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Tecnologías de convertidores CC-CC para vehículos eléctricos / híbridos

Los convertidores DC-DC emplean muchas topologías diferentes
Los autos eléctricos vendieron más que los que tenían motores de combustión interna (ICE) a principios de 1900, pero veinte años más tarde, casi habían desaparecido. Ahora, en respuesta a los altos precios del gas y las normas obligatorias de emisión y rendimiento del combustible, vuelven. Algunos de ellos son fabricados por fabricantes de automóviles y algunos son conversiones de un automóvil ICE a vehículos eléctricos, pero en cualquier vehículo con un voltaje de batería más alto que los vehículos tradicionales, la conversión DCDC es una parte integral de la electrónica de potencia del automóvil.
Por Keith Nardone, Director de desarrollo comercial y Tom Curatolo, Director de ingeniería de aplicaciones, Vicor Corporation

Tecnologías convencionales
En la actualidad, por supuesto, los convertidores DC-DC emplean diseños tecnológicos existentes, un aspecto fundamental de los cuales es, por ejemplo, la topología. Los convertidores DC-DC emplean muchas topologías diferentes, ninguna de las cuales es superior a todas las demás en todos los aspectos. Algunas aplicaciones tienen requisitos que se satisfacen mejor con una topología específica. Aunque la completa consideración del gran número de topologías disponibles podría ser una tarea abrumadora, es útil considerar las ventajas y desventajas de las dos principales clases topológicas: modulación de ancho de pulso de frecuencia fija (PWM) y conmutación de corriente cero cuasireonante de frecuencia variable (ZCS) .
De los dos, PWM puede ser algo más simple en el diseño, pero inherentemente intercambia la eficiencia con la frecuencia de operación, ambos parámetros importantes para vehículos eléctricos (EV) o híbridos (HEV). El funcionamiento de alta frecuencia ha sido reconocido durante mucho tiempo como una de las claves principales para lograr una densidad de alta potencia. por ejemplo, imanes, filtros y condensadores más pequeños. en convertidores de modo de conmutación. Sin embargo, con los convertidores de modo de conmutación de frecuencia fija, las pérdidas de conmutación aumentan directamente con la frecuencia operativa, lo que da lugar al lugar correcto que limita la densidad de potencia alcanzable. Los convertidores de frecuencia variable superan la barrera de frecuencia haciendo que cada conexión y desconexión del interruptor ocurra a cero corriente.
Una segunda diferencia importante entre los convertidores DC-DC de frecuencia fija y frecuencia variable es el ruido. de nuevo, un parámetro importante para EVs / HEVs. generado por el interruptor. La conmutación brusca del PWM genera más ruido que la conmutación suave de ZCS.
Hoy en día, la principal aplicación de convertidor EV / HEV DC-DC es la conversión de una batería de alto voltaje a la típica tensión de 12 voltios del automóvil, aunque es posible que se requieran voltajes más altos, como 42 voltios para la dirección asistida. Convertidores DC-DC. generalmente personalizado. utilizados en esta aplicación suelen tener entradas de 250 - 450 voltios, salidas ajustables de 12,5 a 15,5 voltios y potencias de salida de 250 W a 3,5 kW. Los tamaños y pesos de los convertidores DC-DC disponibles varían sustancialmente, dependiendo de la frecuencia de operación, por supuesto, pero también, hasta cierto punto, de las entradas y salidas de voltaje y potencia.
Con las topologías convencionales, las eficiencias son típicamente de mediados de 80-90%, pero es probable que las bajas eficiencias de línea sean cuatro o cinco puntos porcentuales más bajas. Como resultado, AC-DC y algunos productos DCDC de amplio rango deben reducirse en la línea baja.
La conversión de alto voltaje / alta potencia en vehículos se encuentra en una etapa inicial. Se deben resolver muchos desafíos técnicos y económicos para las aplicaciones EV y HEV. Los desafíos técnicos para un convertidor de este tipo. muchos de ellos interrelacionados. incluyen tamaño, peso, eficiencia, compatibilidad electromagnética / interferencia electromagnética (EMC / EMI), confiabilidad, aislamiento de alto voltaje, eliminación de calor / gestión térmica y costo. Además, por supuesto, un rendimiento confiable en los ambientes de calor, frío, choque y vibración de un vehículo de carretera es un hecho.
Tecnologías avanzadas
Los convertidores DC-DC para futuros EV y HEV requieren alta densidad de potencia, eficiencia y escalabilidad que no pueden ser soportados de manera rentable por los diseños de convertidor de baja frecuencia y de baja frecuencia. Mientras que un convertidor CC-CC de 2 kW puede ser un objetivo de diseño común, los vehículos de gama alta requieren más potencia, mientras que los convertidores DC-DC más pequeños con menores niveles de potencia proporcionarían un menor costo para EVs y HEV de nivel de entrada. Para hacer frente a esta amplitud de necesidades de energía, una metodología flexible y escalable del sistema de potencia que utiliza convertidores modulares de alta densidad capaces de una conversión de bus eficiente, aislamiento y regulación de voltaje permitirá un mayor rendimiento y un tiempo de comercialización más rápido y rentable.
Estas tecnologías avanzadas están disponibles o en línea ahora. Estos motores de conversión de energía pueden admitir la distribución de energía eléctrica de alto voltaje dentro de los vehículos y brindan ventajas clave al diseñador del sistema de potencia, incluyendo tamaño pequeño, bajo peso, alta densidad de potencia, alta eficiencia, flexibilidad de diseño y respuesta rápida a las cambiantes demandas eléctricas.
Específicamente, nuevas tecnologías de conversión de energía. en forma de motores de conversión de corriente DC-DC. que prometen soluciones avanzadas para vehículos EV / HEV incluyen:
Convertidores de CC-CC de conmutación de voltaje cero (DC / ZVS) con un 95% de eficiencia a una densidad de potencia de 1 kW / in3; Reguladores Buck-Boost ZVS con> 97% de eficiencia a 1 kW / in3; y convertidores de bus de alto voltaje Sine Amplitude Converter ™ (SAC HV) con un 97% de eficiencia a 1 kW / in3.
Convertidores DC / ZVS DC-DC
Los convertidores de doble voltaje de conmutación de voltaje cero (DC / ZVS) (Figura 1) tienen la capacidad de proporcionar una salida regulada desde un rango de entrada muy amplio. Los sistemas de alimentación adaptativa de células implican una multiplicidad de convertidores que están configurados en una matriz para proporcionar un procesamiento de potencia de alta gama, alto voltaje y alta gama. Un bloque convertidor típicamente utiliza dos celdas de convertidor conectadas magnéticamente que se configuran selectivamente en serie o en paralelo (Figura 2). En cualquiera de las configuraciones, el ruido de modo común es esencialmente cancelado, eliminando un gran desafío de filtrado para EV y HEV.


