Use um conversor de energia CA/CC resfriado por contato para aplicações severas

À medida que os dispositivos eletrônicos proliferam, os projetistas de dispositivos de potência e de módulos conversores CA/CC para ambientes severos enfrentam requisitos, cada vez mais exigentes, em termos de desempenho, ambiente e empacotamento. Embora o papel de um módulo conversor de energia ligado à linha não tenha mudado fundamentalmente, é necessário mais para o tornar totalmente funcional no campo.

Primeiro é a questão do resfriamento, porque mesmo uma fonte de alimentação eficiente liberta calor. Em seguida, o projetista deve considerar os requisitos elétricos e de fator de forma ao nível do sistema. Finalmente, o conversor deve incorporar capacidades que simplifiquem o projeto e protejam o conversor, o usuário e a carga de ocorrências adversas.

Este artigo examina brevemente os desafios enfrentados pelos projetistas de sistemas de energia destinados a ambientes severos. Em seguida, apresenta uma família de conversores CA/CC de 504 W, resfriados por condução de contato, da Advanced Energy e mostra como podem enfrentar estes desafios.

Comece com o desafio do resfriamento

Salvo raras exceções, os projetistas que incorporam um conversor CA/CC num sistema devem também determinar a forma de dissipar o calor gerado. Apesar de os conversores modernos serem relativamente eficientes, tipicamente 80% a 90% ou mais, o calor ainda é criado e deve ser removido para garantir que a fonte não superaqueça, comprometendo assim o desempenho e a confiabilidade.

A física térmica mostra que existem três formas de dissipar este calor (Figura 1):

1. Condução, por contato direto de uma superfície sólida com uma superfície sólida
2. Convecção, por um fluido em movimento, que pode ser ar ou líquido
3. Radiação, como energia eletromagnética (principalmente infravermelha), que pode ocorrer no vácuo

Figura 1: A energia térmica pode ser dissipada por condução, convecção ou radiação. (Fonte da imagem: Nuclear Power)

O resfriamento baseado em radiação geralmente é inadequado para sistemas eletrônicos, pois transfere apenas uma quantidade relativamente pequena de calor. No entanto, a radiação é fundamental para as naves espaciais que têm de difundir o seu calor no vácuo do espaço.

A maioria dos projetistas prefere iniciar a sua estratégia de resfriamento utilizando a convecção do fluxo de ar não forçado (natural) ou forçado por ventoinha, com o ar passando através de aberturas e ventilações na unidade de conversão. Este método de resfriamento é relativamente barato e fácil de avaliar.

No entanto, a abordagem do resfriamento por convecção não é viável em muitas instalações da realidade prática. O conversor deve estar dentro do invólucro selado com proteção contra ingresso (IP) da aplicação para proteção completa contra água, chuva, poeira e outros contaminantes. Além disso, a maioria dos conversores padrão não estão fisicamente dispostos ou empacotados para um resfriamento por condução.

É necessário um projeto diferente quando o resfriamento tem de ser obtido apenas por condução térmica do gabinete do conversor para uma superfície adjacente. Este processo é frequentemente designado como resfriamento por contato ou parede fria. A conceção do empacotamento da família de conversores de energia Artesyn AIF500 da Advanced Energy (Figura 2) é um bom exemplo desta abordagem.

Figura 2: Os conversores de energia Artesyn AIF500 utilizam resfriamento por contato ou por parede fria. (Fonte da imagem: Advanced Energy)

Estas unidades de perfil baixo são montadas numa placa de circuito impresso (PCI). Têm uma pegada da placa de base de bloco integral, padrão da indústria, de 4,6 × 2,4 polegadas (in), uma altura de 0,55 polegadas (116,84 × 60,96 × 13,95 milímetros (mm)) e um peso de 9,2 onças (oz) (260 gramas (g)).

Foram concebidos principalmente para os requisitos de fonte de alimentação RF da unidade de rádio remota nas aplicações de telecomunicações 5G. Também são adequados para displays e aplicações industriais. O seu tempo médio entre falhas (MTBF) é superior a um milhão de horas.

Os módulos foram projetados para serem resfriados por contato através da sua placa de base (Figura 3) e podem fornecer a potência nominal total numa vasta faixa de temperatura na placa de base de -40°C a +100°C.

Figura 3: Os módulos AIF500 são projetados para resfriamento por condução através da sua placa de base colocada em contato direto com uma superfície mais fria. (Fonte da imagem: Advanced Energy)

Selecionando um conversor de energia

A seleção de qualquer conversor de energia começa com os seus principais requisitos de desempenho. Estas incluem a sua capacidade de fornecer uma tensão de saída consistente à carga, apesar das variações em estado estacionário na tensão da linha, dos transientes de tensão, das alterações na demanda da carga e das mudanças de temperatura ambiente.

