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Usar convertidores de potencia especializados para cerrar la brecha dual de 12 a 48 V en los sistemas de automoción

Por Steven Keeping

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Con la electrónica adicional, los motores y los actuadores adicionales que se añaden cada vez más a los vehículos con motor de combustión interna (ICE), el sistema eléctrico automotor convencional de circuito cerrado de 12 V -basado en una batería de plomo cargada por el alternador- está revelando sus limitaciones. Por ejemplo, cuando se utiliza un sistema de 12 V, las aplicaciones de alta potencia, como la dirección eléctrica, consumen mucha corriente, por lo que se necesitan mazos de cables más voluminosos y pesados. Ese peso extra se vuelve significativo en un vehículo moderno, que puede tener varios kilómetros de cableado.

Un enfoque alternativo emplea sistemas de Vage más altos para las aplicaciones que requieren mucha energía para reducir el consumo de corriente y permitir un cableado más ligero. Las implementaciones comerciales cuentan con una red convencional de 12 V complementada por un sistema de 48 V basado en baterías de iones de litio (Li-ion). El sistema de 12 V se utiliza para aplicaciones como la gestión del motor, la iluminación y el ajuste de asientos y puertas, mientras que el sistema de 48 V se ocupa de las demandas de servicio pesado de funciones como la dirección eléctrica, el arranque y el HVAC.

Estos sistemas eléctricos híbridos para automóviles traen consigo una mayor complejidad y, con ella, nuevos desafíos de diseño. La clave entre estos desafíos es la gestión de la carga y descarga simultánea de los dos circuitos de la batería, incluyendo el reductor y el elevador bidireccional entre las baterías.

Este artículo describe la evolución de los sistemas eléctricos automotrices duales de 12/48 V y explica las ventajas de los nuevos sistemas. Luego explora cómo utilizar los reguladores bidireccionales de Vage de 12/48 V de Linear Technology y Texas Instruments para facilitar la complejidad del diseño de los sistemas de Vage dual. El artículo también considera las ventajas de una futura topología de vehículo descentralizado de solo 48 V, y examina un convertidor de autobús de Vicor adecuado para tal sistema.

El desafío de la transición al diseño de 12/48 V

La transición a los sistemas de 12/48 V se ve alentada en gran medida por la necesidad de conducir dispositivos de alto consumo de energía, asegurando al mismo tiempo que el vehículo siga cumpliendo con las estrictas normas de economía y emisiones. Por ejemplo, el cambio de tracción mecánica a eléctrica para cosas como la dirección o los supercargadores reduce drásticamente las pérdidas por fricción y aumenta el ahorro de combustible. Según algunos fabricantes de automóviles, un sistema eléctrico de 48 V da como resultado un aumento del 10 al 15 por ciento en el ahorro de combustible con una reducción proporcional de las emisiones nocivas. El lado de los 12 V del sistema sigue siendo necesario debido al gran volumen de dispositivos de 12 V heredados que se incorporarán a los automóviles en los años venideros.

La configuración de 12/48 V consiste en dos ramas separadas: La tradicional de 12 V utiliza una batería de plomo convencional para cargas convencionales, mientras que el sistema de 48 V, alimentado por una batería de ión de litio, soporta las cargas más pesadas. Aunque se necesitan dos circuitos de carga separados para adaptarse a la electroquímica de las respectivas baterías, debe haber un mecanismo que permita que la carga se mueva entre ellas sin peligro de que se dañe la batería o cualquiera de los sistemas que alimentan. También debe haber un mecanismo que proporcione energía extra para el riel opuesto de Vage en una condición de sobrecarga.

Un nuevo estándar automovilístico propuesto, el LV 148, describe la combinación del bus de 48 V con el sistema automovilístico existente de 12 V. El sistema de 48 V incorpora un generador de arranque integrado (ISG) o generador de arranque de cinturón y la batería de ión de litio. El sistema es capaz de entregar decenas de kilovatios (kW) y está dirigido a los coches convencionales, así como a los vehículos híbridos eléctricos y a los híbridos suaves.

El diseño de un sistema de 12/48 V es un reto porque requiere una gestión cuidadosa de la transferencia de energía desde el carril de 48 V del vehículo a su carril de 12 V y viceversa. Una opción es usar un convertidor reductor para la bajada de Vage, mientras que la transferencia de energía en la dirección opuesta podría ser suministrada con un convertidor de impulso. Pero el diseño de convertidores CC a CC separados ocupa un valioso espacio en la placa y aumenta el costo y la complejidad del sistema.

