48V 及功率密集型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊需要滿足當(dāng)前激增的電源需求

這些日益普及的子系統(tǒng)的共同之處就在于它們固有的電感特性，需要大電流的快速驅(qū)動(dòng)脈沖，才能高效工作。因此，現(xiàn)代電動(dòng)汽車的供電網(wǎng)絡(luò) (PDN)必須同時(shí)支持穩(wěn)態(tài)負(fù)載、高電流變化率需求以及短暫的高強(qiáng)度峰值。

最終，滿足這些要求只能通過具有以下功能的電源轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)：不僅能以微秒級(jí)時(shí)間尺度響應(yīng)，同時(shí)還能處理暫時(shí)超過其連續(xù)額定值的功率水平。在實(shí)踐中，這意味著高電流變化率 (di/dt) 能力以及峰值功率處理以尺寸、成本或熱開銷為代價(jià)。

然而，傳統(tǒng) DC-DC 架構(gòu)在這一領(lǐng)域舉步維艱，其控制環(huán)路帶寬、對(duì)輸出濾波的依賴和熱限制使其不適合快速變化的負(fù)載條件。為了支持新一代電動(dòng)汽車特性，行業(yè)需要重新構(gòu)想底層電源架構(gòu)。

電源模塊實(shí)現(xiàn)全新的系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)

除了組件層面的性能之外，模塊化轉(zhuǎn)換器還可提供貫穿整個(gè)車輛平臺(tái)的實(shí)質(zhì)性架構(gòu)優(yōu)勢(shì)。通過將磁性元件、控制和熱接口集成到一個(gè)緊湊的封裝中，正弦振幅轉(zhuǎn)換器 (SAC) 模塊可顯著減少功率級(jí)的熱損耗。高效的傳導(dǎo)路徑和最小化的寄生意味著更低的結(jié)溫，可使設(shè)計(jì)人員在不影響可靠性的情況下簡(jiǎn)化或縮小散熱器尺寸。

現(xiàn)代模塊化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)的高功率密度（通常超過 3kW/L）降低了多級(jí)轉(zhuǎn)換的需求。設(shè)計(jì)人員可直接在負(fù)載點(diǎn)提供所需的電壓和電流，再也不用通過級(jí)聯(lián)的穩(wěn)壓器配電，布線路徑更短，整體外殼尺寸更小。此外，這樣的架構(gòu)簡(jiǎn)化還支持更廣泛的行業(yè)推動(dòng)區(qū)域配電，其子系統(tǒng)通過短而高效的鏈路接收本地穩(wěn)壓電源，再也不用從集中的 12V 或 48V 母線供電。

在許多情況下，模塊化轉(zhuǎn)換器的快速瞬態(tài)響應(yīng)和峰值處理功能可以完全消除對(duì)分立式低壓電池的需求（圖 1）。通過直接從高壓牽引電池轉(zhuǎn)換，模塊可支持輔助負(fù)載，即使在啟動(dòng)或恢復(fù)事件過程中，也不依靠二次電源或緩沖電容器組。這可減少質(zhì)量、材料清單計(jì)數(shù)及設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作。

圖 1：正弦振幅轉(zhuǎn)換器 (SAC) 模塊的特性創(chuàng)建了一條無(wú)需專用電池就能運(yùn)行 48V 汽車負(fù)載的路徑。

而且這些優(yōu)勢(shì)可放大。通過并聯(lián)單元或改變安裝配置，相同的模塊化構(gòu)建塊可支持從緊湊型乘用車到重型卡車的各種車型。種種標(biāo)準(zhǔn)化可以簡(jiǎn)化采購(gòu)和面向未來(lái)的平臺(tái)，這樣，隨著電源需求增長(zhǎng)或架構(gòu)不斷發(fā)展，底層供電系統(tǒng)可靈活適應(yīng)。

傳統(tǒng) DC-DC 轉(zhuǎn)換器的控制環(huán)路瓶頸和系統(tǒng)超規(guī)格

汽車應(yīng)用中的傳統(tǒng) DC-DC 轉(zhuǎn)換器架構(gòu)一般遵循多級(jí)設(shè)計(jì)，通常使用具有輸出 LC 濾波及軟件控制開關(guān)的級(jí)聯(lián)降壓或升壓穩(wěn)壓器。這些設(shè)計(jì)依靠閉環(huán)反饋系統(tǒng)監(jiān)控輸出電壓或電流，并相應(yīng)調(diào)整脈寬或開關(guān)頻率。這些控制環(huán)路雖然在穩(wěn)壓穩(wěn)態(tài)輸出的過程中很有效，但本質(zhì)上會(huì)限制轉(zhuǎn)換器的帶寬，并會(huì)在負(fù)載需求和轉(zhuǎn)換器響應(yīng)之間帶來(lái)不必要的延遲。

