Autor: Maury Wood, Vicepresidente de Marketing Estratégico, Vicor Corporation
El futuro es 48V
Todo lo que nos rodea, en sistemas de transporte y equipos industriales de todo tipo, las máquinas que antes funcionaban mediante la combustión de combustibles fósiles se están electrificando. Las fuerzas que impulsan esta transformación son de tipo económico y medioambiental mientras se generaliza la disponibilidad de fuentes de energía eléctrica eólica y solar. Además, tal como hemos visto con el rendimiento de los vehículos eléctricos (VE), los motores eléctricos ofrecen un par elevado y los nuevos compuestos químicos utilizados en las baterías consiguen una impresionante autonomía.
Resulta ventajoso utilizar altas tensiones CC pues permiten reducir las pérdidas de potencia en los buses o el cableado entre la fuente de alimentación y la carga, que puede consistir en motores lineales o rotativos, actuadores, sensores, procesadores y reguladores de baja tensión en el punto de carga, entre otros. Los sistemas de alta tensión también proporcionan altos niveles de fuerza mecánica, tanto de desplazamiento lineal como rotativo. En los equipos y los VE se suelen utilizar tensiones CC de 270V a 1000V. Es importante destacar que las tensiones CC de 60V y superiores se consideran potencialmente peligrosas (es decir, no son SELV por “safety extra low voltage”, es decir, con una tensión ultrabaja de seguridad) por lo que se deben aislar de forma adecuada.
Los convertidores CC/CC transforman de altas tensiones a tensiones más bajas, con o sin aislamiento, regulación o funcionamiento inverso, en VE, centros de datos, sistemas de comunicaciones y equipos industriales de todo tipo. Estos convertidores de potencia son vitales y se pueden implementar mediante componentes discretos o en forma de encapsulado modular.
La tensión predominante en las redes de alimentación o PDN (power delivery network) de 12V CC ha iniciado recientemente su transición a 48V, impulsada por un aumento significativo de los requisitos de la carga y la necesidad de mantener la SELV, todo lo cual ha provocado la aparición de convertidores de alta tensión a 48VCC. Para facilitar este cambio de la tensión de la PDN en el subsistema se están adoptando módulos de potencia en convertidores CC/CC de 48V ya que aportan numerosas ventajas, como facilidad de uso, densidad de potencia, potencia escalable y peso. También pueden funcionar en modo bidireccional y regenerativo. La regeneración es el retorno de energía a la fuente de alimentación primaria; el freno regenerativo en los VE es un ejemplo de aplicación ampliamente instalada.
Uso acelerado de altas tensiones CC en equipos, vehículos e infraestructura
En las aplicaciones móviles (sin unión física) y portátiles se emplean a menudo baterías electrolíticas (basadas en diversos compuestos químicos) tanto como fuentes de alimentación de alta y baja tensión CC y desde luego son ideales. La mayoría de las baterías, desde las de ácido-plomo hasta las más recientes de sodio-ion y grafeno, así como los modernos supercondensadores, son recargables y por tanto también se pueden incorporar a aplicaciones de energía regenerativa que en total permitirán ahorrar enormes cantidades de energía en todo el mundo.
Las tensiones nominales más comunes en las baterías de los VE son 400VCC y 800VCC. La tendencia hacia el aumento de la densidad de energía hace que las baterías de 800V vayan a predominar en el futuro. Los vehículos híbridos ligeros generalmente usan baterías de 48VCC, si bien algunos fabricantes optan por utilizar sistemas multicelda de 12VCC. La oferta de VE es bastante amplia ya que abarca desde camiones y automóviles hasta vehículos industriales y agrícolas (incluidos vehículos para construcción como excavadoras y tractores) así como todo tipo de plataformas para vehículos recreativos (motos acuáticas, vehículos todoterreno 4×4, motonieves, motocicletas, etc.). Excepto por la autonomía y el tiempo necesario para repostar o recargar el vehículo, las versiones eléctricas de estos vehículos tienden a ofrecer más prestaciones al usuario final (como su aceleración, par y calidad de conducción) que los vehículos basados en motores de combustión interna.
¿Por qué está sustituyendo la alimentación distribuida de 48VCC a la de 12VCC?
Una conclusión sencilla a partir de las leyes físicas, en concreto de la Ley de Ohm, es que unas tensiones de distribución más altas suministran la misma potencia con una corriente más baja.
Las pérdidas de potencia por distribución (que suelen utilizar barras colectoras o cables de cobre o aluminio) son una función del cuadrado de la corriente (P = I2R). A veces estas pérdidas óhmicas pueden ser sustanciales (del orden de decenas o centenares de vatios) pero se pueden minimizar con tensiones de distribución más elevadas. Las barras colectoras y los cables tienen un tamaño adaptado a su capacidad de conducción de corriente. Multiplica por 4 la tensión y dividir entre 4 la corriente tiene un efecto considerable sobre el tamaño, el peso y el coste. Por ejemplo, para conducir 200A, una barra colectora de cobre necesita un área transversal de unos 40 mm2, mientras que para conducir 800A, una barra colectora de cobre necesita un área transversal de unos 200 mm2, es decir, cinco veces mayor.