Un enfoque alternativo es usar un único convertidor bidireccional reductor/elevador de CC a CC situado entre las baterías de 12 y 48 V. Dicho convertidor puede utilizarse para cargar las baterías o permitir que éstas suministren corriente a las diversas cargas eléctricas del vehículo (Figura 1).

Diagrama de la fuente de alimentación bidireccionalFigura 1: Una fuente de alimentación bidireccional puede ser usada para manejar la energía entre los circuitos de 12 V y 48 V de los sistemas eléctricos de los automóviles. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Controladores de corriente bidireccionales

Los componentes de gestión de la energía para los sistemas de 12/48 V se están diseñando para cumplir con la norma LV 148. En particular, esto hace grandes demandas de sobrevelocidad en los chips. La norma permite que el Vage máximo en un carril de 48 V alcance hasta 70 Vs durante al menos 40 milisegundos (ms), y que el sistema siga funcionando sin ninguna pérdida de rendimiento durante tal evento de sobreVage. Para los vendedores de semiconductores, esto significa que todo lo que se conecta al riel de 48 V del vehículo debe soportar 70 Vs en la entrada (más un margen de seguridad, llevando el requerimiento total hasta 100 Vs).

LT8228 de Linear Technology, un controlador reductor/elevador sincrónico Vage constante o corriente constante bidireccional de 100 V (ver artículo técnico de Digi-Key, Control del modo de tensión y corriente para la generación de señales PWM en reguladores de conmutación de CC a CC) con una red de compensación independiente, es un ejemplo de una fuente de alimentación bidireccional diseñada para cumplir las especificaciones del LV 148.

El controlador toma dos entradas: V1, una alimentación de 24 a 54 V de la batería de ión de litio; y V2, una entrada de 14 V de la batería de plomo-ácido (Figura 2). Las salidas son 48 Vs a 10 amperios (A) en el modo de aumento y 14 Vs a 40 A en el modo reductor. El chip puede soportar 100 Vs tanto en las entradas como en las salidas. El modo de funcionamiento se controla externamente desde un microcontrolador a través de la clavija DRXN o se selecciona automáticamente.

Diagrama de fuente de alimentación bidireccional LT8228 de Linear TechnologyFigura 2: La fuente de alimentación bidireccional LT8228 de Linear Technology ofrece hasta 100 V de Vages de elevación o reducción y cumple con las especificaciones LV 148. (Fuente de la imagen: Linear Technology)

Los MOSFET de entrada y salida protegen contra los Vages negativos, controlan las corrientes de entrada y proporcionan aislamiento entre los terminales en condiciones de fallo, como la conmutación de los cortos de los MOSFET. En el modo reductor, los MOSFET de protección en el terminal V1 (entrada de 24 V a 54 V) impiden la corriente inversa. En el modo de impulso, los mismos MOSFET regulan la corriente de entrada de salida y se protegen con un interruptor temporizado ajustable. Los diagnósticos y reportes de fallas internas y externas están disponibles a través de pines dedicados.

Texas Instruments (TI) también ofrece un controlador de corriente bidireccional de alto rendimiento, de dos canales, que cumple con el estándar LV 148, el LM5170. El dispositivo gestiona la transferencia de corriente entre un puerto de alto Vage (puerto HV) (conectado a la batería de ión de litio de 48 V) y un puerto de bajo Vage (puerto LV) (conectado a la batería de plomo-ácido de 12 V). Las señales de habilitación independientes activan cada canal del controlador dual.

Los amplificadores de detección de corriente diferencial de doble canal y los monitores de corriente de canal dedicado logran una precisión típica del 1 por ciento. Los resistentes controladores de puerta de medio puente de 5 A son capaces de controlar los interruptores MOSFET paralelos que suministran 500 vatios o más por canal. El regulador puede funcionar en modo discontinuo para mejorar su eficiencia en condiciones de carga ligera (véase el artículo técnico de Digi-Key, La diferencia entre la conmutación del regulador en modo continuo y discontinuo y por qué es importante) y también evita la corriente negativa. Las características de protección incluyen el límite de corriente máxima ciclo por ciclo, la protección contra sobrevelocidad de los carriles de la batería de 48 y 12 V, la detección y protección de fallas en los interruptores MOSFET y la protección contra sobretemperatura.

