作者：Art Pini

　　電動(dòng)汽車 (EV) 供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 正在迅速變化。 12 伏鉛酸電池等傳統(tǒng)電源正在讓位于 48 伏或更高電壓的電源。與此同時(shí)，許多電機(jī)、泵、傳感器和執(zhí)行器仍然在傳統(tǒng)電壓水平下運(yùn)行。因此，必須有效降低較高電平的電壓并將其分配給這些不同的負(fù)載。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，同時(shí)最大限度地減少電阻電壓降和相關(guān)的功率損耗，電力系統(tǒng)架構(gòu)師正在從集中式方法(在電源附近使用大型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器)轉(zhuǎn)向分散式架構(gòu)(其中將高壓分配到每個(gè)電源附近的電源轉(zhuǎn)換器)。的較低電壓負(fù)載)。

　　這種分散式 PDN 需要具有高功率密度、最佳效率和小占地面積的輕型電源。盡管使用傳統(tǒng)的分立元件在內(nèi)部設(shè)計(jì)這些轉(zhuǎn)換器可能很容易優(yōu)化設(shè)計(jì)，但這也可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

　　還有更好的選擇：來自具有豐富設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的供應(yīng)商提供的現(xiàn)成模塊化設(shè)備，以及滿足 PDN 要求(例如輸入電壓范圍、輸出電壓、功率、密度和效率)的各種解決方案。

　　本文討論現(xiàn)代 PDN 的需求和典型的電源要求。本文還介紹了Vicor的模塊化電源解決方案示例，并展示了如何將它們應(yīng)用于高性能、經(jīng)濟(jì)高效的 PDN。

　　PDN演進(jìn)

　　電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車需要最大的行駛里程和最短的充電時(shí)間，同時(shí)為駕駛員和乘客提供全方位的服務(wù)。這些要求強(qiáng)調(diào)高效、輕量級(jí)的設(shè)計(jì)。因此，汽車制造商正在從集中式 PDN 架構(gòu)過渡到分散式區(qū)域架構(gòu)(圖 1)。

　　圖 1：集中式架構(gòu)將電源電壓轉(zhuǎn)換為電源附近的 12 伏負(fù)載電壓，并將其分配到整個(gè)車輛;分散式分區(qū)架構(gòu)將電源電壓分配給本地 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，在該轉(zhuǎn)換器中電壓降至 12 伏并盡可能靠近負(fù)載。 (圖片來源：Vicor)

　　集中式架構(gòu)通過“銀盒”將 48 伏電源轉(zhuǎn)換為 12 伏電壓，“銀盒”是一種大型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，使用較舊的低頻脈寬調(diào)制 (PWM) 開關(guān)拓?fù)?。然后從銀盒分配 12 伏電源。對(duì)于輸送至負(fù)載的給定功率，12 伏電壓下的電流水平是 48 伏電壓下輸送電流的四倍。這意味著電阻功率損耗(與電流的平方成正比)高出 16 倍。

　　另一方面，分區(qū)架構(gòu)將 48 伏電源分配到局部區(qū)域，在局部區(qū)域由更小、效率更高的 48 至 12 伏 DC/DC 轉(zhuǎn)換器為負(fù)載供電。較低的電流水平需要更小的導(dǎo)體和連接器橫截面，從而使線束成本更低、重量更輕。本地轉(zhuǎn)換器放置在靠近負(fù)載的位置，以最大限度地縮短 12 伏電源接線的長度。

　　在分區(qū)系統(tǒng)中，熱源廣泛分布在車輛的各個(gè)區(qū)域，而不是集中在熱源附近。這改善了整體散熱，使各個(gè)轉(zhuǎn)換器能夠在較低溫度環(huán)境下運(yùn)行。其結(jié)果是更高的運(yùn)行效率和更高的可靠性。

　　設(shè)計(jì) PDN 電源

　　盡管使用分立元件創(chuàng)建定制 PDN 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)是可能的，但電源設(shè)計(jì)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。很少有工程師具備滿足應(yīng)用和法規(guī)要求所需的技能或經(jīng)驗(yàn)。模塊化方法是一種更簡單、更好的選擇。

　　模塊化 PDN 設(shè)計(jì)取決于電源模塊庫存的可用性，該電源模塊庫存提供廣泛的電源相關(guān)功能，以實(shí)現(xiàn)靈活且可擴(kuò)展的架構(gòu)(圖 2)。

　　圖 2：模塊化 PDN 設(shè)計(jì)依賴于提供各種解決方案的供應(yīng)商來確保靈活性和可擴(kuò)展性。 (圖片來源：Vicor)

　　基本的分區(qū) PDN 架構(gòu)(左上)將 48 伏電源分配給本地 DC/DC 模塊化轉(zhuǎn)換器，將電壓降至所需水平。如果負(fù)載要求發(fā)生變化，則可以簡單升級(jí)到具有更高額定功率的模塊(上中)。添加新負(fù)載只需添加另一個(gè)模塊化轉(zhuǎn)換器(右上)。無需更改源配置。

　　通過對(duì)分比式架構(gòu)(左下)進(jìn)行微小更改即可減少電源軌損耗。分比式架構(gòu)將功率調(diào)節(jié)和電壓/電流轉(zhuǎn)換分成兩個(gè)獨(dú)立的模塊。預(yù)調(diào)節(jié)器模塊 (PRM) 管理電壓調(diào)節(jié)功能。感測分比總線電流以調(diào)節(jié)電源軌的輸出電壓。變壓模塊 (VTM) 的作用與直流變壓器類似，可管理電壓降低/電流倍增。 VTM 比完整的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊更小，并且可以放置在更靠近負(fù)載的位置，以減少電阻損耗。此外，其低輸出阻抗需要更小的輸出電容器。這意味著較小的陶瓷電容器可以取代負(fù)載附近較大的大容量電容器。

　　通過并聯(lián)多個(gè)轉(zhuǎn)換器模塊(中下)可以滿足更大功率的需求。更新到更高的電壓源，如 400 或 800 伏，可以通過添加固定比率降壓模塊和總線轉(zhuǎn)換器模塊 (BCM) 將源電壓降低至安全超低電壓 (SELV) 總線水平來實(shí)現(xiàn)(右下)。請(qǐng)注意，SELV 總線是一項(xiàng)安全標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了電氣設(shè)備的最大電壓限制，以確保免受電擊的安全。 SELV 電壓水平通常低于 53 伏。

　　這些示例讓我們了解區(qū)域架構(gòu)的靈活性和可擴(kuò)展性。 Vicor 在其 DCM 系列中提供了廣泛的轉(zhuǎn)換器模塊，適合這些不同的應(yīng)用。該公司在電源模塊設(shè)計(jì)方面率先取得了多項(xiàng)革命性進(jìn)展，包括封裝轉(zhuǎn)換器 (ChiP) 和 Vicor 集成適配器 (VIA) 封裝(圖 3)。

　　圖 3：DCM 系列的 ChiP 和 VIA 物理配置示例。 (圖片來源：Vicor)

　　與早期封裝配置相比，這些封裝的功率密度提高了四倍，同時(shí)功率損耗降低了 20%。 ChiP 使用通過高密度基板安裝的磁性結(jié)構(gòu)。其他組件采用雙面布局安裝，使功率密度加倍。組件在封裝內(nèi)對(duì)稱布局，以增強(qiáng)熱性能。這種先進(jìn)的布局以及優(yōu)化的模塑料材料可改善熱路徑。 ChiP 模塊的頂面和底面熱阻較低?？梢允褂脽狁詈系巾敳亢偷撞勘砻娴纳崞饕约巴ㄟ^電氣連接來增強(qiáng)冷卻。 VIA 模塊增加了集成電磁干擾 (EMI) 濾波、更好的輸出電壓調(diào)節(jié)、以及基本“磚”結(jié)構(gòu)元素的輔助控制界面。

　　DCM 系列 DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊示例

　　DCM 系列是穩(wěn)壓隔離式通用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的一個(gè)示例。該轉(zhuǎn)換器采用未穩(wěn)壓的寬電壓范圍源作為輸入，可產(chǎn)生高達(dá) 1300 瓦的穩(wěn)壓功率輸出，輸出電流高達(dá) 46.43 安培 (A)。它在輸入和輸出之間提供高達(dá) 4,242 伏的直流隔離。隔離是指電流隔離，意味著輸入和輸出之間沒有電流直接流動(dòng)。如果輸入電壓可能對(duì)人體有害，則安全標(biāo)準(zhǔn)可能需要這種隔離。使輸出相對(duì)于輸入浮動(dòng)還允許輸出極性反轉(zhuǎn)或移位。

　　DCM 系列采用零電壓開關(guān) (ZVS) 拓?fù)?，通過軟開關(guān)功率器件來降低傳統(tǒng) PWM 轉(zhuǎn)換器中常見的高導(dǎo)通損耗。 ZVS 允許在更高的頻率和更高的輸入電壓下運(yùn)行，而不會(huì)犧牲效率。這些轉(zhuǎn)換器的工作開關(guān)頻率范圍為 500 千赫茲 (kHz) 到接近 1 兆赫茲 (MHz)。使用這種高開關(guān)頻率還可以減小相關(guān)磁性和電容儲(chǔ)能組件的尺寸，從而提高功率密度。功率密度和效率分別高達(dá) 1244 瓦/立方英寸 (W/in. 3 ) 和 96%。