挑戰(zhàn) 1：瞬態(tài)響應(yīng)

當(dāng)支持快速變化的大電流負(fù)載時(shí)，這種延遲變得尤為棘手。面對(duì)較慢的反饋，保持電壓穩(wěn)定所必需的輸出電感器及電容器會(huì)對(duì) di/dt 造成物理限制。因此，這些轉(zhuǎn)換器無(wú)法快速提供電感負(fù)載（如電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向或主動(dòng)懸架執(zhí)行器）所需的電流浪涌。這種滯后會(huì)影響時(shí)間敏感型子系統(tǒng)的性能，在極端情況下還會(huì)導(dǎo)致性能低下或系統(tǒng)故障。這一挑戰(zhàn)導(dǎo)致必須在系統(tǒng)中添加電池或超級(jí)電容器，才能解決時(shí)延問題。

挑戰(zhàn) 2：峰值功率

另一項(xiàng)根本限制是峰值功率與連續(xù)功率之間的關(guān)系。在大多數(shù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)換器的峰值功率容量實(shí)際上等于其連續(xù)額定值。這迫使工程師為最壞的瞬態(tài)情況調(diào)整功率級(jí)大小，即使這一峰值只出現(xiàn)幾毫秒。結(jié)果是一款超大的轉(zhuǎn)換器，在其使用壽命內(nèi)的大部分時(shí)間帶來(lái)了不必要的體積、質(zhì)量及熱管理開銷。

挑戰(zhàn) 3：雙向工作

最后，傳統(tǒng)架構(gòu)通常難以應(yīng)對(duì)雙向能量流。支持再生負(fù)載或無(wú)功負(fù)載通常需要增加電路復(fù)雜性，例如雙電源路徑或全 H 橋?qū)嵤┓桨浮＿@些增加了成本和電路板面積，并帶來(lái)控制挑戰(zhàn)。

模塊化電源架構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速靈活的供電

模塊化電源架構(gòu)提供一種完全不同的方法來(lái)應(yīng)對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)、峰值功率處理及雙向工作的挑戰(zhàn)。這種架構(gòu)將磁性元件、控制邏輯和熱管理集成到一個(gè)緊湊、獨(dú)立的封裝中，無(wú)需大量限制傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的外部組件和互連。

解決方案 1：SAC 模塊，更快的瞬態(tài)響應(yīng)

在這種情況下，一大優(yōu)勢(shì)就在于物理和電氣布局。通過最大限度減少板級(jí)寄生并在更高的開關(guān)頻率下工作，模塊化轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了更優(yōu)異的瞬態(tài)響應(yīng)。在與 Vicor 正弦振幅轉(zhuǎn)換器 (SAC) 或其它諧振架構(gòu)等拓?fù)渑鋵?duì)時(shí)，電源模塊可在不依賴大型輸出電容器或電感器的情況下以極高的轉(zhuǎn)換速率提供電流。事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，SAC 模塊可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 860 萬(wàn)安/秒的轉(zhuǎn)換速率（圖 2）。這種架構(gòu)可有效消除限制常規(guī)轉(zhuǎn)換器的 di/dt 性能控制環(huán)路延遲和輸出濾波器滯后。

圖 2：Vicor BCM6135的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，可在每秒 860 萬(wàn)安的速率下滿足 0 到 80A 的負(fù)載階躍瞬態(tài)需求。

解決方案 2：解耦連續(xù)功率額定值和峰值功率額定值

重要的是，許多 SAC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)能夠承受超過其連續(xù)電流額定值的短暫波動(dòng)。峰值性能和連續(xù)性能之間的這種區(qū)別可以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，其中工程師可針對(duì)標(biāo)稱負(fù)載條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，無(wú)需為了滿足毫秒級(jí)瞬變而過度設(shè)置轉(zhuǎn)換器。SAC 模塊只在必要時(shí)提供峰值功率，隨后便恢復(fù)至基準(zhǔn)工作狀態(tài)，沒有過多的熱損耗，也不會(huì)降低可靠性。

