ממירים בעלי יחס המרה קבוע משפרים את הביצועים של מערכות המופעלות בסוללות

ממיר בעל יחס המרה קבוע הוא ממיר מתח ישר למתח ישר לא מיוצב, ומתפקד כשנאי מתח ישר למתח ישר. יש לו תכונות של צפיפות הספק, נצילות וגמישות אשר יכולות לאפשר יצירת רשתות אספקת מתח עם ביצועים גבוהים (PDN). הדבר נכון גם כאשר עומדים בפני מקורות בעלי טווח רחב של מתח מוצא, כגון סוללות או מקורות מתח מתחדשים. בניגוד לממירי מתח ישר למתח ישר מיוצבים של הזרם המרכזי הפופולריים יותר, ממירים בעלי יחס קבוע מאפשרים לאנשי התכנון לתכנן ולבצע אופטימיזציה ברשתות האספקה שלהם, לקבלת ביצועים גבוהים יותר של המערכת. כאשר מפרידים את פונקציות ההמרה, הבידוד והייצוב, אפשר לקבל שיפורים משמעותיים ויתרונות חשובים במערכת הסופית.

רשתות מתקדמות לאספקת מתח ביישומים של כלי רכב, כלי רכב חשמליים קלים (LEV), רובוטים, מטוסים ללא טייס וביישומים תעשייתיים, מועברות למקורות אספקה במתח גבוה יותר של 100 וולט, 400 וולט, 800 וולט ולרמות אספקה של מתח בערכים נמוכים ביותר לבטיחות (SELV), ב- 48 – 60 וולט, כדי לאפשר את השימוש במתח הגבוה יותר שנדרש לרבות מבין המערכות המודרניות כיום. מערכות רבות מהן משתמשות במצברים, באנרגיה מתחדשת ובתאי דלק כבמקור האספקה העיקרי עבור רשתות PDN וחולקות אתגר אחד משותף: ערכי מתח במוצא שמשתנים באופן נרחב. בגלל השינויים האלו, הממיר הנפוץ ביותר המשמש עבור מקורות אספקה במתח גבוה ובטווח רחב הוא ממיר מתח ישר למתח ישר מבודד ומיוצב, המתוכנן ונבנה כבלוק פונקציונלי יחיד.

עם זאת, אין הכרח שהמרה, ייצוב ובידוד יתבצעו על ידי ממיר מתח ישר למתח ישר בבלוק פונקציונלי אחד. למעשה, על כל אחת מפונקציות אלו חלה עלות הכרוכה בנצילות של פעולת הממיר אשר מתורגמת להפסדים גבוהים יותר בהספק, ואלו מתבטאים בחום שהוא הגורם העיקרי הקובע את צפיפות ההספק שאליה אפשר להגיע בפתרון של ממיר מתח ישר למתח ישר, בנוסף על העלות והאמינות שלו. ככל שרמות ההספק של המערכת עולות לערכים של עשרות רבות של קילוואטים, הפסדי ההספק הופכים להיות האתגר העיקרי מבחינת הגודל והמשקל של הממיר. ניהול החום מוסיף אף הוא גודל ועלות משמעותיים לדרגת המרת המתח.

ארכיטקטורה חלופית

לרוב המערכות נדרש בידוד באזורים של המתח הגבוה של רשתות FDN והסיבות נעוצות בבטיחות, אבל אפשר להפריד בין פונקציות ההמרה והייצוב. אחרי שהמתח הגבוה של רשת FDN הומר למתח SELV הרצוי על ידי ממיר היחס הקבוע (מתח שנקבע על ידי גורם K של הממיר), נקודות הארכיטקטורה שיש לקבוע הן המקומות המתאימים ביותר להמרה ולייצוב נוספים לצורך ניהול אספקת המתח אל צרכני המערכת. עקב העלייה ברמות צריכת ההספק של יישומים, כגון מחשוב ברמה גבוהה וכלי רכב חשמליים, השימוש במתח של 54 וולט ו- 48 וולט בהתאמה כרמות מתח של אספקת SELV במקום אספקה של 12 וולט, הופך להיות נפוץ יותר. בזרמי עומס גבוהים, המתחים הגבוהים יותר מאפשרים לקבל שיפורים משמעותיים בהפחתת הפסדי חלוקת האספקה (I2R) ובנצילות, וכן יתרונות הקשורים למשקל ולעלות, שנגזרים משימוש בכבלים, חוטים ומחברים קטנים יותר ומשטחי נחושת במעגלים המודפסים דקים יותר. עם זאת, המפתח לשימוש בממירים ביחס קבוע בארכיטקטורה של מערכות קצה אלו הוא היכולת של כל ממיר ביניים ומייצב נקודת אספקה לעומס (PoL) בדרך, לנהל מתח בשינויי טווח גדולים הממוקדים ברמות הגבוהות של אספקת SELV זו. לטופולוגיות של מייצבים מורידים (buck) ומייצבים מורידים–מעלים (buck–boost) עם מיתוג במתח אפס (ZVS) יש יתרונות בזכות ערכי הנצילות הגבוהים שלהם בזמן ההמרה והייצוב של ערכי מתח גבוהים.