Figura 1. Las redes de alimentación de 48V reducen el peso y el coste del cableado de manera significativa respecto a las de 12V.
Por tanto, las barras colectoras y los cables de 48VCC son más delgados, ligeros y por tanto económicos que los utilizados en redes de alimentación de 12VCC. El cobre es un material relativamente caro, por lo que su efecto sobre el coste puede ser significativo dentro del coste total del sistema.
Prestaciones de la conversión de alta tensión a 48V con un módulo convertidor de relación fija
Los módulos de potencia avanzados de 48V proporcionan nuevos niveles de eficiencia y rendimiento gracias a sus prestaciones de tipo técnico. Una nueva familia de módulos de potencia convertidores de bus bidireccional de relación fija, aislados (4242V) y con componentes magnéticos integrados se dirige a aplicaciones innovadoras basadas en baterías regenerativas.
Un miembro de esta familia, un módulo con una potencia de salida continua de 2,5kW, tiene un “factor K” de conversión (el equivalente a la relación entre el número de vueltas en un transformador convencional) de 1/16 y está diseñado para convertir una tensión nominal de 800V a 50V.
Figura 2. El BCM6135 es un convertidor de bus CC/CC con K=1/16 caracterizado por su robusta estructura modular sobremoldeada y galvanizada, coplanar y diseñada teniendo en cuenta su respuesta térmica.
Esta familia de convertidores de bus (BCM6135) utiliza una topología de circuito SAC™ (Sine Amplitude Converter) con conmutación del MOSFET a tensión cero (ZVS) y corriente cero (ZCS) (Figura 2). Este diseño ofrece una elevada eficiencia máxima del 97,3% que da como resultado una potencia térmica disipada de 83,7W (2,7% x 3,1kW) para permitir la gestión térmica a la potencia máxima (3,1kW) con TCARCASA de 70°C. Su elevada densidad de potencia continua respecto al volumen es de 159kW/l (las dimensiones del módulo son de 61,3 mm por 35,4mm por 7,3mm); el peso del módulo es de 58g, por lo que ofrece una densidad de potencia respecto a la masa de 43,1 W/g.
Obsérvese que la densidad de potencia máxima del BCM6135 respecto a la superficie es de unos 0,04 W/mm2. Esta cifra equivale aproximadamente a multiplicar por 4 la densidad de potencia disipada por unidad de superficie de una sartén eléctrica típica de 1500W. Para mantener una temperatura de 70°C en la carcasa cuando funciona a la potencia máxima de salida, estos módulos se suelen refrigerar por líquido y Vicor recomienda la refrigeración en ambos lados.
Esta familia de BCM permite el arranque bidireccional instantáneo y el funcionamiento en modo estacionario. El BCM6135 también puede funcionar como multiplicador de capacidad al adaptar ésta al bus de alta tensión (HI) y baja tensión (LO) según el cuadrado del factor K (162 = 256). Esta característica permite ahorrar en el coste, el peso y el espacio de los condensadores de bypass o auxiliar que de lo contrario harían falta en el bus de baja tensión.
A todo ello hay que añadir que la elevada frecuencia de conmutación (superior a 1,25MHz) y el ciclo de trabajo de ZVS cercano al 100% de la familia BCM6135 le permiten asumir picos de corriente ocasionados por variaciones extremadamente rápidas de la carga (unos 8 millones de amperios por segundo u 8 A por microsegundo). Este ancho de banda permite que el módulo sustituya a baterías y supercondensadores auxiliares que de lo contrario se necesitarían para asumir transitorios por variaciones de la carga en aplicaciones exigentes como informática de alto rendimiento y VE (Figura 3).
Figura 3. Comparación entre la respuesta a la variación de la carga de la familia BCM (“módulo de potencia”) y una batería típica de ácido-plomo de 12V. El BCM ofrece un tiempo de respuesta más rápido de 20µs frente a transitorios.