解決方案 3：固有的雙向性

SAC 模塊提供原生的雙向操作。能量流根據(jù)負(fù)載情況自動(dòng)反轉(zhuǎn)，無(wú)需微控制器干預(yù)、引腳級(jí)信號(hào)發(fā)送，或模式切換。該架構(gòu)的固定比率諧振工作意味著 SAC 模塊不需要明確區(qū)分正向與反向電流，而是對(duì)其輸入輸出端的電壓差做出響應(yīng)。結(jié)果是在電壓平衡點(diǎn)平穩(wěn)過渡，沒有死區(qū)時(shí)間或不穩(wěn)定性問題。

應(yīng)用實(shí)例：主動(dòng)懸架和再生負(fù)載

主動(dòng)懸架是典型的使用案例，用于檢驗(yàn)傳統(tǒng)電源架構(gòu)的局限性和模塊化轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)。

圖 3：當(dāng)前最快的負(fù)載需要微秒級(jí)速度，Vicor 產(chǎn)品會(huì)在幾毫秒內(nèi)做出響應(yīng)，比所需的速度快 1000 倍以上。

主動(dòng)懸架系統(tǒng)和再生負(fù)載雙向工作，兼具感應(yīng)性和動(dòng)態(tài)性。車輛遇到顛簸和坑洼時(shí)，懸架執(zhí)行器需要快速注入電流來(lái)產(chǎn)生反作用力，保持底盤穩(wěn)定，而且這種正向供能必須在幾微秒內(nèi)完成，才能保持乘坐體驗(yàn)并確保安全。

一旦吸收路面擾動(dòng)，懸架重新起跳，這些執(zhí)行器就會(huì)作為發(fā)電機(jī)，將電能返回電源母線（圖 3）。這種從源電流到吸收電流的即時(shí)反轉(zhuǎn)需要零延遲雙向性。在傳統(tǒng)架構(gòu)中，支持這種工作模式通常需要兩個(gè)不同的電源路徑（降壓和升壓），由外部微控制器管理以便協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換。這樣的配置很復(fù)雜、空間密集，并且會(huì)在正反向轉(zhuǎn)換時(shí)帶來(lái)延遲和控制風(fēng)險(xiǎn)（圖 4）。

相比之下，基于 SAC 的模塊化轉(zhuǎn)換器可瞬間切換方向，將再生電壓作為其架構(gòu)的固有功能來(lái)處理，無(wú)需任何固件觸發(fā)器、監(jiān)控邏輯或分立電路來(lái)實(shí)現(xiàn)反向流。電流只是改變方向，模塊可平衡適應(yīng)，不會(huì)產(chǎn)生性能或可靠性損失（圖 5）。

圖 4：這款 4kW 800V 至 12V DC-DC 轉(zhuǎn)換器是汽車應(yīng)用的緊湊型解決方案（23 x 10 厘米）。Vicor 電源模塊 BCM6135 和 DCM3735 支持這種供電網(wǎng)絡(luò)。

圖 5：主動(dòng)懸架示例強(qiáng)調(diào)雙向性、峰值功率和瞬態(tài)響應(yīng)的重要性。SAC 模塊為這三者提供了將系統(tǒng)復(fù)雜性降至最低的解決方案。

圖 6：BCM6135 是一款雙向固定比率 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，其功率密集，可非常高效地將高電壓轉(zhuǎn)換為安全超低電壓 (SELV)。

與 Vicor 共同前行

隨著電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)的需求持續(xù)攀升，傳統(tǒng)的 DC-DC 轉(zhuǎn)換方法已達(dá)到極限。Vicor 提供了一條截然不同的發(fā)展道路。

作為世界上唯一一家基于 SAC 拓?fù)涮峁┥a(chǎn)高密度電源模塊的公司，Vicor 始終致力于幫助電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)架構(gòu)無(wú)法企及的應(yīng)用：提供瞬時(shí)瞬態(tài)響應(yīng)，處理遠(yuǎn)高于連續(xù)額定值的峰值功率并在散熱優(yōu)化的緊湊型封裝中零延遲（毫秒）切換電流方向。領(lǐng)先的汽車 OEM 廠商已在實(shí)際生產(chǎn)平臺(tái)中使用 Vicor 模塊（圖 6）替代低壓電池，消除轉(zhuǎn)換器級(jí)并滿足當(dāng)前發(fā)展中最嚴(yán)苛的供電需求。