נשקול שלושה יישומים שבהם אפשר לקבל יתרונות חשובים בביצועים על ידי הפרדת שלוש פונקציות אלו:

א. יישום טעינת רכב חשמלי

ב. יישום של רובוט קציר

ג. יישום מטוס ללא טייס

טעינת רכב חשמלי: המרת מתח גבוה ללא בידוד

איור 1: כדי להפוך את תחנות הטעינה תואמות לרכב חשמלי, בלי קשר אם הן משתמשות באותו מתח, רשת אספקת החשמל משתמשת במודול ממיר לא מבודד ביחס קבוע (NBM™) של Vicor כדי להמיר 800 וולט ל- 400 וולט או 400 וולט ל- 800 וולט בהספק של 6 קילו וואט. הפתרון המדורג בעל נצילות גבוהה וצפיפות גבוהה, מאפשר לכלי רכב חשמליים בעלי מתחי מצברים שונים להשתמש באותן תחנות טעינה.

שוק כלי הרכב החשמליים (EV) משתמש יותר ויותר במצברים של 800 וולט ושל 400 וולט כבמקור הכוח העיקרי, אשר מעודד שימוש ואימוץ נרחבים בטכנולוגיה של כלי רכב חשמליים, בזכות יכולות הטעינה המהירה בערכי מתח אלו. יש פרישה נרחבת והולכת של תחנות טעינה, אבל שני הערכים של מתח הטעינה לא נלקחים בחשבון. יצרני הרכב מפתחים מערכות טעינה מובנות שיכולות להעלות את המתח מתחנות של 400 וולט למתח מצבר רכב, שהוא 800 וולט, או להוריד 800 וולט למתח של 400 וולט לצורך תאימות וטעינה מהירה. רמות ההספק של ממירים מובנים אלו, הן בטווח שבין 50 ל- 150 קילו וואט. מאחר שלתחנות הטעינה יש ממיר מבודד של מתח ישר למתח גבוה עבור מערכות למתח נמוך, הבידוד והייצוב אינם נדרשים עבור ממיר 400 וולט ל- 800 וולט הדו כיווני. בשימוש בטופולוגיה של תדירות מיתוג גבוהה, ערכי הנצילות מתקרבים ל- 99.3%, ומקטינים את הגודל והמשקל של סוג ממירים זה באופן משמעותי.

רובוט קציר: המרה עם בידוד והמרה ללא בידוד

איור 2: על מנת לטפל בטווח רחב של ערכי עומס תוך שמירה על עוצמת המצבר, רשת אספקת כוח של רובוט קציר משתמשת במודול ממיר ביחס קבוע (BCM®) של Vicor כדי לחולל אפיק של 48 וולט, אשר מפחית למינימום את ההפסדים הכרוכים בשימוש באספקת מתח נמוך. במקרה זה, אספקת הכוח לצרכנים מתבצעת בנצילות גבוהה עם ממירי נקודת האספקה בעלי יחס קבוע או מיוצבים כגון ממירים מורידים במיתוג במתח אפס וממירים מורידים–מעלים במיתוג במתח אפס מהסוגים NBM™, PRM™ של Vicor.

רובוטי קציר הם מכונות גדולות ויכולה להידרש להן אספקה של 20 קילוואט, אשר מסופקת על ידי מצבר של 800 וולט. נצילות רשת PDN אשר מתורגמת לזמן הפעלה ארוך יותר בין מחזורי הטעינה חשובה בסוג כזה של יישומים. ממיר מבודד או ממיר בעל יחס קבוע משמש להמרה בהורדה של המתח הגבוה לרמת מתח SELV כמו למשל 48 וולט, ובכך מתקבלת נצילות העברה גבוהה ביותר דרך הכבלים והמחברים. אפשר בקלות לחבר ממירים במקביל כדי לתגבר את דרגת האספקה המשמשת להמרת הכוח ולספק גמישות משמעותית בתכנון. אפשר לקבל המרה וייצוב ישירים של 48 וולט לאספקת צרכני המערכת השונים עם מייצבים מורידים–מעלים ומייצבים מורידים במיתוג מתח אפס בעלי ביצועים גבוהים. עבור צרכני 12 וולט, כגון לוח האם של היע”מ (CPU) במערכת, ממיר 48 וולט ל- 12 וולט לא מבודד בעל יחס קבוע הוא האפשרות בעלת הנצילות הגבוהה ביותר וצפיפות ההספק הגבוהה ביותר. הייצוב מתקבל במקרה כזה מדרגת מייצב מוריד במופעים רבים המחובר לנקודת אספקת הכוח.

