Vicor discute des modules d’alimentation DC-DC haute densité et haute performance, de leur utilisation et de leurs avantages par rapport aux solutions discrètes.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
Partenaire exclusif de contenu numérique d’pÉlectrique, Bodo’s Power Systems a rencontré Greg Green, directeur du marketing automobile chez Vicor, et Maury Wood, vice-président du marketing stratégique, pour discuter des modules d’alimentation DC-DC haute densité et haute performance dans les réseaux de distribution d’énergie automobile (PDN) 48 V et leurs avantages par rapport aux solutions discrètes.
Vicor est connu pour ses modules d’alimentation DC-DC haute densité et haute performance dans le secteur de l’alimentation électrique. Quelles sont les caractéristiques distinctives de ces modules?
Green: Depuis la création de l’entreprise il y a presque 40 ans, Vicor s’est concentré sur quatre piliers de l’innovation : les architectures de distribution d’énergie, les topologies de commutation de puissance, les systèmes de contrôle et l’emballage. Chacun joue un rôle essentiel dans la réalisation de la plus haute densité de puissance et de courant en minimisant les pertes de puissance au sein du module et du réseau de distribution d’énergie.
Par exemple, les convertisseurs à rapport fixe de Vicor utilisent une topologie de circuit Sine Amplitude Converter (SAC) brevetée avec une commutation de tension nulle à haute fréquence et une commutation de courant nul pour minimiser les émissions conduites et rayonnées à une efficacité énergétique maximale. Les produits avancés récents sont moulés pour assurer l’aptitude thermique, la rigidité mécanique et la robustesse environnementale vis-à-vis de la température, de l’humidité et des vibrations. Les extérieurs plaqués permettent un assemblage en surface à haut rendement, offrant un conducteur thermique idéal pour le refroidissement par air forcé ou liquide à l’aide de plaques froides.
Les produits Vicor se distinguent par la plus haute densité de puissance dans de larges segments d’application des convertisseurs DC-DC. Par exemple, Vicor a récemment commencé à échantillonner un module de 73,6 cm2 pour des applications de charge DC automobile avec une densité de puissance étonnante de 672 kW par litre.
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Quelles sont les caractéristiques uniques des modules d’alimentation et quels avantages présentent-ils par rapport aux solutions discrètes conventionnelles?
Green: Vicor a investi dans une nouvelle usine intégrée verticalement, hautement automatisée, où de nombreux modules d’alimentation sont fabriqués simultanément sur des panneaux selon un processus similaire à celui utilisé pour fabriquer des puces semi-conductrices. Des méthodes de montage en surface à la pointe de la technologie, un surmoulage avancé de l’emballage combiné à une construction unique de modules et des méthodologies de test fonctionnel ont été développés au cours des 40 ans d’histoire de Vicor. Une interconnexion tridimensionnelle (3DI) est réalisée sur les produits avancés de Vicor dans sa nouvelle usine de fabrication respectueuse de l’environnement. Vicor appelle cet ensemble complet de capacités de fabrication la fabrication ChiP (converter housed in package).
Figure 1. Processus de fabrication de panneaux ChiP. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Vicor propose des solutions complètes de convertisseurs DC-DC avec une gamme d’options de montage sur PCB adaptées aux applications automobiles. Ces solutions nécessitent un minimum de composants supplémentaires pour le filtrage EMI et la communication de télémétrie. De nombreux modules compacts de Vicor (y compris les convertisseurs de bus BCM, les régulateurs PRM et les convertisseurs DC-DC DCM) sont conçus pour fonctionner bidirectionnellement et en réseaux parallèles pour une plus grande efficacité et capacité de puissance de sortie. Cela ajoute de la flexibilité à la conception du PCB du système cible, permettant à l’architecture de puissance de s’adapter facilement aux changements de besoins en énergie. Cette capacité simplifie également la conception du système au niveau de la nomenclature (BOM). De plus, toutes les fonctions de conversion DC-DC et les aimants isolés résident dans les modules, simplifiant grandement la conception du système d’application final. L’utilisation de topologies de commutation à haute fréquence ainsi que de commutation de tension et de courant nuls réduit non seulement les pertes de puissance et augmente la densité, mais aussi réduit les émissions électromagnétiques et les coûteuses procédures de certification réglementaire.
Figure 2. Solutions automobiles combinées. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Où sont utilisés les modules Vicor et quel a été le taux de réussite?
Green: Les produits Vicor sont utilisés aujourd’hui dans une large gamme d’applications finales, y compris l’informatique AI générative haute performance, l’automatisation industrielle en usine et les systèmes aérospatiaux. Vicor est entré dans le segment automobile il y a environ cinq ans, apportant des technologies d’alimentation modulaires avancées à l’écosystème automobile en rapide électrification. Dans les domaines d’application ciblés, les modules Vicor créent des zones de puissance 12 V à partir de sources 48 V et fournissent une conversion d’énergie entre des batteries de 800 VDC et 400 VDC et des stations de charge, créant une compatibilité avec les systèmes existants et assurant la pérennité du réseau de distribution d’énergie embarqué (PDN).
Pourriez-vous décrire l’anatomie d’un réseau de distribution d’énergie modulaire automobile?