El LM5170 utiliza un control de modo de corriente promedio, que simplifica la compensación eliminando el cero del medio plano derecho en el modo de funcionamiento de impulso y manteniendo una ganancia de bucle constante independientemente de los Vages de funcionamiento y el nivel de carga.

Los controladores de corriente bidireccionales de Linear Technology y TI incluyen características que hacen que el diseño de los circuitos de gestión de la energía en la electrónica automotriz dual de 12/48 V sea más sencillo. Por ejemplo, los componentes permiten el uso de los mismos componentes de alimentación externa, ya sea para impulsar la Vage desde una batería o para sacudir la Vage desde la otra. Esto ahorra espacio y costo y facilita la complejidad de los circuitos. No obstante, la elección de estos componentes externos debe hacerse con cuidado.

Diseño del circuito de aplicación

La selección de componentes externos cuando se utiliza el LT8228 (así como el dispositivo de TI) normalmente sigue a la del buen diseño del regulador de conmutación. Por ejemplo, la frecuencia de conmutación (fSW) y el valor del inductor (L) se eligen para optimizar la eficiencia, el tamaño físico y el costo. De la misma manera, la resistencia sensora de corriente del inductor, RSNS2, junto con sus resistencias de ganancia de entrada, RIN2, se seleccionan para el límite de corriente del inductor, la eficiencia y la precisión del sentido de la corriente (Figura 3).

Diagrama de bloques de LT8228 de Linear Technology (haga clic para ampliar)Figura 3: Diagrama de bloques de LT8228 de Linear Technology que muestra los componentes externos necesarios para una aplicación típica. (Fuente de la imagen: Linear Technology)

El condensador CDM2 es elegido para limitar la entrada del reductor y el rizado de salida del elevador Vage; de manera similar, el condensador CDM4 es seleccionado para limitar la entrada del elevador y el rizado de salida del reductor Vage. El condensador CDM1 en la clavija V1D se utiliza para desviar el ruido. Los condensadores de amortiguación CV1 y CV2 se seleccionan con su valor de resistencia en serie equivalente (ESR) diseñado para reducir la resonancia debido a la inductancia de los cables en serie conectados a V1 y V2 respectivamente.

Las compensaciones para los bucles de regulación de buck y boost se eligen para optimizar el ancho de banda y la estabilidad. Para más información sobre el diseño con reguladores y controladores de Vage, ver los artículos técnicos de Digi-Key: Compromisos de diseño al seleccionar un regulador de conmutación de alta frecuencia, Utilizar reguladores de conmutación de baja intensidad para optimizar los diseños de alta eficiencia energética y Utilizar reguladores de conmutación de baja intensidad energética para optimizar los diseños de alta eficiencia energética.

Después de seleccionar los componentes para cumplir con los buenos principios de diseño para un diseño de regulador de conmutación, hay algunas selecciones de componentes que se requieren específicamente para cumplir con los requisitos de una aplicación automotriz bidireccional de 12/48 V.

Por ejemplo, el límite de corriente de salida del reductor del LT8228, el límite de corriente de entrada del elevador y el monitor de corriente V2 se establecen mediante las resistencias RSET2P, RSET2N y RMON2, respectivamente. A continuación, la resistencia de detección de corriente V1, RSNS1 (arriba a la izquierda en el diagrama), junto con sus resistencias de ganancia de entrada RIN1, se seleccionan para optimizar la eficiencia y la exactitud de la detección de la corriente.

El LT8228 utiliza el mismo inductor para el funcionamiento en modo reductor y elevador. En el modo reductor la corriente inductora es la corriente de salida de V2, y en el modo elevador la corriente inductora es la corriente de entrada de V2. La corriente máxima del inductor en cada modo puede ser calculada a partir de las ecuaciones 1 y 2:

Ecuación 1 y 2 Ecuaciones 1 y 2

Donde:

ƒ = frecuencia de conmutación

L = valor del inductor seleccionado

IV2P(LIM) = modo reductor V2 límite de corriente de salida

IV2N(LIM) = modo elevador V2 límite de corriente de entrada

La corriente máxima del inductor debe ser por lo menos de 20 a 30 por ciento por encima de la corriente máxima del inductor de los modos reductor y elevador. Esto asegura que la regulación de la corriente media máxima no se vea afectada por el límite de la corriente máxima del inductor en ninguno de los dos modos de funcionamiento. La corriente del inductor se detecta usando RSNS2 que se coloca en serie con el inductor. La corriente inductora de pico IL(PICO) se detecta cuando ICSA2 alcanza típicamente 72.5 microamperios (µA).

