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DC-DC tecnologías de convertidores para Eléctrico / Híbrido vehículos eléctricos

DC-DC convertidores emplear muchas topologías diferentes

coches eléctricos vendieron más que con motores de combustión interna (ICE) a principios del siglo XX, pero veinte años después, ellos había casi desaparecido. Ahora, en respuesta a los altos precios de la gasolina y los estándares obligatorios de emisión y rendimiento del combustible, son regresando. algunos de ellos son fabricados por fabricantes de automóviles y algunos son conversiones de un coche de hielo a los vehículos eléctricos, pero en cualquier vehículo un voltaje de batería más alto que vehículos tradicionales, conversión dc dc es una parte integral de la electrónica de potencia automotriz.

por Keith Nardone, Director, desarrollo de negocio y Tom Curatolo, Director, Ingeniería de aplicaciones, Vicor corporación

tecnologías convencionales
en la actualidad, por supuesto, DC-DC convertidoresemplean diseños tecnológicos existentes, uno de los aspectos fundamentales es, por ejemplo, topología. DC-DC convertidores emplean muchas topologías diferentes, ninguna de las cuales es superior a todos los demás en todos los aspectos. algunas aplicaciones tienen requisitos que se satisfacen mejor con una topología específica. Aunque consideración completa de la gran cantidad de topologías disponibles podría sea ​​una tarea desalentadora, es útil considerar las ventajas y desventajas de las dos clases topológicas principales: frecuencia fijamodulación de ancho de pulso (PWM) y frecuencia variable cuasiresonante conmutación de corriente cero (ZCS).
De los dos, PWM puede ser algo más simple en el diseño, pero inherentemente intercambia eficiencia con frecuencia de funcionamiento, ambos parámetros importantes para los vehículos eléctricos (EV) o híbridos (HEV). Alta frecuencia El funcionamiento ha sido reconocido durante mucho tiempo como una de las claves principales para lograr una alta densidad de potencia . por ejemplo, magnéticos, filtros y condensadores más pequeños . en modo de conmutación convertidores. Con frecuencia fija modo de cambio convertidores, sin embargo, las pérdidas de conmutación aumentan directamente con frecuencia de funcionamiento, lo que da como resultado el lugar correcto que limita la densidad de potencia alcanzable. Frecuencia variable convertidores superan la barrera de frecuencia haciendo que cada encendido y apagado del cambio ocurre a cero corriente.
una segunda gran diferencia entre frecuencia fija y frecuencia variable DC-DC convertidores es el ruido . de nuevo, un parámetro importante para VE / HEV . generado por el interruptor . El cambio duro del PWM genera más ruido que la conmutación suave de ZCS.
Hoy, el principal EV / HEV DC-DC convertidor la aplicación es la conversión de una batería de alto voltaje hasta los 12 voltios voltaje típico del coche, aunque Es posible que se requieran voltajes más altos, como 42 voltios para la dirección asistida. DC-DC convertidores . generalmente personalizado . utilizado en esto La aplicación normalmente tiene entradas de 250 - 450 Voltios, salidas ajustables de 12,5 a 15,5 Voltios y potencias de salida desde 250 w a 3,5 kW. El tamaños y pesos de disponibles DC-DC convertidores varían sustancialmente, dependiendo de la frecuencia de funcionamiento, por supuesto, pero también en cierta medida de las entradas y salidas de tensión y potencia.
Con topologías convencionales, las eficiencias suelen ser de entre 80 y 90 %, pero es probable que las eficiencias de línea baja sean quizás cuatro o cinco puntos porcentuales más bajas como resultado, AC-DC y algunos amplia gama CC Los productos de CC deben reducirse en la línea baja.
Alta tensión / alta potencia la conversión en vehículos se encuentra en una etapa temprana. muchos desafíos técnicos y económicos deben resolverse para ev y HEV aplicaciones. El desafíos técnicos para tal convertidor . muchos de ellos interrelacionados . incluir tamaño, peso, eficiencia, compatibilidad electromagnética / interferencia electromagnética (EMC / EMI), fiabilidad, aislamiento de alto voltaje, calor eliminación / gestión térmica y coste. además, por supuesto, se da un rendimiento fiable en los entornos de calor, frío, golpes y vibraciones de un vehículo de carretera.
Tecnologías avanzadas
DC-DC convertidores para futuros evs y HEVs requieren alta densidad de potencia, eficiencia y escalabilidad que no pueden ser rentable soportado por diseños de convertidores a granel de baja frecuencia. mientras que un 2 kw DC-DC El convertidor puede ser un objetivo de diseño común, de alta gama. los vehículos requieren más potencia, mientras que menor DC-DC convertidores con clasificaciones de potencia más bajas proporcionan un costo más bajo para nivel de entrada evs y HEVs. Para hacer frente esto amplitud de necesidades de energía, una metodología de sistema de energía flexible y escalable que utiliza convertidores modulares de alta densidad de energía capaces de conversión de bus eficiente, aislamiento y regulación de voltaje permitirá un mayor rendimiento y un tiempo de comercialización más rápido, de manera rentable.
estas tecnologías avanzadas están disponibles o en línea ahora. Estos Los motores de conversión de energía pueden respaldar la distribución eficiente de energía eléctrica de alto voltaje dentro de los vehículos y brindar ventajas clave para el diseñador del sistema de energía, incluyendo tamaño pequeño, bajo peso, alta densidad de energía, alta eficiencia, flexibilidad de diseño y respuesta rápida a las cambiantes demandas eléctricas.
Específicamente, nuevas tecnologías de conversión de energía . en forma de DC-DC motores de conversión de energía . que prometen soluciones avanzadas para EV / HEV vehículos incluyen:
Voltaje cero conmutación (DC / ZVS) DC-DC convertidores con 95 % eficiencia a 1 kW / in3 potencia densidad; ZVS Buck-Boost reguladores con > 97 % eficiencia a 1 kW / in3; y amplitud sinusoidal Converter ™ alta tensión (SAC HV) convertidores de bus con 97 % eficiencia a 1 kW / in3.
DC / ZVS DC-DC convertidores
Conmutación de tensión cero de pinza doble (DC / ZVS) convertidores (figura 1) tienen la capacidad de proporcionar una salida regulada un rango de entrada muy amplio. Los sistemas de energía de celda adaptativa involucran una multiplicidad de convertidores que están configurados en una matriz para proporcionar rango amplio, alto voltaje, alta frecuencia procesamiento de energía. un bloque convertidor normalmente utiliza dos celdas convertidoras acopladas magnéticamente que se configuran selectivamente en serie o en paralelo (Figura 2). en cualquier configuración, modo común el ruido se cancela esencialmente, eliminando un gran desafío de filtrado para evs y HEVs.


