Suggerimenti di alimentazione n. 126: collegamento a caldo dei convertitori DC/DC in modo sicuro

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Nei convertitori di potenza, i condensatori di ingresso vengono alimentati tramite cavi induttivi alla fonte di alimentazione. L’induttanza parassita causerà uno squillo della tensione di ingresso a quasi il doppio del suo valore CC quando viene collegato per la prima volta al sistema, chiamato anche collegamento a caldo. Un ingresso del convertitore di potenza non sufficientemente smorzato e la mancanza di controllo dello spunto possono danneggiare il convertitore.

L’utilizzo di condensatori elettrolitici di ingresso per smorzare la tensione di ingresso dei convertitori senza batteria può prevenire eccessivi squilli di tensione quando si applica per la prima volta l’alimentazione a batteria, prevenendo anche risonanze che possono destabilizzare il convertitore. Con il passaggio al 24 V_IN e 48 V_IN sistemi rispetto alla tradizionale batteria per autoveicoli da 12 V, la necessità di smorzare adeguatamente l’ingresso diventa ancora più importante. I sistemi di batterie da 12 V utilizzano in genere componenti classificati per 40 V o superiori per sopravvivere a picchi di tensione di breve durata in condizioni di scarico del carico. La tensione CC massima per questi sistemi a 12 V può raggiungere 18 V_DC. L’hot plug può causare squilli in ingresso con una tensione prossima al doppio dell’ingresso, ad esempio 36 V. Questo è ben al di sotto di 40 V o componenti con classificazione superiore. Tuttavia, in un sistema a 48 V in cui le tensioni di ingresso a stato stazionario possono raggiungere 54 V, lo squillo sull’ingresso può potenzialmente superare i 100 V, danneggiando i componenti classificati per 80 V.

Con i tradizionali sistemi a 12 V, spesso si presuppone che i condensatori di smorzamento abbiano una resistenza in serie effettiva (ESR) sufficiente a domare la risonanza. Tuttavia, con i condensatori elettrolitici in alluminio a basso costo, la VES effettiva effettiva è generalmente molto inferiore al massimo pubblicato, con conseguente minore smorzamento e molto più tintinnio quando si applica l’alimentazione della batteria. Con i sistemi a 12 V, lo smorzamento ridotto potrebbe essere comunque sufficiente a prevenire la destabilizzazione della tensione CC/CC a valle e il suono non causerà danni. Tuttavia, nei sistemi a 48 V che sono più vulnerabili alle oscillazioni, è possibile aggiungere resistori discreti in serie con i condensatori di smorzamento in ingresso. In base alle correnti di ondulazione stazionarie, dovrebbe essere sufficiente la dimensione 0603 (1608 metri).

In Figura 1L1 e C1 provenienti dal filtro di ingresso di un convertitore CC/CC esistente creano una risonanza espressa dall’Equazione 1:

Abbiamo scelto il condensatore di smorzamento target (C_D) e resistenza allo smorzamento (R_D), basato su TI E2E Articolo tecnico dei forum di supporto alla progettazione, “Smorzamento della risonanza del tallone in ingresso per prevenire le oscillazioni”. C_D dovrebbe essere idealmente almeno tre volte C₁. Abbiamo scelto un valore standard di 150 µF per C_D.

L’equazione 2 esprime la resistenza di smorzamento target:

Per la resistenza di smorzamento (R_D), aggiungere due resistori da 1 Ω in parallelo in serie con C_D.

Figura 1 Un filtro di ingresso semplificato con smorzamento per evitare squilli di tensione eccessivi quando si applica per la prima volta l’alimentazione della batteria, prevenendo anche risonanze che possono destabilizzare il convertitore.

figura 2 mostra la risposta hot-plug simulata sia senza che con il resistore di smorzamento da 0,5 Ω aggiunto in serie con C_D.

figura 2 Simulazione di hot plug senza e con resistenza di smorzamento da 0,5 Ω in serie con C_D.

