Cumplimiento de la normativa de emisiones conducidas para automóviles con un filtro de una sola etapa
Cuando se trata de vehículos eléctricos (VE), todos los fabricantes tratan de diseñar soluciones más ligeras, pequeñas y económicas. Además, las empresas de servicios públicos, las agencias reguladoras y los OEM están buscando aprovechar una conexión de vehículo a red (V2G) para permitir el intercambio de energía con la red de distribución. Desde el punto de vista de la electrónica de potencia, este objetivo exige recurrir a circuitos de conversión con unas densidades de potencia muy superiores y la capacidad de cumplir con los requisitos para la conexión el vehículo a la red.
Por lo que se refiere a los convertidores CC/CC, una manera destacada de miniaturizar el sistema e incrementar la densidad de potencia en general consiste en aumentar la frecuencia de conmutación. No obstante, pese a las ventajas potenciales para los sistemas de unas frecuencias de conmutación por encima de 1,3MHz, las dificultades de tipo técnico que conlleva adoptar unas frecuencias más altas han llevado a muchos diseñadores a utilizar frecuencias más bajas, del orden de 100kHz o menos.
Imaginemos que existan soluciones de conversión de potencia CC/CC que aprovechen las ventajas de la conmutación a alta frecuencia sin los inconvenientes habituales. Esto podría contribuir en gran medida a lograr los objetivos de diseño de potencia de vehículos eléctricos más pequeños y livianos del OEM al mismo tiempo agregar capacidad V2G
Ventajas de la conversión de potencia CC/CC de alta frecuencia
La conversión de potencia de alta frecuencia ofrece una solución prometedora en el contexto de la búsqueda de sistemas de automoción más ligeros, pequeños y económicos.
La principal ventaja proporcionada por los sistemas de conversión de potencia de mayor frecuencia es una reducción del tamaño del componente, tanto en el dispositivo físico como en el filtro de EMI. Entre los componentes que ocupan más espacio en el propio convertidor se encuentran los componentes pasivos, como inductores y condensadores. Los inductores y los condensadores almacenan y liberan energía en cada ciclo de conmutación con el fin de suavizar las formas de onda de corriente y tensión, respectivamente. Cuando la frecuencia de conmutación del convertidor es más elevada, estos componentes almacenan menos energía por ciclo y permiten que los componentes tengan un valor más bajo. Estos componentes más pequeños disminuyen el tamaño del sistema en su conjunto y permiten aumentar la densidad de potencia de los sistemas para el mismo nivel de potencia.
Además del convertidor, los filtros de EMI a la entrada también consumen mucho espacio dentro de la conversión CC/CC. Los convertidores CC/CC generan EMI debido a la rápida conmutación de corrientes y tensiones, que puede crear ruido a la frecuencia de conmutación y sus armónicos. Para mitigar este ruido se emplean filtros de EMI a la entrada con frecuencias de corte que generalmente depended de los requisitos de la etapa de potencia. (Figura 1)
Figura 1: A menudo se suele colocar un filtro activo de EMI (QPI) a la entrada de un convertidor CC/CC; su frecuencia de corte está determinada por la frecuencia de conmutación del convertidor.
Estos filtros también se basan en componentes pasivos cuyo tamaño depende directamente de la frecuencia de conmutación. Al variar la frecuencia de conmutación del convertidor al orden de MHZ, se puede aumentar la frecuencia de corte del filtro EMI deseada. A frecuencias de corte más altas, los diseñadores pueden hacer que los componentes pasivos del filtro EMI sean mucha más pequeños, disminuyendo el tamaño y el peso general del sistema y al mismo tiempo aumentando su densidad de potencia.
