Come ottenere la conformità alle emissioni condotte (EMC) utilizzando convertitori con frequenza di commutazione superiore ad 1,3 MHz che permettono la riduzione delle dimensioni dei magnetici e dei filtri EMI. Ovvero, il raggiungimento della conformità EMC alle emissioni condotte in applicazioni automotive attraverso l’utilizzo di un filtro a singolo stadio
Quando si tratta di veicoli elettrici (EVs), tutti i produttori (OEMs) vorrebbero progettare soluzioni più leggere, più piccole e meno costose. Inoltre, le Utilities e gli Organi Regolatori stanno cercando di preparare il terreno tecnico e normativo per abilitare il processo di scambio eneregetico bidirezionale fra il veicolo e la rete di Distribuzione (V2G) Dal punto di vista dell'elettronica di potenza, questo approccio comporta la progettazione di circuiti di conversione con densità di potenza maggiori e capacità di distribuire l’energia in modalità bidirezionale (dalla Rete al Veicolo e viceversa).
Per quanto riguarda i convertitori di potenza DC-DC, un modo per ridurre le dimesioni del sistema ed aumentare la densità di potenza complessiva viene raggiunto attraverso l’aumento della frequenza di commutazione. Tuttavia, nonostante i potenziali vantaggi associati all’adozione di sistemi con commutazione superiore a 1,3 MHz, le sfide tecniche legate al passaggio a frequenze cosi’ elevate hanno indotto molti progettisti a rimanere su frequenze più basse, tradizionalmente adottate, attorno ai 100 kHz o anche inferiori, dove i design sono noti e consolidati.
Immaginate di avere convertitori di potenza DC-DC che sfruttano i vantaggi della commutazione ad alta frequenza in grado di tenere sotto controllo tutti i possibili inconvenienti. Ciò potrebbe contribuire notevolmente al raggiungimento degli obiettivi di progettazione di sistemi di potenza di veicoli elettrici di dimensioni più contenute più piccole e leggere. Tutto ciò con la possibilità di abilitare applicazioni Vehicle to the Grid (V2G) per le quali è previsto che l’autovettura sia abilitata anche a fornire energia alla rete e non solo a riceverla.
I vantaggi della conversione di potenza DC-DC ad alta frequenza
Nella ricerca di sistemi automobilistici più leggeri, più piccoli e più efficaci, la conversione di potenza ad alta frequenza risulta sicuramente una soluzione promettente.
Il principale vantaggio del passaggio a sistemi di conversione di potenza ad alta frequenza consiste nella riduzione delle dimensioni dei componenti magnetici sia nel dispositivo fisico che nei filtri EMI necessari ad ottenere la conformità alle normative EMC. Alcuni dei componenti più ingombranti nel convertitore stesso sono i passivi, come induttori e condensatori. Gli induttori e i condensatori immagazzinano e rilasciano energia in ogni ciclo di commutazione per contenere le variazioni delle forme d'onda di corrente e tensione. Quando la frequenza di commutazione del convertitore è più alta, questi componenti immagazzinano meno energia per ciclo e quindi consenteno l’utilizzo componenti di valore inferiore caratterizzati da dimensioni minori. Questo si traduce in una riduzione delle dimensioni complessive del sistema cioè una maggiore densità di potenza a parità di livello di potenza.
Relativamente alla conversione DC-DC, oltre al convertitore, i filtri EMI di sono gli elementi fra i più ingombranti riducendo lo spazio disponibile. I convertitori DC-DC generano EMI (interferenze elettromagnetiche) a causa della rapida variazione di correnti e tensioni, che possono creare rumore alla frequenza di commutazione e alle sue successive armoniche. Per mitigare questo rumore, vengono utilizzati filtri EMI all'ingresso, con frequenze di taglio opportunamente scelte per essere appena al di sopra della gamma di frequenze del segnale desiderato ma al di sotto delle frequenze di rumore indesiderate. (Figura 1)
Questi filtri si basano su componenti passivi la cui dimensione è direttamente correlata alla frequenza di commutazione, più bassa è la frequenza di lavoro del filtro, più grande è la dimensione del magnetico (volume o spire). Aumentando la frequenza di commutazione del convertitore fino al MHz, anche la frequenza di taglio del filtro EMI può essere spostata su un valore più alto a tutto vantaggio della riduzione delle dimensioni del filtro. A frequenze di taglio più elevate, i progettisti possono ridurre significativamente le dimensioni dei componenti passivi del filtro EMI, diminuendo così le dimensioni e il peso complessivi del sistema e aumentando la densità di potenza del sistema stesso.