מטוס ללא טייס (מל”ט) מחובר בכבל: המרת מתח מעלה למתח גבוה ומורידה למתח נמוך באספקת SELV

איור 3: כדי להקטין את הקוטר ואת המשקל של כבל החיבור באופן דרמטי, רשת אספקת המתח משתמש במודול ממיר ביחס קבוע (BCM®) של Vicor כדי להעלות את המתח בכבל החיבור ל- 800 וולט. בדומה לרשתות PDN, אספקה של 48 וולט משמשת באופן מקומי כדי להקטין למינימום את ההפסדים, על הקרקע וגם באוויר. מודול BCM משמש גם כדי לבודד ולהוריד את מתח המוצא המיושר ל- 48 וולט מאספקת מתח החילופין בפאזה אחת או התלת פאזית.

מל”טים המחוברים בכבל משמשים לצורכי אבטחה, לצוותי לוחמי אש והצלה לתצפית קבועה, ולצורכי תקשורת ותאורה. ממיר דו כיווני בעל יחס קבוע יכול לאפשר תכנון גמיש ויעיל ביותר, שמציע את השימוש במקור מתח ממצבר SELV ועדיין להקטין למינימום את הגודל והמשקל של הכבל כדי להגדיל למקסימום את זמן ההפעלה ואת משקל המטען התכליתי. בסוג זה של יישום ממיר K 1:8 (המשמש במהופך) מעלה את מתח 48 וולט ל- 384 וולט כדי לספק מתח דרך כבל החיבור ולהקטין את עובי הכבל ואת ההפסדים (I2R). אותו הממיר K 1:8 משמש גם על סיפון המל”ט, כדי להמיר את המתח מ- 384 וולט מטה ל- 48 וולט עבור המערכות האלקטרוניות ומערכת הרוטור של המל”ט. רשת PDN זו מעצימה את יתרונות הנצילות וצפיפות ההספק (גודל ומשקל) של הממירים בעלי היחס הקבוע ומספקת יתרונות למל”ט, על ידי כך שהיא משחררת מקום למטען התכליתי. ביישומים עתידיים ישמש K 1:16 כדי להעלות מתח של 48 וולט ל- 800 וולט במטרה להגדיל את אורך כבל החיבור לקבלת גובה הפעלה גדול יותר תוך הפחתה נוספת של עובי הכבל וצמצום נוסף במשקלו.

הנצילות והצפיפות של מערכת אספקת הכוח של רשת PDN הן קריטיות לביצועים כאשר מודדים אותן במובנים של זמן פעולה, זמן טעינה, מרחק התנועה ויכולת המטען התכליתי אם נציין כמה מבין התכונות החשובות עבור שוקי הרכב, הרובוטיקה והמל”טים. אפשר לשפר את ביצועי רשת PDN כפי שמודגם באופן ברור עם ממירים בעלי יחס קבוע, גם כאשר משתמשים במקורות כוח בעלי טווח רחב כגון מצברים. ביישומים אלו ובאחרים, אפשר לממש את פונקציות מחסום הבידוד וייצוב המתח לכיוון המקור או לכיוון הצרכנים, על ידי ניצול היתרון של אספקת מתח גבוה יותר על מנת להקטין את גודל הכבלים, המחברים ומשטחי הנחושת לאספקת המתח במעגלים המודפסים שבמערכת. רשתות PDN המוצגות כאן הן דוגמאות לאופן שבו ממירים בעלי יחס קבוע המשמשים עם מייצבי מיתוג במתח אפס בעלי ביצועים גבוהים יכולים לעזור ללקוחות עם חדשנות של המוצרים ולספק פתרונות בעלי ביצועים גבוהים ויתרונות תחרותיים.

כתבה מטעם חברת ויקור


מערכת ניו-טק מגזינים גרופ

תגובות סגורות