูปแบบของแหล่งจ่ายไฟ

การลดการสูญเสียรางจ่ายไฟสามารถทำได้โดยการเปลี่ยนแปลงสถาปัตยกรรมแบบแฟคเตอร์ไรซ์เล็กน้อย (ซ้ายล่าง) สถาปัตยกรรมแบบแฟคเตอร์ไรซ์จะแยกการควบคุมกำลังและการแปลงแรงดัน/กระแสออกเป็นสองโมดูลแยกกัน โมดูลควบคุมล่วงหน้า (PRM) จัดการฟังก์ชันควบคุมแรงดันไฟฟ้า โดยตรวจจับกระแสแฟคเตอร์ไรซ์บัสเพื่อควบคุมแรงดันเอาต์พุตของรางจ่ายไฟ โมดูลแปลงแรงดันไฟฟ้า (VTM) ซึ่งทำหน้าที่คล้ายกับหม้อแปลงไฟฟ้ากระแสตรง ทำหน้าที่จัดการการลดแรงดันไฟฟ้า/การคูณกระแส โดย VTM มีขนาดเล็กกว่าโมดูลตัวแปลง DC/DC และสามารถวางไว้ใกล้กับโหลดมากขึ้นเพื่อลดการสูญเสียความต้านทาน นอกจากนี้ อิมพีแดนซ์เอาต์พุตต่ำยังต้องใช้ตัวเก็บประจุเอาต์พุตขนาดเล็กอีกด้วย ซึ่งหมายความว่าตัวเก็บประจุแบบเซรามิกที่มีขนาดเล็กกว่าสามารถแทนที่ตัวเก็บประจุแบบบัคขนาดใหญ่ใกล้กับโหลดได้

ความต้องการพลังงานที่มากขึ้นสามารถทำได้โดยการวางโมดูลตัวแปลงหลายตัวขนานกัน (ตรงกลางด้านล่าง) การอัปเดตเป็นแหล่งแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น เช่น 400 หรือ 800 โวลต์ สามารถทำได้โดยการเพิ่มโมดูลสเต็ปดาวน์อัตราส่วนคงที่และโมดูลตัวแปลงบัส (BCM) เพื่อลดแรงดันไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายลงจนถึงระดับบัสแรงดันต่ำพิเศษ (SELV) ที่ปลอดภัย (ขวาล่าง) โดยบัส SELV เป็นมาตรฐานความปลอดภัยที่ระบุขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าสูงสุดสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าเพื่อความปลอดภัยจากไฟฟ้าช็อต ระดับแรงดันไฟฟ้า SELV โดยทั่วไปจะต่ำกว่า 53 โวลต์

ตัวอย่างเหล่านี้ให้รายละเอียดเกี่ยวกับความยืดหยุ่นและความสามารถในการปรับขนาดที่มีอยู่ในสถาปัตยกรรมแบบแบ่งโซน โดย Vicor นำเสนอโมดูลตัวแปลงที่หลากหลายในซีรีส์ DCM ที่เหมาะกับการใช้งานที่หลากหลายเหล่านี้ บริษัทริเริ่มความก้าวหน้าด้านการปฏิวัติการออกแบบโมดูลพลังงานหลายประการ ซึ่งรวมถึงแพ็คเกจแบบ Converter housed in Package (ChiP) และแพ็คเกจ Vicor Integrated Adapter (VIA) (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: ตัวอย่างรูปแบบทางกายภาพของ ChiP และ VIA ของซีรีส์ DCM (แหล่งที่มาภาพ: Vicor)

แพ็คเกจเหล่านี้เพิ่มความหนาแน่นของพลังงานถึงสี่เท่าเมื่อเทียบกับแพ็คเกจก่อนหน้านี้ ในขณะที่สามารถลดการสูญเสียพลังงานลงได้ 20% ชิปใช้โครงสร้างแม่เหล็กที่ติดตั้งผ่านสารประกอบที่มีความหนาแน่นสูง ส่วนประกอบอื่นๆ ได้รับการติดตั้งโดยใช้เค้าโครงสองด้านเพื่อเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานเป็นสองเท่า ส่วนประกอบต่างๆ ถูกจัดวางอย่างสมมาตรภายในแพ็คเกจเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการระบายความร้อน รูปแบบขั้นสูงนี้พร้อมกับวัสดุผสมแม่พิมพ์ที่ได้รับการปรับปรุง ทำให้มีเส้นทางระบายความร้อนที่ดีขึ้น โมดูลชิปมีความต้านทานความร้อนที่พื้นผิวด้านบนและด้านล่างต่ำ การระบายความร้อนสามารถเพิ่มได้โดยใช้ฮีทซิงค์ที่ควบคู่กับพื้นผิวด้านบนและด้านล่าง ตลอดจนผ่านการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า โมดูล VIA เพิ่มการกรองสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ในตัว การควบคุมแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตที่ดีขึ้น และอินเทอร์เฟซการควบคุมรองให้กับองค์ประกอบโครงสร้าง "บริก" พื้นฐาน