Il passaggio a una frequenza di conversione DC-DC più elevata non solo riduce le dimensioni e il peso dei componenti, ma consente anche ai sistemi di migliorare la risposta ai transitori. Nei convertitori DC-DC, la larghezza di banda del loop di controllo è tipicamente una frazione della frequenza di commutazione. Frequenze di commutazione più elevate consentono una maggiore larghezza di banda del loop di controllo e di conseguenza una maggiore reattività del convertitore nel correggere le variazioni dell’output (carichi impulsivi), garantendo che la tensione di uscita rimanga stabile anche in caso di improvvise variazioni di carico o della tensione di ingresso.
Le sfide convenzionali della conversione di potenza DC-DC ad alta frequenza per il raggiungimento della conformità EMC
Sebbene il passaggio alla conversione DC-DC a frequenza più elevata possa produrre molti vantaggi tangibili, una serie di sfide tecniche ne ha storicamente impedito l’adozione.
In primo luogo, il passaggio al funzionamento a frequenza più elevata può rappresentare un ostacolo al raggiungimento della conformità EMC. Per gli standard sulle emissioni condotte, come la CISPR32 (richiesta per ogni dispositivo ed applicazione industriale), la gamma di frequenza esaminata va da 150 kHz a 30 MHz. Il funzionamento a una frequenza fondamentale più elevata, ad esempio 1,3 MHz, porta ad avere le armoniche più importanti (a maggiore energia) all'interno della gamma di frequenza monitorate, aumentando il rischio di non ottenere conformità allo standard EMC. Per questo motivo, molti progettisti di convertitori di potenza scelgono di operare a basse frequenze, come 100 kHz, assicurandosi che la loro prima armonica ricada al di sotto della gamma di frequenza di interesse. Lo stesso vale se lo standard di riferimento per cui ottenere la conformità EMC è quello Automotive (CISPR 25).
Inoltre, anche la possibilità di un aumento delle perdite di commutazione è un ulteriore potenziale problema quando si utilizzano convertitori con una commutazione a frequenza più elevata. Le perdite di commutazione si verificano quando un MOSFET, assimilabile ad uno ‘switch’, passa dallo stato ON a quello OFF e viceversa. Queste perdite diventano significative quando sia la tensione che lo corrente del semiconduttore sono divereseda zero durante il periodo di commutazione generando perdite a danno dell’efficienza e della potenza da dissipare. (Figura 2)
A parità di condizioni, frequenze di commutazione più elevate comportano transizioni più frequenti per unità di tempo, con un conseguente aumento delle perdite di commutazione. L'energia dissipata per ogni evento di commutazione è proporzionale al tempo di cross-over e al prodotto della tensione per la corrente. L'aumento della frequenza fa sì che queste perdite aumentino più rapidamente nell’unita di tempo. Pertanto, la perdita di potenza totale dovuta alla commutazione è direttamente proporzionale alla frequenza di commutazione, rendendo il funzionamento a frequenza più elevata meno efficiente.
Infine, durante il funzionamento ad alta frequenza, si possono creare problemi riguardanti l'autorisonanza dei componenti passivi. manifestano. L'autorisonanza è un fenomeno cui sono soggetti questi componenti elettrici, a causa delle loro componenti parassite. Ciò porta a comportamenti imprevedibili, picchi di impedenza, perdite di efficienza e problemi di integrità del segnale. L'autorisonanza diventa un problema significativo alle frequenze di commutazione più elevate, poiché normalmente queste frequenze si avvicinano alle frequenze di autorisonanza dei componenti, amplificando il rumore e le EMI e quindi complicando la progettazione dei circuiti. Infine, la frequenza di risonanza diventa un discrimine nel comportamento del componente. È risaputo infatti che i passivi, a frequenze superiori a quella di autorisonananza, invertono il loro coportamento (un induttore assume un andamento capcitivo e viceversa)
Risolvere la conversione di potenza ad alta frequenza
Con decenni di esperienza, Vicor, leader del settore nella progettazione di elettronica di potenza, ha sviluppato convertitori DC-DC che sfruttano tutti i vantaggi della conversione ad alta frequenza senza gli effetti collaterali negativi legati alle perdite di commutazione. In particolare, la famiglia Vicor NBM, che consta di moduli bus converter non isolati, commuta con successo a frequenze fino a 1,3 MHz.