Los valores altos de RSNS2 (arriba a la derecha) mejoran la exactitud de los sentidos actuales, mientras que los valores bajos de RSNS2 mejoran la eficiencia. El diseñador debe seleccionar el valor de RSNS2 para que el offset de entrada de Vage de CSA2 no afecte a la exactitud del sentido de la corriente, mientras que se minimiza la pérdida de potencia a través del inductor. Una Vage recomendada a través de RSNS2 en el pico de corriente del inductor es entre 50 y 200 milliVs (mV).

Entonces el diseñador debe seleccionar RIN2 para establecer el límite de corriente pico del inductor de acuerdo con la siguiente fórmula:

Ecuación 3 Ecuación 3

Después de establecer el límite de corriente pico del inductor, el límite de corriente de salida del elevador, el límite de corriente de entrada del reductor y el monitor de corriente V1 se establecen mediante las resistencias RSET1N, RSET1P, y RMON1 respectivamente. Los condensadores paralelos a las resistencias RSET se eligen para fijar los límites de corriente a la corriente media de las resistencias sensoras de corriente.

Los umbrales de regulación de Vage y cobreVage de V1D (la salida regulada en el modo elevador) y V2D (la salida regulada en el modo reductor) se establecen seleccionando los divisores resistivos a los pines FB1 y FB2. El umbral de menor edad de V1 y V2 se establece seleccionando los divisores resistivos en los pines UV1 y UV2.

El circuito externo del LT8228 también requiere seis MOSFET de potencia (Figura 4). Estos deben ser seleccionados en base a consideraciones de eficiencia y desglose de Vage. Los diodos de Schottky (D2 y D3) que lo acompañan son opcionales y deben seleccionarse en base a consideraciones de eficiencia.

El diagrama de LT8228 de Linear Technology requiere seis MOSFET externos de canal N.Figura 4: El LT8228 requiere seis MOSFET externos de canal N: Los MOSFET de protección V1 M1A y M1B, los MOSFET V2 de protección M4A y M4B, el MOSFET superior de conmutación M2, y el MOSFET inferior de conmutación M3. (Fuente de la imagen: Linear Technology)

Cuando el LT8228 está operando en modo reductor, el interruptor MOSFET M2 es el interruptor principal y el MOSFET M3 es el interruptor síncrono; V1D (el nodo a ser regulado por el regulador de elevación y localizado justo arriba y a la izquierda del controlador DG1 en la Figura 3) es la Vage de entrada y V2D (el nodo a ser regulado por el convertidor reductor, arriba a la derecha de la Figura 3 - justo a la izquierda de los MOSFET reductores) es la Vage de salida de reducción regulada. En el modo de impulso, la situación se invierte con M3 actuando como el interruptor principal y M2 el interruptor sincrónico con V2D como la Vage de entrada y V1D como la Vage de salida.

Durante el tiempo de "apagado", ambos MOSFET de conmutación, M2 y M3, estarán sujetos a la entrada máxima de Vage (más cualquier timbre adicional en el nodo de conmutación) a través de su drenaje a la fuente. Esto hace que el parámetro más importante a la hora de seleccionar los MOSFET de conmutación en aplicaciones de alta Vage sea la Vage de ruptura (BVDSS).

El diseñador también debe considerar la disipación de energía de los MOSFET. La disipación excesiva afecta a la eficiencia del sistema y podría sobrecalentar y dañar los MOSFET. Los parámetros clave para determinar la disipación de energía son la resistencia de encendido (RDS(ON)), la Vage de entrada, la Vage de salida, la corriente máxima de salida y la capacitancia de Miller (CMILLER).

Eliminar la batería de 12 V

La madurez y la fiabilidad del sistema de baterías de plomo de 12 V significa que no desaparecerá pronto. Pero los fabricantes de automóviles ya están trabajando en sistemas para nuevos vehículos que funcionan con todo desde 48 Vs (usando baterías que proporcionan cualquier cosa de 48 a 800 Vs). Esos sistemas emplean convertidores no aislados y bidireccionales capaces de manejar varios kilovatios de potencia y proporcionar energía tanto a los dispositivos eléctricos convencionales de 12 V como a las unidades de Vage más altas.