　　DCM 系列提供三種封裝尺寸：DCM2322、DCM3623 和 DCM4623，具有重疊的輸入電壓范圍和輸出功率級(jí)別(圖 4)。

　　圖 4：所示為 DCM 系列 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的電氣特性匯總圖，包括輸入和輸出電壓范圍。 (圖片來源：Vicor)

　　三個(gè)系列轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍涵蓋 9 至 420 伏，SELV 輸出的步進(jìn)范圍為 3 至 52.8 伏直流。輸出電壓限制可在標(biāo)稱輸出電壓的 -40% 至 +10% 范圍內(nèi)調(diào)整。輸出具有完全工作電流限制，可根據(jù)最大平均功率輸出將轉(zhuǎn)換器保持在安全工作區(qū)域內(nèi)，無論輸出電壓設(shè)置如何。

　　DCM 系列包括針對(duì)輸入欠壓和/或過壓、過溫、輸出過壓、輸出過流和輸出短路的故障保護(hù)。

　　表 1 顯示了多種 DCM 產(chǎn)品的示例，包括所有三種封裝尺寸以及一系列輸入電壓和最大功率范圍。

　　表 1：常用 DCM 轉(zhuǎn)換器的特性說明了可滿足各種應(yīng)用要求的輸入電壓、輸出電壓和功率級(jí)別范圍。 (表格來源：Art Pini)

　　該表總結(jié)了每個(gè)示例 DCM 轉(zhuǎn)換器的主要特性并提供了它們的物理尺寸。這是各種可用 DCM 模型的一個(gè)小樣本。

　　典型應(yīng)用

　　DCM轉(zhuǎn)換器可以單獨(dú)應(yīng)用，大多數(shù)也可以并聯(lián)運(yùn)行。單獨(dú)使用時(shí)，輸出可為多個(gè)負(fù)載供電，包括非隔離負(fù)載點(diǎn) (POL) 穩(wěn)壓器(圖 5)。

　　圖 5：所示為 DCM3623T75H06A6T00 驅(qū)動(dòng)直接負(fù)載以及非隔離 POL 穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用。 (圖片來源：Vicor)

　　該電路很簡單。組件 L1、C1、R4、C4 和 Cy 構(gòu)成輸入 EMI 濾波器。輸出電容器 C Out-Ext與 R Out-Ext一起提供控制環(huán)路穩(wěn)定性。電阻器可以是電容器的有效串聯(lián)電阻(ESR)，其值約為10毫歐(mΩ)。電容器的位置必須靠近轉(zhuǎn)換器的輸出引腳。 R dm、L b、 L 2和C 2形成差模輸出濾波器。濾波器的截止頻率設(shè)置為開關(guān)頻率的十分之一。

　　大多數(shù) DCM 轉(zhuǎn)換器都可以在其輸出并聯(lián)的情況下運(yùn)行(陣列模式)。通過組合多達(dá)八個(gè)模塊的輸出，可以增加提供給負(fù)載的功率輸出(圖 6)。

　　圖 6：該電路顯示了驅(qū)動(dòng)公共負(fù)載的四個(gè) DCM 轉(zhuǎn)換器的并行陣列操作。 (圖片來源：Vicor)

　　外部組件執(zhí)行與單個(gè)轉(zhuǎn)換器示例中相同的功能。在陣列模式下，每個(gè) DCM 模塊必須在任何串聯(lián)電感之前看到輸出電容的最小值，并且它必須位于比輸出結(jié)更靠近各個(gè)轉(zhuǎn)換器的位置。在所有“N”個(gè) DCM 模塊同時(shí)啟動(dòng)的陣列中，輸出電容的最大值可能高達(dá) C out-Ext 的N 倍。還要求電源阻抗小于 DCM 陣列輸入阻抗的一半，以確保穩(wěn)定性并最大限度地減少振鈴。

　　結(jié)論

　　車輛和電動(dòng)汽車等應(yīng)用正在經(jīng)歷從集中式 PDN 架構(gòu)向分散式 PDN 架構(gòu)的顯著轉(zhuǎn)變。滿足相關(guān)效率、功率密度和重量要求所需的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器對(duì)于使用分立元件進(jìn)行設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性。相反，設(shè)計(jì)人員可以通過使用 Vicor 的 DCM 系列模塊化電源解決方案來減少時(shí)間和成本。如圖所示，這些模塊處于 ChiP 和 VIA 等先進(jìn)封裝的前沿，創(chuàng)新的 ZVS 拓?fù)渚哂锌蓴U(kuò)展性和多功能性，可滿足各種不同的應(yīng)用。