Per quanto riguarda l'efficienza, la linea di prodotti NBM riesce ad avere perdite di potenza minime ad alte frequenze utilizzando la tecnologia Zero Voltage Switching (ZVS) e Zero Current Switching (ZCS). La commutazione a tensione nulla (ZVS) si basa sul monitoraggio attento dei tempi di commutazione del MOSFET (switch) in modo che la commutazione (passaggio/riduzione di corrente) avvenga nel momento in cui la tensione attraverso l'interruttore è nulla. Allo stesso modo, la commutazione a corrente nulla (ZCS) funziona temporizzando la commutazione dell'interruttore in modo che coincida con i momenti in cui la corrente attraverso l'interruttore è zero. (Figura 3)
La tecnologia ZVS e ZCS di Vicor si ottiene aggiungendo uno sfasamento controllato ai tempi di pilotaggio PWM del MOSFET (pulse-width modulation). Utilizzando la fase aggiuntiva e sfruttando la risonanza del circuito appositamente concepito, si ottengono delle commutazioni “soft switching” dei MOSFET, evitando così le perdite di commutazione tipiche nelle strategie PWM convenzionali che avvengono in modalità ‘’hard switching’’. Grazie alle techniche ZVS e ZCS, i prodotti della famiglia NBM di convertitori DC-DC possono funzionare da 1,5 a 1,7 MHz raggiungendo un'efficienza di picco pari al al 99%. La combinazione di alte frequenze di commutazione ed efficienza consente di ottenere soluzioni con una densità di potenza senza pari, fino a 550 KW/litro
In termini di EMC (Electromagnetic Compatibility), i prodotti della famiglia NBM possono raggiungere la conformità, anche a frequenze estremamente elevate. In una recente serie di test, è stata valutata e confermata la conformità EMC delle emissioni condotte del modulo di potenza NBM9280 ai requisiti CISPR. Questo specifico modulo, specificatamente concepito per applicazioni legate a Veicoli elettrici, è capace di convertire potenze fino a 37,5 KW con una densità di potenza di 550 KW/litro. I test hanno rilevato che, nonostante una frequenza di commutazione di 1,3 MHz, il modulo NBM9280 è in grado di soddisfare i limiti CISPR 32 con uno stadio di filtraggio differenziale (Pi greco) e l'introduzione di un toroide di ferrite sui cavi di alimentazione in ingresso. (Figura 4) I componenti di filtraggio utilizzati per ottenere la conformità CISPR, sono risultati significativamente più piccoli di quelli necessari su una una soluzione alternativa operante a frequenza inferiore (100 kHz).
In considerazione di tutto ciò, i progettisti automobilistici possono iniziare a pensare di sostituire i loro sistemi di conversione DC-DC esistenti con la linea di prodotti della famiglia NBM per sfruttare da subito i vantaggi legati alle dimensioni ridotte e maggiore densità di potenza, senza il rischio di una mancata conformità EMC o di perdite di efficienza.
Una frequenza più elevata supporta le esigenze odierne dei veicoli elettrici
Con il passaggio ai veicoli elettrici, l'industria automobilistica richiede soluzioni più piccole, più leggere e con una maggiore densità di potenza che possano nel contempo abilitare applicazioni bidirezionali (V2G). Per i progettisti di elettronica di potenza, l’adozione di soluzioni di conversione DC-DC a frequenza più elevata è il modo ideale per soddisfare queste esigenze.
Vicor è stata in grado di sviluppare soluzioni di conversione DC-DC che funzionano con frequenze di commutazione fino a 1,3 MHz senza incorrere nelle tipiche criticità associate all’utilizzo di alte frequenze di commutazione. Con prodotti come quelli della famiglia di convertitori DC-DC NBM, i progettisti di sistemi a propulsione elettrica per automotive, possono realizzare un futuro in cui i veicoli dispongano di sistemi di conversione efficienti, leggeri e ad alte prestazioni, senza l la necessità di cimentarsi nella progettazione di sistemi che richiedono elevata esperienza e know-how specifico.
(NBM è un marchio industriale di Vicor Corporation)