La adopción de la conversión CC/CC a una frecuencia más elevada no sólo reduce el tamaño y el peso del componente, sino que también ofrece la posibilidad de que los sistemas mejoren su respuesta ante transitorios. En los convertidores CC/CC, el ancho de banda del lazo de control suele ser mucho más bajo que la frecuencia de conmutación. Las frecuencias de conmutación más elevadas permiten aumentar a su vez el ancho de banda del lazo de control para que el lazo de realimentación pueda reaccionar con más rapidez frente a interferencias. Un mayor ancho de banda permite que el convertidor corrija desviaciones de la salida a más velocidad, garantizando así que la tensión de salida siga siendo estable incluso con cambios repentinos de la carga o de la tensión de entrada.
Principales retos para la conversión de potencia CC/CC a alta frecuencia
Si bien la conversión CC/CC a una frecuencia más elevada puede aportar muchas ventajas tangibles, una serie de dificultades de tipo técnico han venido obstaculizando este objetivo.
En primer lugar, el funcionamiento a una mayor frecuencia puede representar una barrera a la hora de cumplir la normativa sobre EMC. Para normas sobre emisiones conducidas como CISPR32, el rango de frecuencia contemplado por la norma es de 150kHz a 30MHz. El funcionamiento con una frecuencia fundamental más alta, por ejemplo de 1MHz, crea los armónicos más acentuados dentro del rango de frecuencia de interés, con el consiguiente riesgo de incumplimiento de la normativa. De ahí que muchos diseñadores de convertidores de potencia opten por frecuencias bajas, por ejemplo de 100kHz, para asegurar que su primer armónico esté por debajo del rango de frecuencia de interés. Los mismos problemas se pueden encontrar si se exige que la etapa de potencia cumpla con el estándar de referencia CISPR25.
El temor a que aumenten las pérdidas es otro posible inconveniente cuando se utilizan convertidores con una frecuencia de conmutación más alta. Las pérdidas de conmutación se producen cuando un interruptor, por ejemplo un MOSFET, pasa de ON a OFF y viceversa. Estas pérdidas son significativas porque tanto la tensión en el interruptor como la corriente que circula por él no son iguales a cero durante el período de transición. (Figura 2).
Figura 2: Se producen pérdidas de conmutación durante la “conmutación dura”, en la cual el MOSFET conmuta mientras las formas de onda de la tensión y la corriente no son iguales a cero.
Si se mantienen constantes los otros factores, las frecuencias de conmutación más altas dan como resultado unas transiciones más frecuentes por unidad de tiempo que aumentan las pérdidas de conmutación. Dado que la energía disipada en cada conmutación es proporcional al tiempo de cruce y al producto de la tensión y la corriente, incrementar la frecuencia provoca que estas pérdidas de energía se acumulen con más rapidez. Por tanto, las pérdidas totales de potencia ocasionadas por la conmutación son directamente proporcionales a la frecuencia de conmutación, de ahí que una mayor frecuencia de funcionamiento conlleve unas pérdidas de conmutación más elevadas.
Por último, los problemas relacionados con la autorresonancia de los componentes pasivos se producen durante el funcionamiento a alta frecuencia. La autorresonancia es un fenómeno en el que los componentes eléctricos se comportan de manera resonante debido a sus características parásitas. A causa de ello, su comportamiento se vuelva impredecible y hay picos de impedancia, un descenso de la eficiencia y problemas de integridad de la señal. La autorresonancia se convierte en un problema importante cuando las frecuencias de conmutación son más altas ya que estas frecuencias se acercan a las frecuencias autorresonantes de los componentes, por lo que amplifican el ruido, las EMI y complican el diseño del circuito. Ademas, al trabajar más allá de la frecuencia de resonancia propia, un inductor exhibe un comportamiento de capacitor y viceversa un capacitor se comporta como un inductor.
Cómo realizar la conversión de potencia a alta frecuencia
Tras varias décadas de experiencia como líder en el diseño de electrónica de potencia, Vicor ha desarrollado soluciones de conversión CC/CC que aprovechan todas las ventajas de la conversión a alta frecuencia sin los efectos negativos. En concreto, la familia NBM™ de Vicor, formada por módulos convertidores de bus no aislados, ha logrado conmutar con éxito a frecuencias superiores a 1,3MHz.
