作者：Art Pini

　　電動汽車 (EV) 供電網絡 (PDN) 正在迅速變化。 12 伏鉛酸電池等傳統電源正在讓位于 48 伏或更高電壓的電源。與此同時，許多電機、泵、傳感器和執行器仍然在傳統電壓水平下運行。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載。為了實現這一目標，同時最大限度地減少電阻電壓降和相關的功率損耗，電力系統架構師正在從集中式方法(在電源附近使用大型 DC/DC 轉換器)轉向分散式架構(其中將高壓分配到每個電源附近的電源轉換器)。的較低電壓負載)。

　　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。盡管使用傳統的分立元件在內部設計這些轉換器可能很容易優化設計，但這也可能是一項艱巨的任務。

　　還有更好的選擇：來自具有豐富設計經驗的供應商提供的現成模塊化設備，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用于高性能、經濟高效的 PDN。

　　PDN演進

　　電動和混合動力電動汽車需要最大的行駛里程和最短的充電時間，同時為駕駛員和乘客提供全方位的服務。這些要求強調高效、輕量級的設計。因此，汽車制造商正在從集中式 PDN 架構過渡到分散式區域架構(圖 1)。

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

　　集中式架構通過“銀盒”將 48 伏電源轉換為 12 伏電壓，“銀盒”是一種大型 DC/DC 轉換器，使用較舊的低頻脈寬調制 (PWM) 開關拓撲。然后從銀盒分配 12 伏電源。對于輸送至負載的給定功率，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，分區架構將 48 伏電源分配到局部區域，在局部區域由更小、效率更高的 48 至 12 伏 DC/DC 轉換器為負載供電。較低的電流水平需要更小的導體和連接器橫截面，從而使線束成本更低、重量更輕。本地轉換器放置在靠近負載的位置，以最大限度地縮短 12 伏電源接線的長度。

　　在分區系統中，熱源廣泛分布在車輛的各個區域，而不是集中在熱源附近。這改善了整體散熱，使各個轉換器能夠在較低溫度環境下運行。其結果是更高的運行效率和更高的可靠性。

　　設計 PDN 電源

　　盡管使用分立元件創建定制 PDN 轉換器設計是可能的，但電源設計是一項艱巨的任務。很少有工程師具備滿足應用和法規要求所需的技能或經驗。模塊化方法是一種更簡單、更好的選擇。

　　模塊化 PDN 設計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功能，以實現靈活且可擴展的架構(圖 2)。

　　圖 2：模塊化 PDN 設計依賴于提供各種解決方案的供應商來確保靈活性和可擴展性。 (圖片來源：Vicor)

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

　　通過對分比式架構(左下)進行微小更改即可減少電源軌損耗。分比式架構將功率調節和電壓/電流轉換分成兩個獨立的模塊。預調節器模塊 (PRM) 管理電壓調節功能。感測分比總線電流以調節電源軌的輸出電壓。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 轉換器模塊更小，并且可以放置在更靠近負載的位置，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載附近較大的大容量電容器。

　　通過并聯多個轉換器模塊(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) 總線水平來實現(右下)。請注意，SELV 總線是一項安全標準，規定了電氣設備的最大電壓限制，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域架構的靈活性和可擴展性。 Vicor 在其 DCM 系列中提供了廣泛的轉換器模塊，適合這些不同的應用。該公司在電源模塊設計方面率先取得了多項革命性進展，包括封裝轉換器 (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，同時功率損耗降低了 20%。 ChiP 使用通過高密度基板安裝的磁性結構。其他組件采用雙面布局安裝，使功率密度加倍。組件在封裝內對稱布局，以增強熱性能。這種先進的布局以及優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。可以使用熱耦合到頂部和底部表面的散熱器以及通過電氣連接來增強冷卻。 VIA 模塊增加了集成電磁干擾 (EMI) 濾波、更好的輸出電壓調節、以及基本“磚”結構元素的輔助控制界面。