topologías de células adaptativas incorporadas en DC / ZVS DC-DC convertidorespara EV / HEV DC-DC convertidor el rendimiento puede incluir convertidor de amplitud sinusoidal (SAC) células. Los motores sac utilizan voltaje cero / corriente cero conmutación para eliminar conmutación pérdidas. al eliminar la pérdida de conmutación, el saco se puede operar de manera eficiente a frecuencias relativamente altas, típicamente en el rango de mhz, lo que resulta en un tamaño de producto más pequeño. la alta frecuencia de operación permite la miniaturización de muchos componentes, aumentando la densidad general de potencia del convertidor. Los convertidores de conmutación suave que funcionan a alta frecuencia también minimizan las interferencias electromagnéticas (EMI) y los componentes de filtrado requeridos por hard-switching convertidores que funcionan a baja frecuencia.
El El motor sac se utiliza normalmente para proporcionar conversión de bus de relación de voltaje fijo con HV aislamiento. El DC-ZVS motor proporciona DC-DC conversión con regulación y aislamiento. las figuras 3 y 4 muestran la eficiencia y el rendimiento de ondulación de salida para DC / ZVS convertidores configurados en un multi-kW matriz.


ZVS Buck-Boost reguladores
ZVS buck-boost reguladores proporcionan una salida regulada una fuente de entrada no regulada. ZVS buck-boost Los reguladores pueden utilizarse de forma independiente, ya que no aislados reguladores de voltaje, o combinados con multiplicadores de corriente de saco para crear aislados DC-DC convertidores . El regulador puede ser "factorizado" lejos de multiplicadores de corriente sac para proporcionar una mayor densidad en el punto de carga al mismo tiempo que respalda una distribución de energía eficiente y ahorros en el peso y el costo del conductor. en combinación, estos los motores permiten DC-DC convertidor sistemas con densidad, flexibilidad y eficiencia significativamente más altas que convertidores convencionales.
ZVS buck-boost capacidades del regulador incluyen:
• voltajes de entrada y salida hasta 650 Vdc
• hasta 5: 1 rango de voltaje de entrada
• hasta 5: 1 aumento de voltaje / ratio de reducción
• eficiencia de conversión hasta 98 %
• escalable desde cientos de vatios a kilovatios.
una topología de conmutación suave única y ZVS permite la arquitectura de control eficiente HV funcionamiento a 1 MHz. los reguladores pueden conectarse en paralelo 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 reductor ni en el modo boost . sólo se controla la duración relativa de las fases dentro de cada ciclo de funcionamiento para efectuar un aumento o disminución de la tensión.
sac HV convertidores de bus
Razón fija convertidores, que incluir el saco HV convertidor de bus, son capaces de HV bus conversión. capacidades adicionales incluyen:
• voltajes de entrada y salida hasta 650Vdc
• hasta 5: 1 voltaje de entrada rango;
• multiplicación actual hasta 200X;
• eficiencia de conversión hasta 98 %
• escalable desde cientos de vatios a kilovatios.
ZVS-ZCS topologías de convertidor de amplitud sinusoidal un tren de potencia de baja q apoya eficiente alta frecuencia procesamiento de energía con a frecuencia fija oscilador que tiene una alta pureza espectral y modo común simetría, lo que resulta esencialmente libre de ruido operación. El La arquitectura de control bloquea la frecuencia de operación a la frecuencia resonante del tren de potencia, optimizando la eficiencia y minimizando la impedancia de salida. al cancelar eficazmente 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 corriente precisa compartir. silenciosos y potentes, los convertidores sac bus proporcionan un voltaje esencialmente lineal / conversión actual con impedancia de salida plana hasta aproximadamente 1 MHz.
en combinación, estos las tecnologías de energía prometen soluciones superiores a los desafíos técnicos asociados con evs y HEVs incluyendo tamaño pequeño, bajo peso, muy alta eficiencia, baja EMI, aislamiento de alto voltaje, manejo del calor, modularidad, flexibilidad de diseño, escalabilidad y costo. Ellos se conectan fácilmente en paralelo para configurar tolerantes a fallos matrices de alta potencia.

fuente de : http: / / www.powerguru.org / tecnologías-de-convertidor-dc-dc-para-vehículos-eléctricos-híbridos-eléctricos /
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