Por lo que respecta a la eficiencia, la gama de productos NBM puede minimizar las pérdidas de potencia a alta frecuencia gracias a la tecnología de conmutación a tensión cero o ZVS (zero voltage switching) y de conmutación a corriente cero o ZCS (zero current switching). El funcionamiento de ZVS se basa en la sincronización exacta del interruptor para que la conmutación coincida con los momentos en los cuales la tensión en el interruptor es cero. Igualmente, la conmutación a corriente cero se basa en la sincronización del funcionamiento del interruptor de manera que coincida con los momentos en los cuales la corriente que circula por el interruptor es cero. (Figura 3)
Las tecnologías ZVS y la ZCS de Vicor se consiguen añadiendo otra fase a la sincronización mediante PWM (pulse-width modulation). Las soluciones utilizan la fase añadida junto con un interruptor de bloqueo y la resonancia del circuito para el funcionamiento eficiente de los MOSFET síncronos en el lado de alto potencial mediante conmutación suave, impidiendo así las pérdidas provocadas por la conmutación dura y la sincronización de la modulación PWM convencional. Gracias a ZVS y ZCS, productos como la gama NBM de convertidores CC/CC puede funcionar a 1,5 hasta 1.7MHz y seguir alcanzando eficiencias de hasta el 99%. La combinación de altos niveles de frecuencia de conmutación y eficiencia permiten a estas soluciones alcanzar una densidad de potencia sin parangón de hasta 500kW/liter.
En cuanto a EMC, los productos NBM™ pueden cumplir la normativa, incluso con unas frecuencias tan excepcionalmente altas. En las pruebas efectuadas recientemente se evaluó el cumplimiento de la normativa sobre emisiones conducidas del módulo de potencia NBM9280. Este modulo de Vicor es capaz de convertir 37,5kW con una densidad de potencia de 550kW/litro para aplicaciones de vehículos electrificados. Los resultados de los ensayos indicaron que, incluso a una frecuencia de conmutación de 1,3MHz, el NBM9280 se ajustaba a los límites de CISPR 32 gracias a una combinación de filtrado Pi y un núcleo de ferrita. (Figura 4) Los componentes de filtrado resultantes eran bastante más pequeños de lo necesario para una solución de menor frecuencia (p.ej., 100kHz) pero seguían cumpliendo la norma.
Teniendo todo esto en cuenta, los diseñadores de automoción pueden sustituir de forma sencilla sus sistemas de conversión CC/CC existentes por la gama de productos NBM™ y disfrutar de inmediato de las ventajas de un menor tamaño y una densidad de potencia superior sin riesgo alguno de incumplir la normativa o de perder eficiencia.
Figura 3: La conmutación a corriente cero se obtiene gracias a un conjunto de circuitos especializados que evitan las pérdidas de conmutación a alta frecuencia con transiciones sincronizadas del MOSFET.
Figura 4: El NBM9280 cumple los requisitos de la normativa sobre emisiones conducidas gracias a la incorporación un filtro PI especial.
Frecuencia más alta para los requisitos de los VE actuales
En su evolución hacia los VE, la industria de automoción exige soluciones más pequeñas, ligeras y con una mayor densidad de potencia. Para poder permitir a los vehículos de admitir interfaces de red.
Para los diseñadores de electrónica de potencia, la adopción de soluciones de conversión CC/CC a una frecuencia más elevada es una forma ideal de cubrir estos requisitos.
Vicor ha sido capaz de desarrollar soluciones de conversión CC/CC que funcionan a frecuencias de conmutación de hasta 1,74MHz sin sufrir los típicos inconvenientes de las altas frecuencias de conmutación. Con productos como la familia NBM™ de convertidores CC/CC, los diseñadores de automoción pueden hacer realidad un futuro en el que los vehículos son eficientes, ligeros y de alto rendimiento sin necesidad de la complejidad de diseño o de los conocimientos que suelen ir de la mano de estos resultados.