Wood: Dans les véhicules électriques à batterie (BEV) et les véhicules hybrides rechargeables (PHEV), le réseau de distribution d’énergie utilise généralement une série de modules pour fournir une alimentation séparée à très basse tension (SELV) aux charges à travers le véhicule. Un module de conversion de bus (BCM) convertit souvent la haute tension de la batterie, typiquement 800 VDC, en 48 VDC, créant la base SELV pour le PDN du véhicule. Le BCM assure également une isolation galvanique interne, permettant un sous-système de convertisseur DC-DC compact. Si nécessaire, le PDN inclura un module de régulation de puissance (PRM) pour créer une source 48 VDC régulée ou un module convertisseur DC-DC (DCM) pour créer une alimentation 12 VDC régulée pour les sous-systèmes existants.
Pour les véhicules hybrides, les clients de Vicor utilisent généralement des PRM et des DCM pour gérer une multiplicité de charges 12 V et 48 V.
Figure 3. Comparaison des faisceaux de câblage électronique automobile. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Approfondissons un domaine d’application spécifique des modules de puissance Vicor. Vicor a des années d’expérience dans l’industrie automobile et, plus récemment, dans les sous-systèmes d’alimentation haute tension automobile. Il existe de nombreuses raisons importantes de développer des alimentations et des bus 48 V. Pourquoi Vicor a-t-il développé son architecture zonale 48 V comme alternative à l’architecture centralisée traditionnelle?
Green: Vicor propose depuis de nombreuses années des solutions d’alimentation 48 V pour ses clients dans des applications en dehors de l’industrie automobile (comme dans les applications de racks de cloud computing). Les fabricants automobiles (OEM) ont fait face au dilemme classique de la poule ou de l’œuf en termes de transition des véhicules vers le 48 V. Évidemment, les avantages de la distribution d’énergie à haute tension et faible courant sont bien connus des ingénieurs électriciens. Les véhicules à moteur à combustion interne (ICE) continuent d’utiliser des sous-systèmes d’alimentation 12 V, éprouvés et fiables depuis longtemps, et en général, la plupart des nombreuses charges des véhicules sont optimisées en termes de performances et de coûts pour 12 V. Les BEV et les PHEV offrent une nouvelle occasion passionnante d’utiliser un PDN 48 V, mais la plupart des charges existantes aujourd’hui (par exemple, les ventilateurs et les chauffages) sont des périphériques 12 V.
L’architecture zonale 48 V est une approche de transition pour soutenir la transition économiquement motivée du PDN 12 V au PDN 48 V. Elle crée un PDN principal 48 VDC pour obtenir immédiatement les avantages de performance d’un système 48 V, y compris la réduction du poids du faisceau de câblage, du coût et des pertes de puissance du PDN, mais utilise ensuite des réseaux locaux 12 V pour supporter les charges existantes optimisées en termes de coût (par exemple, les moteurs de vitres et les actionneurs de verrouillage).
L’architecture zonale 48 V est évolutive pour répondre aux besoins changeants du marché final. Sur un véhicule typique, 15 % à 20 % des charges des sous-systèmes à basse tension utilisent plus de 80 % de la puissance disponible du système (par exemple, direction assistée, suspension active, compresseurs et sous-systèmes de pompes). L’architecture zonale permet aux OEM et à leurs fournisseurs de remplacer ces charges lourdes par du 48 V en premier lieu pour reconnaître immédiatement une amélioration de l’allocation de la puissance de la batterie, de l’efficacité et du poids/coût. Les charges « héritées » restantes sont placées dans des zones 12 V pour être remplacées au fil du temps, au fur et à mesure qu’il devient économiquement pratique.
Cette approche soutient la réutilisation de nouvelles conceptions et de conceptions existantes sur différentes plateformes de véhicules et dérivées de plateformes. Avec les modules à haute densité de puissance de Vicor, les clients peuvent convertir plus de puissance dans moins d’espace, préservant la flexibilité quant à leur placement physique au sein du véhicule.
Figure 4. Architecture zonale automobile. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Comment aidez-vous les ingénieurs industriels à concevoir des alimentations électriques?
Wood: Vicor propose une gamme de produits et de services diversifiée et complète pour répondre aux exigences élevées des clients d’aujourd’hui. Les ingénieurs d’applications de Vicor travaillent en étroite collaboration avec les ingénieurs de développement de produits des clients tout au long du processus de cycle de vie du produit—définition, conception, échantillonnage, qualification, fabrication en volume et ingénierie de soutien—pour s’assurer que les clients reçoivent les solutions d’alimentation les plus efficaces, denses, flexibles et rentables.
Qu’est-ce que les modules d’alimentation Vicor offrent d’autre?
Green: Le module de convertisseur de bus haute tension ou HV BCM6135 est un SAC ratio-métrique propriétaire utilisant une topologie de circuit pour transférer l’énergie de 800 V ou 48 V. Il peut démarrer à partir de 800 V ou 48 V en fournissant une pleine puissance. Le BCM6135 dispose d’une fonctionnalité PMBus permettant la lecture du niveau de haute tension afin que le système d’application identifie quand la précharge est terminée sans nécessiter de circuit supplémentaire.
Les modules DCM, PRM, BCM et le convertisseur de bus non isolé haute tension (NBM) fournissent une communication PMBus permettant au microcontrôleur de supervision de surveiller l’état de l’alimentation et de contrôler le fonctionnement du module.
La topologie de circuit SAC propriétaire ne nécessite aucun inducteur de sortie et fonctionne à une très haute fréquence, permettant de transférer le courant à un taux extrêmement élevé. La figure de mérite associée dI/dt (taux de variation du courant en fonction du temps) peut atteindre un niveau sans précédent de 8 000 000 d’ampères par seconde. Cela permet aux concepteurs de véhicules de créer une batterie virtuelle pour éliminer la batterie basse tension, économisant ainsi du poids, de l’espace et des coûts.
Cet article est à l’origine apparu dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF].