Aplicar los fundamentos de la densidad de potencia para mejorar los sistemas de gestión de energía.

El paquete PowerStack 3D es más pequeño y ofrece un mejor rendimiento térmico y parásito que una solución de módulo multichip (MCM) en paralelo.

Convertidores ascendentes ZVS de alta frecuencia que logran una alta densidad de potencia a través de dispositivos de banda prohibida amplia

Este tipo de diseño explora la viabilidad de lograr una alta densidad de potencia de más de 10 kW/L.8 Este diseño, que logra una alta frecuencia de cientos de kilohercios, está intercalado con una conmutación de voltaje cero (ZVS). Convertidor elevador CC-CC. Los dispositivos de banda ancha logran fácilmente los objetivos de esta arquitectura de diseño.

El carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN) tienen bandas prohibidas significativamente mayores que las del silicio. Esto permite una clasificación de voltaje más alta y una mayor densidad de potencia con frecuencias de conmutación extendidas.

Un convertidor diseñado con esta arquitectura sólo alcanzaba una densidad de potencia de 5,5 kW/L. El material referenciado describe los factores limitantes así como algunas posibles soluciones para lograr la meta de más de 10 kW/L.

Fabricación aditiva de un convertidor de potencia de 10W con alta densidad de potencia

Los métodos de fabricación aditiva (AM) se utilizan indiscutiblemente para producir componentes 3D pasivos como resistencias, condensadores, inductores y placas de circuito impreso, así como paquetes de dispositivos electrónicos de potencia.^9.10

Veamos la densidad de potencia de un convertidor de potencia de 10 W en términos de gestión térmica y empaquetado. Para lograr una alta densidad de potencia para cualquier aplicación de electrónica de potencia, por ejemplo con convertidores de potencia AC-DC flyback, los desarrolladores requieren una integración tridimensional de componentes activos y pasivos. La tarea será un gran desafío, especialmente si en el diseño se utilizan componentes estándar de la industria.

La impresión 3D ofrece la flexibilidad de producir muchos tipos de soportes de plástico a partir de diferentes materiales sin necesidad de herramientas costosas. Este método seguirá permitiendo estructuras complejas para ensamblajes optimizados eléctrica, térmica y mecánicamente.

A menudo, la densidad volumétrica puede no ser importante. Es posible que la electrónica de potencia del sistema no tenga restricción de altura, ya que otras áreas del diseño pueden ser significativamente más altas. Más bien, el área de la placa de circuito podría ser el factor limitante.

Para mejorar la densidad de energía en tales situaciones, los diseñadores pueden encontrar formas de apilar o integrar componentes en 3D para reducir la huella de la solución de energía. Luego, los diseñadores podrían cambiar las métricas utilizadas para comparar soluciones a vatios por milímetro cuadrado (W/mm).²) o amperios por pulgada cuadrada (A/in.2), lo que resalta el objetivo principal del diseño.

Un convertidor fabricado aditivamente puede alcanzar una densidad de potencia de 574 W/L con una potencia de salida de 8,2 W. Un convertidor convencional sólo alcanza 233 W/L con una potencia de 13 W y se basa en el diseño de referencia del controlador IC flyback, que parece un diseño plano normal.

Fuente de alimentación aislada de alta densidad de potencia de 10 MHz con transformador plano

Un módulo de fuente de alimentación de controlador de puerta ocupa una gran parte del volumen en el módulo de controlador, y la densidad de potencia de la fuente de alimentación limita la mejora en la densidad de potencia general del módulo.¹¹

Los diseñadores pueden realizar investigaciones para mejorar la densidad de potencia de una fuente de alimentación aislada, examinar las topologías de circuitos y las estrategias de control existentes, y analizar las ventajas y desventajas de cada topología de circuito y estrategia de control.

Para satisfacer las necesidades de las aplicaciones con limitaciones de espacio y peso y al mismo tiempo construir arquitecturas de sistemas modulares más compactos, los convertidores de potencia están avanzando rápidamente hacia la planarización, la miniaturización, la alta densidad de potencia y el funcionamiento de alta frecuencia.

Desafortunadamente, el módulo de fuente de alimentación dentro del módulo de accionamiento ocupa una gran parte del volumen. Además, la densidad de potencia de la fuente de alimentación limita la mejora en la densidad de potencia general del módulo. Obviamente, el módulo de fuente de alimentación aislado representa casi el 40% del volumen total del módulo de accionamiento. Además, la altura del transformador de aislamiento limita la altura total del diseño.