Un resultado importante de este extraordinario rendimiento frente a grandes transitorios es la baja impedancia de salida del convertidor de bus. Cuando la tensión en la capacidad de salida distribuida total (tanto interna como en los circuitos de salida en una aplicación típica) varía continuamente y a gran velocidad (p.ej., a una elevada frecuencia de conmutación del MOSFET de 1,3 MHz), la corriente necesaria para mantener completamente cargada la capacidad de salida es pequeña. Esto queda claro a partir de esta ecuación básica:
i = C * (dV / dt)
En esta situación, el valor de dV/dt (la velocidad de variación de la tensión en el condensador respecto al tiempo) es pequeño porque hay poco tiempo (menos de 1μs) para que disminuya la carga almacenada de forma capacitiva (es decir, que alimente la carga) entre dos ciclos de conmutación. Por tanto se necesita una pequeña corriente para recargar la capacidad de salida distribuida y la tensión para esta capacidad no disminuirá de manera significativa. Expresado de manera más formal, a medida que aumenta la frecuencia de conmutación del MOSFET, disminuyen la reactancia capacitiva y la impedancia de salida total. En resumen, por eso el BCM6135 puede ofrecer un ahorro de costes (cuando se incluyen el tamaño y el peso en los cálculos) si se compara con las baterías y los supercondensadores convencionales con una baja impedancia de salida.
Amplio rango de tensión de entrada que cumple los requisitos de cada aplicación
El amplio rango de la tensión de entrada del BCM (de 520V a 920V) admite una amplia variedad de estándares de distribución de tensión CC. El amplio rango de la tensión de entrada es una de las características destacables en la topología del circuito utilizada en el BCM. La importancia del amplio rango de la tensión de entrada para los VE queda demostrada por la recomendación de la VDA (Asociación de la Industria del Automóvil de Alemania). La recomendación VDA 320 (Componentes eléctricos y electrónicos en vehículos de motor – Fuentes de alimentación a bordo de 48V – Requisitos y tests, versión 01/20/2025), también es conocida como LV 148 y fue desarrollada por los fabricantes de automóviles Audi, BMW, Daimler, Porsche y Volkswagen como un estándar compartido entre fabricantes para componentes en un rango de tensión de 48VCC. Recomienda que la batería ofrezca un rango ilimitado de la tensión de funcionamiento entre 36V y 52V, modos de funcionamiento limitados entre 20V y 60V, y una sobretensión dinámica de hasta 70V (Figura 4).
Figura 4. La recomendación VDA 320 para un rango de tensión de 48VCC ilustra la necesidad de un amplio rango de tensión de entrada en los convertidores CC/CC. El amplio rango de la tensión de entrada del BCM (de 520V a 920V) admite un gran número de estándares de distribución de tensión CC. (Crédito de la imagen: VDA).
Las exclusivas características mecánicas de los módulos ChiP™ mejoran el rendimiento térmico
Los módulos de la familia BCM destacan por su fino grosor (7,3mm); además están sobremoldeados y galvanizados. Su fino encapsulado sitúa los componentes activos internos cerca del disipador de calor o de la placa de refrigeración, mejorando así su agilidad térmica. El compuesto de moldeado que se utiliza en los encapsulados ChiP de Vicor es dieléctrico y mejora su capacidad para resistir altos potenciales. Además, el compuesto del molde tiene un elevado módulo de elasticidad por lo que permite su montaje en chasis, montaje superficial y con terminales LGA (land grid array). El acabado metalizado crea una jaula de Faraday, reduciendo así la radiación electromagnética emitida. El acabado de la superficie con oro es conductor desde un punto de vista eléctrico y térmico, además de resistir la oxidación.
El encapsulado ChiP interconectado en tres dimensiones (o 3DI) ofrece una baja impedancia térmica e incluye una interfaz térmica plana (coplanar) a disipadores de calor y placas de refrigeración. Algunos módulos de Vicor incluyen hendiduras 3DI que proporcionan una excelente soldabilidad para el montaje sobre la superficie de una placa de circuito impreso.
Avance rápido de 48V para sustituir las redes de alimentación de 12V
Las ventajas de económicas y de calidad de vida aportadas por la electrificación están impulsando la adopción de la conversión CC/CC de alta tensión a 48V en equipos de todo tipo dentro de la economía global.
Los módulos de potencia integrados de alta tensión a 48V permiten a los ingenieros de diseño cumplir los exigentes requisitos de los sistemas de alimentación del mundo moderno con más eficiencia. Las características únicas de los módulos de potencia de relación fija ofrecen ventajas que superan de largo a los tradicionales convertidores CC/CC discretos.
Los módulos convertidores de bus de relación fija bidireccionales de próxima generación son capaces de cumplir los exigentes requisitos eléctricos y térmicos de aplicaciones regenerativas transitorias como las suspensiones de activas de los VE. Son especialmente efectivas en aplicaciones de suspensión activa para VE al ofrecer un funcionamiento bidireccional y admitir la regeneración transitoria. Además su elevada densidad de potencia y su fácil escalabilidad hace que sean mucho más versátiles y aptas para adaptarse a una gran variedad de necesidades de alimentación de la industria. El mundo de la electrónica de potencia tiende hacia redes de alimentación de 48V y los módulos de potencia de Vicor son la mejor opción para la conversión CC/CC.
SAC™ y ChiP™ son marcas de Vicor Corporation.