As unidades AIF500 totalmente encapsuladas funcionam de 90 V_CA a 264 V_CA. As opções incluem a AIF42BAC-01N com a sua saída fixa de 12 V/42 A ou de 48 V/10,5 A AIF11WAC-01N. O tempo de partida para saída completa, um parâmetro importante em muitas aplicações, é de 3,5 segundos (s), enquanto a regulagem da linha é de ±0,2% e a regulagem da carga é de ±4%.

Juntamente com uma entrada de linha CA abrangente e uma saída CC bem regulada, os conversores AIF500 também incorporam caraterísticas de proteção, tais como bloqueio de subtensão (UVLO), proteção contra sobretensão (OVP) e proteção contra sobrecorrente (OCP). A limitação interna da corrente de irrupção minimiza os circuitos externos necessários para evitar danos provocados por surtos da corrente de partida.

Além disso, os conversores estão aprovados para cumprir as normas de segurança relevantes EN, UL, Canada UL, IEC e EN 62368-1 e possuem as marcas de segurança CE e UKCA. Obtêm estas certificações em parte devido às seus vários dimensionamentos de isolação de 4.000 V_CC da entrada à saída, 2.500 V_CC da entrada à placa de base e 100 V_CC da saída à placa de base.

Os requisitos regulamentares e as boas práticas de engenharia exigem a minimização da carga térmica para obter um funcionamento de alta eficiência. Estes conversores oferecem uma eficiência superior a 90% quando funcionam a metade da potência de saída nominal ou acima. Por exemplo, a unidade de 12 V que funciona a partir de uma linha de 230 V_CA tem uma eficiência superior a 93% a uma potência de saída de 300 W ou acima (Figura 4). Acima de 300 W, o fator de potência (PF) excede 0,99, ultrapassando os requisitos regulamentares.

Figura 4: A eficiência de conversão de energia do AIF500 é superior a 90% quando funciona acima da carga média, o que reduz a dissipação térmica e cumpre os requisitos regulatórios. (Fonte da imagem: Advanced Energy)

Adicionando recursos e funções ao nível do sistema

Os conversores atuais devem oferecer capacidades além dos dois fios para entrada CA, dois fios para saída CC e dois cabos de deteção remota. Devem também integrar-se ao nível do sistema com conexões e funções adicionais.

Por exemplo, os conversores AIF500 têm uma saída direta de uma linha, a "unidade boa", e uma entrada de nível TTL para ativação remota. Quando não estão ativados, a sua potência de espera é de 5 W. Estes sinais de informação e controle são apenas um ponto de partida para a conetividade, uma vez que os conversores também incluem uma interface PMBus.

Os recursos adicionais incluem a saída auxiliar de tensão constante, sempre ligada de 8 V_CC a 11 V_CC a 250 mA, que suporta cargas pequenas e críticas.

Uma configuração de conversor de unidade simples requer apenas um filtro externo de interferência eletromagnética (EMI), um capacitor de retenção e um capacitor de saída.

Para aplicações em que a corrente de saída de uma única unidade AIF500 for insuficiente, as unidades suportam o compartilhamento ativo de corrente, o que amplia a configuração de uma unidade simples a, no máximo, dez unidades com interligações simples de unidade a unidade (Figura 5). Esta disposição de saída em paralelo requer apenas a inclusão de capacitores de retenção e de saída para a segunda unidade (e para cada unidade adicional); não são necessários outros componentes.

Figura 5: Uma unidade simples AIF500 requer apenas alguns componentes externos para funcionar (em cima); até 10 podem ser facilmente colocados em paralelo se for necessária uma corrente de saída mais elevada (embaixo). (Fonte da imagem: Advanced Energy)

O PMBus permite uma interface gráfica de usuário (GUI). A GUI simplifica o controle e o monitoramento de um módulo ou módulos, quando os projetistas estão na fase de desenvolvimento e durante a implementação da aplicação. Fornece informações sobre tensões, correntes e o estado das principais métricas operacionais e pontos físicos.

Conclusão

Um conversor CA/CC robusto começa com um projeto sólido, mas proporcionar um resfriamento adequado é sempre um problema, especialmente em instalações expostas. A família de conversores Artesyn AIF500 totalmente fechados foi concebida para funcionar com especificações até +100°C nas suas placas de base, utilizando resfriamento por contato. Estas unidades proporcionam um desempenho superior e incluem funções e recursos adicionais, tais como uma interface PMBus, que lhes permite funcionar como conversores compatíveis com o sistema, em vez de serem apenas fontes essenciais de saídas CC reguladas.