Actualmente, Tesla está en el proceso de desarrollar una fuente de alimentación aislada de accionamiento plano con unas dimensiones de 40 × 25 mm que permita la miniaturización. Al lograr un mayor nivel de integración con menos componentes, este diseño de fuente de alimentación puede reducir su volumen y lograr una mayor densidad de potencia.

Lea más artículos en la serie Power Management: Sumergirse en la densidad de energía.

Referencias

1. “Un convertidor MOSFET de SiC de 100 kW con refrigeración por aire forzado que alcanza una densidad de potencia de 1,657 kW/L y una eficiencia superior al 98,5 %”, Lei Zhang, Yan Li, Yonglei Zhang, Xibo Yuan, Zijian Wang, Zhe Li, 2020 Novena Conferencia Internacional del IEEE sobre Electrónica de Potencia y Control de Movimiento (IPEMC2020-ECCE Asia).

2. “Cómo diseñar convertidores CC-CC de alta densidad de potencia”, Paul Pickering, Texas Instruments.

3. “Desarrollo de una fuente de alimentación de carga de condensadores de alta densidad de potencia”, Gao Yinghui, Liu Kun, Fu Rongyao, Wang Jiong, Pin Yan, Sun Yaohong, Yuan Weiqun, Instituto de Ingeniería Eléctrica, Academia China de Ciencias, Beijing, China; Laboratorio clave de electrónica de potencia y propulsión eléctrica, Academia de Ciencias de China, Beijing, China.

4. “Conversión CA-CC de alta frecuencia utilizando un módulo de potencia de carburo de silicio para lograr una alta eficiencia y una densidad de potencia significativamente mejorada”, Bret Whitaker, Adam Barkley, Zach Cole, Brandon Passmore, Ty McNutt y Alexander B. Lostetter, Arkansas Power Electronics Internacional Inc.

5. “Análisis comparativo de la densidad de potencia con respecto a tres tecnologías de transistores aplicadas a un convertidor elevador CCM-PFC utilizando técnicas de optimización”, Hamiltom C. Sartori, Fernando Beltrame, Henrique H. Figueira, José E. Baggio, José R. Pinheiro Power Electronics y Grupo de Control - GEPOC, IEEE 2013.

6. “Topología y control de inversores multifrecuencia conectados a la red para aumentar la densidad de potencia”, Bowen Li, Tingyun Gu, Yumin He, Yu Wang, Jiacheng Luo, Fan Xie, Bo Zhang, Yanfeng Chen, IEEE 2023.

7. “Módulo regulador de derivación de conmutación secuencial de alta densidad de potencia”, Berk İnce, Doğacan Yıldırım, Faik Ercan Karagöz, Emre Çetin, Yunus Şahin, IEEE 2023.

8. “Viabilidad de los convertidores elevadores de conmutación de voltaje cero de alta frecuencia que logran una alta densidad de potencia con dispositivos de banda prohibida amplia”, Piotr Zimoch, Kamil Kierepka, Marcin Kasprzak, Conferencia internacional sobre accionamientos eléctricos y electrónica de potencia (EDPE) de 2019, Los Altos Tatras, 24-26. septiembre 2019

9. “Fabricación aditiva de un convertidor de potencia de 10 W con alta densidad de potencia”, Daniel Dell, Julian Weimer, Ingmar Kallfass, Instituto de Sistemas Robustos de Semiconductores de Potencia, Universidad de Stuttgart, EPE'21 ECCE Europa.

10. “Aplicaciones y futuro de la fabricación aditiva y automatizada para convertidores y componentes de electrónica de potencia”, Zhaobo Zhang y Xibo Yuan, miembro principal, IEEE, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 10, n.º 4, agosto. 2022.

11. “Fuente de alimentación aislada de alta densidad de potencia de 10 MHz con transformador plano”, Hangyu Xu, Zhaoliang Guan, Weiwei Ma, Jinkun Ke, Jiancheng Bai, 2023 IEEE 2.º Simposio internacional de aplicaciones y electrónica de potencia (PEAS), 2023.

12. Comprensión de los inductores: principios, funciones y aplicaciones | Pan de circuito.