Las topologías de células adaptables incorporadas en los convertidores DC / ZVS DC-DC para el rendimiento del convertidor EV / HEV DC-DC pueden incluir células Sine Amplitude Converter (SAC). Los motores SAC utilizan conmutación de voltaje cero / corriente cero para eliminar las pérdidas de conmutación. Al eliminar la pérdida por conmutación, el SAC puede funcionar de manera eficiente a frecuencias relativamente altas, generalmente en el rango de MHz, lo que da como resultado un tamaño de producto más pequeño. La alta frecuencia de operación permite la miniaturización de muchos componentes, aumentando la densidad de potencia total del convertidor. Los convertidores de conmutación suave que funcionan a alta frecuencia también minimizan la interferencia electromagnética (EMI) y los componentes de filtrado requeridos por los convertidores de conmutación brusca que operan a baja frecuencia.
El motor SAC generalmente se usa para proporcionar una conversión de bus de relación de voltaje fija con aislamiento de alto voltaje. El motor DC-ZVS proporciona conversión DC-DC con regulación y aislamiento. Las Figuras 3 y 4 muestran la eficiencia y el rendimiento de la ondulación de la salida para convertidores DC / ZVS configurados en una matriz de varios kW.


Reguladores Buck-Boost ZVS
Los reguladores de buck-boost ZVS proporcionan una salida regulada desde una fuente de entrada no regulada. Los reguladores de buck-boost ZVS se pueden usar de manera independiente, como reguladores de voltaje no aislados, o combinados con multiplicadores de corriente SAC para crear convertidores CC-CC aislados. El regulador puede ser "factorizado" lejos de los multiplicadores de corriente SAC para proporcionar una mayor densidad en el punto de carga, al mismo tiempo que admite una distribución de energía eficiente y ahorros en el peso y el costo del conductor. En combinación, estos motores permiten sistemas convertidores CC-CC con una densidad, flexibilidad y eficiencia significativamente mayor que los convertidores convencionales.
Las capacidades del regulador de buck-boost de ZVS incluyen:
• Voltajes de entrada y salida de hasta 650 Vdc
• Rango de voltaje de entrada de hasta 5: 1
• Relación de aumento / reducción de tensión de hasta 5: 1
• Eficiencia de conversión hasta 98%
• Escalable de cientos de vatios a kilovatios.
Una topología de conmutación suave única y una arquitectura de control ZVS permiten una operación HV eficiente a 1 MHz. Los reguladores pueden ser paralelos para lograr una mayor potencia de salida. Una característica de la arquitectura de control del regulador es que su secuencia de conmutación no cambia ni en el modo buck ni en el boost. solo la duración relativa de las fases dentro de cada ciclo de operación se controla para aumentar o reducir la tensión.
Convertidores de bus SAC HV
Los convertidores de relación fija, que incluyen el convertidor de bus SAC HV, son capaces de una conversión de bus HV eficiente. Las capacidades adicionales incluyen:
• Voltajes de entrada y salida de hasta 650Vdc
• Rango de voltaje de entrada de hasta 5: 1;
• Multiplicación actual hasta 200X;
• Eficiencia de conversión hasta 98%
• Escalable de cientos de vatios a kilovatios.
Las topologías ZVS-ZCS Sine Amplitude Converter con un tren de potencia Q bajo soportan un procesamiento de potencia de alta frecuencia eficiente con un oscilador de frecuencia fija que tiene una alta pureza espectral y una simetría de modo común, lo que resulta en un funcionamiento esencialmente libre de ruido. La arquitectura de control bloquea la frecuencia de operación a la frecuencia de resonancia del tren de potencia, optimizando la eficiencia y minimizando la impedancia de salida. Al cancelar de manera efectiva los componentes reactivos, la impedancia de salida, Zout, puede ser relativamente baja. Para reducir aún más Zout, o para una mayor capacidad de potencia, los convertidores de bus se pueden conectar en paralelo con el intercambio de corriente preciso. Silenciosos y potentes, los convertidores de bus SAC proporcionan una conversión de voltaje / corriente esencialmente lineal con una impedancia de salida plana de hasta aproximadamente 1 MHz.
En combinación, estas tecnologías de potencia prometen soluciones superiores a los desafíos técnicos asociados con EV y HEV, incluidos tamaño pequeño, bajo peso, muy alta eficiencia, bajo EMI, aislamiento de alto voltaje, administración de calor, modularidad, flexibilidad de diseño, escalabilidad y costo. Son fácilmente paralelos para configurar matrices de alta potencia con tolerancia a fallas.

Fuente de: http: //www.powerguru.org/dc-dc-converter-technologies-for-electrichybrid-electric-vehicles/
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