Un ejemplo de este tipo de convertidor es el NBM2317S60E1560T0R de Vicor, un convertidor no aislado de alta eficiencia que opera desde un bus de Vage de 38 V a 60 V de alto para entregar un Vage bajo de 9.5 Vs a 15 Vs. El dispositivo ofrece una potencia de salida continua máxima de 800 W con una capacidad de potencia máxima de hasta 1 kW. En la operación de reducción, la corriente de salida es de 60 A continua y 100 A transitoria; en la operación de elevación, las cifras son de 15 A continua y 25 A transitoria. La densidad de potencia del dispositivo es de 274 vatios por centímetro cúbico (watts/cm3). La eficiencia máxima está especificada en un 97.9 por ciento.

El dispositivo mide 23 x 17 x 7.5 milímetros (mm), ocupando menos espacio que las soluciones de conmutación más lenta (sub 1 megahercio (MHz)). El número de componentes externos necesarios se reduce porque el convertidor no requiere filtros externos ni condensadores de masa. Tampoco se exige la limitación de la corriente de intercambio en caliente o de la corriente de arranque.

Una forma de implementar una arquitectura de 12/48 V alimentada por una sola batería de 48 V es una topología centralizada. Esta topología se basa en un único convertidor bidireccional de gran capacidad. Este sistema tiene varias desventajas, entre ellas los problemas de gestión térmica, la falta de redundancia incorporada y el costo y el peso de los telares de cableado extendidos necesarios para las aplicaciones de baja Vage (12 V)/alta corriente.

El dispositivo Vicor está diseñado para resolver estos problemas facilitando una arquitectura descentralizada para un sistema eléctrico de 12/48 V. La redundancia se incorpora mediante el uso de múltiples convertidores y los telares de 12 V pueden acortarse y, por lo tanto, hacerse mucho más ligeros. Además, el desafío de la gestión térmica se ve considerablemente aliviado. Por ejemplo, en un sistema centralizado, un solo convertidor que proporcione 3 kW de potencia y funcione con una eficiencia del 95 por ciento necesitará disipar 150 vatios, en gran parte en forma de calor. En comparación, cada uno de los convertidores de un sistema distribuido que comprende cuatro dispositivos que producen 750 vatios con una eficiencia del 95 por ciento disiparía 37.5 vatios. Mientras que las pérdidas generales permanecen iguales, la temperatura de cada convertidor se reduce considerablemente (figura 5).

Diagrama del convertidor de CC a CC de alta eficiencia NBM2317S60E1560T0R de VicorFigura 5: Los convertidores de CC a CC de alta eficiencia como el NBM2317S60E1560T0R de Vicor permiten un sistema eléctrico automotriz de 12/48 V alimentado por una sola batería de 48 V. En la topología descentralizada que se muestra aquí, los desafíos de la gestión térmica se alivian y el cableado de 12 V se mantiene corto, reduciendo el peso. (Fuente de la imagen: Vicor)

Vicor ha hecho la vida más fácil a los diseñadores que desean experimentar con el diseño de sistemas de 12/48 V introduciendo la placa de evaluación NBM2317D60E1560T0R para sus CI de línea NBM2317. La placa viene preconfigurada en una topología reductora con una entrada de 38 V a 60 V y una única salida no aislada de 13.5 V.

Conclusión

A medida que proliferan los sistemas eléctricos en los vehículos modernos, el sistema eléctrico tradicional de 12 V está crujiendo bajo la presión. La introducción de un sistema alternativo de 48 V ofrece una mayor potencia para operar sistemas como la dirección eléctrica y la sobrecarga, al tiempo que reduce el peso y el costo de los telares de cableado.

Sin embargo, no es práctico cambiar a un solo sistema de 48 V a corto plazo debido al volumen de los productos de 12 V heredados que se utilizan en los vehículos. La solución es hacer funcionar sistemas de 12 y 48 V juntos, cada uno con su propia batería.

La gestión de la energía y la carga de estos diferentes sistemas de Vage puede ser compleja si se utilizan convertidores de CC a CC separados para cada uno. La introducción de convertidores bidireccionales de CC a CC, que pueden actuar como puente entre los sistemas de 12 y 48 V, simplifica el diseño, reduce el costo y fomenta la adopción en los automóviles de menor precio.

Lectura recomendada:

  1. Control del modo de tensión y corriente para la generación de la señal PWM en reguladores de conmutación de CC a CC
  2. La diferencia entre los modos continuo y discontinuo del regulador y por qué es importante
  3. Compromisos de diseño al seleccionar un regulador de conmutación de alta frecuencia
  4. Respuesta del lazo de control del regulador de conmutación
  5. Utilizar reguladores de conmutación de baja EMI para optimizar los diseños de alta eficiencia energética

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