　　DCM 系列 DC/DC 轉換器模塊示例

　　DCM 系列是穩壓隔離式通用 DC/DC 轉換器的一個示例。該轉換器采用未穩壓的寬電壓范圍源作為輸入，可產生高達 1300 瓦的穩壓功率輸出，輸出電流高達 46.43 安培 (A)。它在輸入和輸出之間提供高達 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。如果輸入電壓可能對人體有害，則安全標準可能需要這種隔離。使輸出相對于輸入浮動還允許輸出極性反轉或移位。

　　DCM 系列采用零電壓開關 (ZVS) 拓撲，通過軟開關功率器件來降低傳統 PWM 轉換器中常見的高導通損耗。 ZVS 允許在更高的頻率和更高的輸入電壓下運行，而不會犧牲效率。這些轉換器的工作開關頻率范圍為 500 千赫茲 (kHz) 到接近 1 兆赫茲 (MHz)。使用這種高開關頻率還可以減小相關磁性和電容儲能組件的尺寸，從而提高功率密度。功率密度和效率分別高達 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別(圖 4)。

　　圖 4：所示為 DCM 系列 DC/DC 轉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)

　　三個系列轉換器的輸入電壓范圍涵蓋 9 至 420 伏，SELV 輸出的步進范圍為 3 至 52.8 伏直流。輸出電壓限制可在標稱輸出電壓的 -40% 至 +10% 范圍內調整。輸出具有完全工作電流限制，可根據最大平均功率輸出將轉換器保持在安全工作區域內，無論輸出電壓設置如何。

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

　　表 1 顯示了多種 DCM 產品的示例，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 轉換器的特性說明了可滿足各種應用要求的輸入電壓、輸出電壓和功率級別范圍。 (表格來源：Art Pini)

　　該表總結了每個示例 DCM 轉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 模型的一個小樣本。

　　典型應用

　　DCM轉換器可以單獨應用，大多數也可以并聯運行。單獨使用時，輸出可為多個負載供電，包括非隔離負載點 (POL) 穩壓器(圖 5)。

　　圖 5：所示為 DCM3623T75H06A6T00 驅動直接負載以及非隔離 POL 穩壓器的典型應用。 (圖片來源：Vicor)

　　該電路很簡單。組件 L1、C1、R4、C4 和 Cy 構成輸入 EMI 濾波器。輸出電容器 C Out-Ext與 R Out-Ext一起提供控制環路穩定性。電阻器可以是電容器的有效串聯電阻(ESR)，其值約為10毫歐(mΩ)。電容器的位置必須靠近轉換器的輸出引腳。 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置為開關頻率的十分之一。

　　大多數 DCM 轉換器都可以在其輸出并聯的情況下運行(陣列模式)。通過組合多達八個模塊的輸出，可以增加提供給負載的功率輸出(圖 6)。

　　圖 6：該電路顯示了驅動公共負載的四個 DCM 轉換器的并行陣列操作。 (圖片來源：Vicor)

　　外部組件執行與單個轉換器示例中相同的功能。在陣列模式下，每個 DCM 模塊必須在任何串聯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更靠近各個轉換器的位置。在所有“N”個 DCM 模塊同時啟動的陣列中，輸出電容的最大值可能高達 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，以確保穩定性并最大限度地減少振鈴。

　　結論

　　車輛和電動汽車等應用正在經歷從集中式 PDN 架構向分散式 PDN 架構的顯著轉變。滿足相關效率、功率密度和重量要求所需的 DC/DC 轉換器對于使用分立元件進行設計具有挑戰性。相反，設計人員可以通過使用 Vicor 的 DCM 系列模塊化電源解決方案來減少時間和成本。如圖所示，這些模塊處于 ChiP 和 VIA 等先進封裝的前沿，創新的 ZVS 拓撲具有可擴展性和多功能性，可滿足各種不同的應用。