作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

電動汽車 (EV) 電源傳輸網(wǎng)絡 (PDN) 正在發(fā)生迅速變化。如 12 V 鉛酸電池等傳統(tǒng)電源正在被 48 V 或更高電壓的電源取代。與此同時，許多電機、泵、傳感器和執(zhí)行器仍在傳統(tǒng)電壓水平下運行。因此，必須有效地降低較高一級的電壓，并將其分配給這些不同的負載。為了在實現(xiàn)這一目標的同時最大限度地減少電阻壓降和相關的功率損耗，電源系統(tǒng)架構(gòu)師正將電源系統(tǒng)架構(gòu)從集中方法（在電源附近安裝大型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)向分散架構(gòu)（將高壓分配到每個低壓負載附近的功率轉(zhuǎn)換器）。

這種分散式 PDN 需要功率密度高、效率最優(yōu)、占地面積小的輕型電源。雖然使用傳統(tǒng)的分立元件自行設計這些轉(zhuǎn)換器對設計優(yōu)化來說很有誘惑力，但也是一項艱巨的任務。

還有一個更好的選擇：來自設計經(jīng)驗豐富的供應商提供的現(xiàn)成模塊化器件，以及滿足諸如輸入電壓范圍、輸出電壓、功率、密度和效率等 PDN 要求的各種不同的解決方案。

本文將討論現(xiàn)代 PDN 的需求和典型的電源要求。本文還將以 [Vicor] 的模塊化電源解決方案為例進行介紹，并展示如何將其應用于高性能和高性價比 PDN。

PDN 的演變

電動和混合動力電動汽車要求有最大續(xù)航里程和最短的充電時間，同時還要為駕駛員和乘客提供全方位的服務。這些要求的重點在于設計高效、輕便。因此，汽車制造商正在從集中式 PDN 架構(gòu)向分散式分區(qū)架構(gòu)過渡（圖 1）。

[]圖 1：集中式架構(gòu)將電源電壓轉(zhuǎn)換為接近電源的 12 V 負載電壓，并將其分配到整個車內(nèi)；分散式分區(qū)結(jié)構(gòu)將電源電壓分配到本地 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，并有轉(zhuǎn)換器將電壓降至盡可能靠近負載的 12 V。（圖片來源：Vicor）

集中式架構(gòu)通過一個“銀箱”將 48 V 電源轉(zhuǎn)換為 12 V。其中，銀箱是一種采用老式低頻脈寬調(diào)制 (PWM) 開關拓撲結(jié)構(gòu)的大型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。然后，由“銀箱”以 12 V 電壓輸出電能。在負載輸入功率已知的情況下，12 V 電壓下的電流是 48 V 電壓下電流的四倍。這意味著電阻功率損耗高出 16 倍，因電阻的功率與電流的平方成正比。

另一方面，分區(qū)式架構(gòu)將 48 V 電源分配到各個分區(qū)，由更小、效率更高的 48 V 至 12 V DC/DC 轉(zhuǎn)換器為負載供電。較低的電流水平需要較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(zhuǎn)換器的位置更靠近負載，以盡量減少 12 V 電源線的長度。

在分區(qū)式系統(tǒng)中，熱源廣泛分布在車輛的各個區(qū)域，而不是集中在熱源附近。這就改善了整體散熱性能，使每個轉(zhuǎn)換器都能在較低溫度環(huán)境中運行。因此，實現(xiàn)了更高的效率和可靠性。

設計 PDN 電源

雖然可以使用分立元件創(chuàng)建定制型 PDN 轉(zhuǎn)換器設計，但電源設計是一項艱巨的任務。很少工程師能擁有滿足應用和監(jiān)管要求所需的技能或經(jīng)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供貨能力，這種模塊具有各種電源相關功能，從而可實現(xiàn)靈活且可擴展的架構(gòu)（圖 2）。

[]圖 2：模塊化 PDN 設計依賴于擁有多種解決方案的供應商，以確保靈活性和可擴展性。（圖片來源：Vicor）

基本的分區(qū)式 PDN 架構(gòu)（左上）將 48 V 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。如果負載要求發(fā)生變化，只需升級到額定功率更高的模塊即可（中上）。增加一個新負載只需增加一個模塊轉(zhuǎn)換器（右上）。無需更改源配置。

只需對分比式架構(gòu)稍作改動，就能減少電源軌損耗（左下）。因分比式架構(gòu)將功率調(diào)節(jié)和電壓/電流轉(zhuǎn)換分成兩個獨立的模塊。預調(diào)節(jié)模塊 (PRM) 管理電壓的調(diào)節(jié)功能。通過檢測分比式總線電流來調(diào)節(jié)電源軌輸出電壓。電壓轉(zhuǎn)換模塊 (VTM) 的作用類似于 DC 變壓器，用于管理電壓降低/電流倍增。VTM 比完整的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊更小，可以置于更靠近負載的位置，從而減少電阻損耗。此外，由于其輸出阻抗較低，因此需要較小的輸出電容器。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(lián)多個轉(zhuǎn)換器模塊（中下），可滿足更大的功率需求。通過增加一個固定比率降壓模塊和一個總線轉(zhuǎn)換器模塊 (BCM)，將源電壓降至安全的超低電壓 (SELV) 總線水平（右下），就可以升級至更高的電壓源，如 400 V 或 800 V。請注意，SELV 總線是一項安全標準，規(guī)定了電氣設備的最高電壓極限值，以確保安全，防止電擊。SELV 電壓水平一般低于 53 V。