ตัวอย่างโมดูลตัวแปลง DC/DC ซีรีส์ DCM

ซีรีส์ DCM เป็นตัวอย่างของตัวแปลง DC/DC เอนกประสงค์ที่มีการควบคุมและการแยก ที่ทำงานจากแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าช่วงกว้างที่ไม่ได้รับการควบคุมเป็นอินพุต โดยจะสร้างเอาต์พุตไฟฟ้าที่ผ่านควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่ระดับสูงถึง 1300 วัตต์ ที่กระแสเอาท์พุตสูงถึง 46.43 แอมแปร์ (A) มีการแยกไฟฟ้ากระแสตรงระหว่างอินพุตและเอาต์พุตสูงสุด 4,242 โวลต์ การแยกหมายถึงการแยกกัลวานิก ซึ่งหมายความว่าไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลโดยตรงระหว่างอินพุตและเอาต์พุต โดยมาตรฐานความปลอดภัยอาจจำเป็นต้องมีการแยกส่วนนี้ หากแรงดันไฟฟ้าขาเข้าอาจเป็นอันตรายต่อมนุษย์ การมีเอาต์พุตแบบลอยสัมพันธ์กับอินพุตยังช่วยให้สามารถกลับหรือเปลี่ยนขั้วเอาต์พุตได้

ซีรีส์ DCM ใช้โทโพโลยีสวิตช์แรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์ (ZVS) ซึ่งช่วยลดการสูญเสียการเปิดเครื่องที่ สูงซึ่งพบได้ทั่วไปในตัวแปลง PWM ทั่วไปโดยการซอฟต์สวิตช์อุปกรณ์จ่ายไฟ ซึ่ง ZVS ช่วยให้สามารถทำงานได้ที่ความถี่ที่สูงขึ้นและแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่สูงขึ้นโดยไม่ทำให้ประสิทธิภาพลดลง ตัวแปลงเหล่านี้ทำงานที่ความถี่สวิตชิ่งตั้งแต่ 500 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) ถึงใกล้ 1 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) การใช้ความถี่สวิตชิ่งที่สูงนี้ยังช่วยลดขนาดของส่วนประกอบการจัดเก็บพลังงานแม่เหล็กและคาปาซิทีฟที่เกี่ยวข้อง ซึ่งช่วยเพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน ความหนาแน่นและประสิทธิภาพของพลังงานสูงถึง 1244 วัตต์ต่อลูกบาศก์นิ้ว (W/in.³ ) และ 96% ตามลำดับ

ซีรีส์ DCM มีจำหน่ายในแพ็คเกจสามขนาด: DCM2322, DCM3623 และ DCM4623 โดยมีช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตและระดับพลังงานเอาท์พุตซ้อนทับกัน (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: แสดงเป็นกราฟสรุปคุณลักษณะทางไฟฟ้าของตัวแปลง DC/DC ซีรีส์ DCM รวมถึงช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตและเอาต์พุต (แหล่งที่มาภาพ: Vicor)

ช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตของตัวแปลงทั้งสามตระกูลครอบคลุมตั้งแต่ 9 ถึง 420 โวลต์ โดยมีเอาท์พุต SELV แบ่งขั้นตั้งแต่ 3 ถึง 52.8 VDC ขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตสามารถตัดแต่งได้ในช่วง -40% ถึง +10% ของแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตที่กำหนด เอาท์พุตมีขีดจำกัดกระแสไฟในการทำงานเต็มที่เพื่อให้ตัวแปลงอยู่ภายในพื้นที่การทำงานที่ปลอดภัย โดยขึ้นอยู่กับกำลังเอาท์พุตเฉลี่ยสูงสุด โดยไม่คำนึงถึงการตั้งค่าแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุต

ซีรีส์ DCM มีการป้องกันข้อผิดพลาดสำหรับแรงดันไฟตกของอินพุตและ/หรือแรงดันไฟเกิน อุณหภูมิเกิน แรงดันไฟเอาต์พุตเกิน กระแสไฟเกินเอาต์พุต และการลัดวงจรเอาต์พุต

ตัวอย่างของผลิตภัณฑ์ DCM หลายรายการ รวมถึงขนาดบรรจุภัณฑ์ทั้งสามขนาดและช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตและช่วงกำลังสูงสุด แสดงไว้ในตารางที่ 1

ตารางที่ 1: คุณลักษณะของตัวแปลง DCM ที่ใช้กันทั่วไปแสดงให้เห็นช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุต แรงดันเอาต์พุต และระดับพลังงานที่มีให้เลือก เพื่อตอบสนองข้อกำหนดการใช้งานที่หลากหลาย (แหล่งที่มาตาราง: Art Pini)