Abbiamo ottenuto lo smorzamento del filtro di ingresso utilizzando la corretta combinazione di resistore di smorzamento e condensatore. C’è un aspetto, però, che è facile trascurare. In laboratorio abbiamo riscontrato la distruzione del resistore di smorzamento (R_D) quando si collega l’alimentazione a caldo. Ciò che abbiamo realizzato è che il resistore di smorzamento ha una potenza di picco espressa dall’Equazione 3:

Per i nostri resistori da 1 Ω su 54 V, il picco sarebbe di circa 2.900 W in ciascun resistore. Inoltre, il resistore dissipa quasi la stessa energia di quella immagazzinata nel condensatore di smorzamento (C_D) in un periodo di tempo molto breve. Questa energia immagazzinata nel condensatore di smorzamento è espressa dall’equazione 4:

Nel nostro caso, l’energia è divisa equamente tra i due resistori da 1 Ω. Una capacità di 150 µF a 54 V_IN è di circa 220 mJ in totale, o 110 mJ in ciascun resistore da 1 Ω. Questo è un presupposto leggermente stringente, poiché la VES interna di C_D riduce la tensione di picco effettiva attraverso questi resistori di circa il 4%.

Mappare l’effettivo picco di spunto sulla curva nei grafici dei valori di picco non è semplice. Il profilo di sovratensione effettivo sarà all’incirca una forma d’onda esponenziale in decadimento, mentre i valori nominali del resistore presuppongono una potenza costante di durata fissa, come mostrato in Figura 3.

Figura 3 Esempio di valori nominali di resistori con sovratensione che mostrano una forma d’onda esponenziale con decadimento approssimativo.

Un approccio conservativo sarebbe quello di dividere l’energia totale dissipata nel resistore per la potenza di picco. È quindi possibile verificare la durata dell’impulso risultante rispetto al grafico dei valori di sovratensione del resistore. L’impulso calcolato sarà più intenso dell’impulso reale, che corrisponde alla stessa energia di riscaldamento distribuita su un intervallo di tempo maggiore. Nel nostro caso, in ciascun resistore, 110 mJ divisi per 2.900 W equivalgono a 38 µs. Un resistore con protezione contro i picchi di 2512 SG733A/W3A può gestire 4,5 kW per circa 40 µs, il che significa che questo resistore in pacchetto è adatto per questa applicazione. I resistori per uso generale nello stesso contenitore 2512 hanno valori di potenza inferiori di oltre un ordine di grandezza rispetto ai resistori con protezione contro i picchi di tensione.

Questo calcolo ignora l’effetto dell’induttanza in serie. Un induttore rallenterà l’aumento della corrente nel resistore e ridurrà la potenza massima, ma aggiungerà anche le perdite totali dovute al superamento, come mostrato nella Figura 2. I risultati della simulazione, incluso l’induttore da 10 µH, mostrano che la potenza di picco nel resistore scende del 30% rispetto a la potenza calcolata è di 2,9 kW, ma l’energia totale nel resistore è superiore del 17% rispetto ai 110 mJ calcolati in precedenza. Le curve di valutazione mostrano che l’energia consentita segue il rapporto della potenza di picco rispetto alla potenza dei due terzi negativi. Pertanto, una riduzione del 30% della potenza di picco consente perdite del 27% in più e i nostri calcoli rimangono conservativi sia con che senza induttanza di ingresso in serie.

Evitare guasti dovuti all’hot plug

Anche se le migliori pratiche di installazione e manutenzione nel settore automobilistico eviteranno l’hot plug, ci si rende conto che si verificheranno degli errori. Seguendo le procedure indicate in questo articolo si eviteranno costosi danni al sistema. In qualità di partner nella gestione dell’energia, TI è alla costante ricerca di superare i limiti della potenza.

Hrag Kasparian, entrato in Texas Instruments più di 10 anni fa, attualmente lavora come ingegnere di applicazioni di potenza, progettando alimentatori a commutazione DC-DC personalizzati. In precedenza, ha lavorato allo sviluppo di pacchi batteria, caricabatterie e sistemi di gestione delle batterie per veicoli elettrici (EV) presso una startup della Silicon Valley. Hrag si è laureato in ingegneria elettrica alla San Jose State University.

Josh Mandelcorn fa parte del team Power Design Services di Texas Instrument da quasi vent’anni. Ha progettato convertitori multifase ad alta corrente per alimentare il core e i binari di memoria dei processori che gestiscono grandi e rapidi cambiamenti di carico con rigorosi requisiti di sotto/superamento della tensione. È elencato come autore o coautore di 17 brevetti statunitensi relativi alla conversione di potenza. Ha conseguito una laurea BSEE presso la Carnegie-Mellon University.

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Il post Power Tips n. 126: convertitori DC/DC hot plug in modo sicuro è apparso per primo su EDN.

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