ตารางสรุปคุณลักษณะที่สำคัญของตัวแปลง DCM ตัวอย่างแต่ละตัว และระบุขนาดทางกายภาพของตัวแปลงเหล่านั้น นี่เป็นบางตัวอย่างของ DCM รุ่นต่างๆ ที่มีจำหน่าย

การใช้งานทั่วไป

ตัวแปลง DCM สามารถใช้งานได้เพียงตัวเดียว และส่วนใหญ่สามารถใช้งานแบบขนานได้ด้วย เมื่อใช้เพียงตัวเดียว เอาต์พุตสามารถป้อนโหลดได้หลายโหลด รวมถึงตัวควบคุมจุดโหลด (POL) แบบไม่แยกส่วน (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: ภาพที่แสดงคือการใช้งานทั่วไปของ DCM3623T75H06A6T00 ที่ขับเคลื่อนโหลดโดยตรง รวมถึงตัวควบคุม POL แบบไม่แยกส่วน (แหล่งที่มาภาพ: Vicor)

วงจรนั้นไม่มีความซับซ้อน โดยส่วนประกอบ L1, C1, R4, C4 และ Cy สร้างตัวกรอง EMI อินพุต ตัวเก็บประจุเอาต์พุต C_Out-Ext พร้อมด้วย R_Out-Ext ที่ให้ความเสถียรของลูปควบคุม ตัวต้านทานสามารถเป็นความต้านทานอนุกรมประสิทธิผล (ESR) ของตัวเก็บประจุ โดยมีค่าประมาณ 10 มิลลิโอห์ม (mΩ) ตัวเก็บประจุจะต้องตั้งอยู่ใกล้กับพินเอาท์พุตของตัวแปลง R_dm, L_b, L₂, _และ C₂ สร้างตัวกรองเอาต์พุตโหมดดิฟเฟอเรนเชียล ความถี่ตัดของตัวกรองถูกตั้งค่าไว้ที่หนึ่งในสิบของความถี่ในการสวิตช์

ตัวแปลง DCM ส่วนใหญ่สามารถทำงานได้โดยให้เอาต์พุตเชื่อมต่อแบบขนาน (โหมดอาร์เรย์) ซึ่งจะเป็นการเพิ่มกำลังเอาท์พุตที่ส่งไปยังโหลดโดยการรวมเอาท์พุตของโมดูลสูงสุดแปดโมดูล (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: วงจรแสดงการทำงานของอาร์เรย์แบบขนานของตัวแปลง DCM สี่ตัวที่ขับเคลื่อนโหลดทั่วไป (แหล่งที่มาภาพ: Vicor)

ส่วนประกอบภายนอกทำหน้าที่เดียวกันกับในตัวอย่างตัวแปลงเดี่ยว ในโหมดอาเรย์ โมดูล DCM แต่ละตัวจะต้องดูค่าความจุเอาต์พุตขั้นต่ำก่อนการเหนี่ยวนำอนุกรมใดๆ และจะต้องตั้งอยู่ใกล้กับตัวแปลงแต่ละตัวมากกว่าจุดรวมเอาท์พุต ในอาร์เรย์ที่โมดูล DCM “N” ทั้งหมดเริ่มทำงานพร้อมกัน ค่าสูงสุดของความจุเอาต์พุตอาจสูงถึง N คูณ C_out-Ext นอกจากนี้ยังมีข้อกำหนดสำหรับความต้านทานของแหล่งพลังงานให้น้อยกว่าครึ่งหนึ่งของความต้านทานอินพุตของอาร์เรย์ DCM เพื่อรับประกันความเสถียรและลดเสียงเรียกเข้าให้เหลือน้อยที่สุด

สรุป

การใช้งานต่างๆ เช่น ยานพาหนะและ EV กำลังอยู่ระหว่างการเปลี่ยนแปลงจากสถาปัตยกรรม PDN แบบรวมศูนย์ไปเป็นแบบกระจายอย่างเห็นได้ชัด โดยตัวแปลง DC/DC ที่จำเป็นเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ ความหนาแน่นของพลังงาน และน้ำหนักที่เกี่ยวข้อง ถือเป็นเรื่องท้าทายในการออกแบบโดยใช้ส่วนประกอบที่แยกจากกัน นักออกแบบสามารถลดเวลาและต้นทุนได้โดยใช้โซลูชันแหล่งจ่ายไฟแบบโมดูลาร์ซีรีส์ DCM ของ Vicor ดังที่แสดงไว้ โมดูลเหล่านี้อยู่ในระดับแนวหน้าของแพ็คเกจขั้นสูง เช่น ChiP และ VIA และนวัตกรรมโทโพโลยี ZVS สามารถปรับขนาดได้และอเนกประสงค์ ตอบโจทย์การใช้งานที่หลากหลาย