通過這些示例，我們可以了解分區(qū)架構(gòu)的靈活性和可擴展性。Vicor 在其 DCM 系列中提供了各種不同的轉(zhuǎn)換器模塊，以適應這些不同的到應用。該公司率先在電源模塊設計方面取得了多項革命性的進展，包括轉(zhuǎn)換器封裝 (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）

與早期的封裝配置相比，這些封裝將功率密度提高了 4 倍，將功率損耗降低了 20%。ChiP 使用通過高密度基板安裝的磁性結(jié)構(gòu)。其他元件采用雙面布局安裝，以提高功率密度。元件在封裝內(nèi)采用對稱布局，可增強散熱性能。這種先進的布局，加上經(jīng)過優(yōu)化的模具復合材料，改善了散熱路徑。ChiP 模塊的頂部和底部表面熱阻較低。可以使用與頂部和底部表面以及通過電氣連接進行熱耦合的散熱片來加強冷卻。VIA 模塊在基本的“轉(zhuǎn)型”結(jié)構(gòu)元件上增加了集成電磁干擾 (EMI) 濾波、更好的輸出電壓調(diào)節(jié)和二次控制接口。

DCM 系列 DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊示例

例如，DCM 系列就屬于一種通用型穩(wěn)壓、隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器采用非穩(wěn)壓寬電壓范圍源作為輸入，提供最高可達 1300 W 的穩(wěn)壓型功率輸出，其輸出電流最高可達 46.43 A。該器件在輸入和輸出之間提供高達 4,242 V 的直流隔離。隔離指的是電隔離，即沒有在輸入和輸出之間直接流動的電流。按照安全標準的規(guī)定，如果輸入電壓可能對人體有害，就需要采用這種隔離。如果輸出相對于輸入浮動，還允許輸出極性反轉(zhuǎn)或偏移。

DCM 系列采用零電壓開關 (ZVS) 拓撲，通過軟開關功率器件，降低了傳統(tǒng) PWM 轉(zhuǎn)換器中常見的高導通損耗。ZVS 可以在更高的頻率和輸入電壓下運行，而不會降低效率。這種轉(zhuǎn)換器的開關頻率為從 500 kHz 到接近 1 MHz 不等。使用這種高開關頻率還能減小相關的磁性和電容儲能元件的大小，從而提高功率密度。功率密度和效率可分別達到 1244 W/in. ^3^ ）和 96%。

DCM 系列包括三種封裝尺寸：DCM2322、DCM3623 和 DCM4623，具有重疊的輸入電壓范圍和輸出功率水平（圖 4）。

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

這三個系列轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為 9 V 至 420 V，SELV 輸出的直流電壓步進范圍為 3 V 至 52.8 V。輸出電壓極限值可在額定輸出電壓的 -40% 至 +10% 范圍內(nèi)進行微調(diào)。無論輸出電壓設置如何，輸出都具有完全工作電流限制，以最大平均輸出功率為基礎，確保轉(zhuǎn)換器在安全范圍內(nèi)工作。

DCM 系列包括輸入欠壓和/或過壓、過熱、輸出過壓、輸出過流和輸出短路等故障保護。

表 1 列出了幾種 DCM 產(chǎn)品，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。

| | 型號 | 輸出電壓 | 最大輸出電流 | 最大輸出功率 | 輸入電壓范圍 | 最高效率 | 尺寸 | 功率密度 | 單位陣列模式 # |
| ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ | ---------- | -------------- | -------------- | ---------------- | ---------- | --------------------------------------------------------- | ------------- | ---------------- |
| [DCM2322T50T2660T60] | 24 V | 2.5 A | 60 W | 9 V 至 50 V | 88.7% | 0.978" x 0.898" x 0.284"
[24.84 mm x 22.8 mm x 7.21 mm] | 241 W/in.3 | 8 |
| [DCM2322TA5N13A2T60] | 12 V | 10 A | 120 W | 43 V 至 154 V | 91.4% | 0.978" x 0.898" x 0.284"
[24.84 mm x 22.8 mm x 7.21 mm] | 481 W/in.3 | 8 |
| [DCM3623T75H06A6T00] | 5 V | 32 A | 160 W | 36 V 至 75 V | 91.2% | 1.524" x 0.898" x 0.284" [38.72 mm x 22.8 mm x 7.21 mm] | 412 W/in.3 | 8 |
| [DCM3623TA5N31B4T70] | 28 V | 8.6 A | 240 W | 43 V 至 154 V | 92.7% | 1.524" x 0.898" x 0.284" [38.72 mm x 22.8 mm x 7.21 mm] | 653 W/in.3 | 不適用 |
| [MDCM270P050M250A40] | 5 V | 50 A | 250 W | 160 V 至 420 V | 91.1% | 1.886" x 0.898" x 0.284" [47.91 mm x 22.8 mm x 7.21 mm] | 520 W/in.3 | 8 |

表 1：常用 DCM 轉(zhuǎn)換器的特性說明了可滿足各種應用要求的輸入電壓、輸出電壓和功率水平的范圍。（表來源：Art Pini）

下表總結(jié)了每個 DCM 轉(zhuǎn)換器的主要特點并給出了這些器件的外形尺寸。這只是眾多現(xiàn)有 DCM 型號中的一小部分。

典型應用

DCM 轉(zhuǎn)換器可以單獨使用，且大多數(shù)也可以并聯(lián)使用。單獨使用時，輸出可向多個負載供電，包括非隔離式負載點 (POL) 穩(wěn)壓器（圖 5）。

[]圖 5：所示為 DCM3623T75H06A6T00 驅(qū)動直接負載和非隔離式 POL 穩(wěn)壓器的典型應用。（圖片來源：Vicor）

電路簡單明了。元件 L1、C1、R4、C4 和 Cy 構(gòu)成輸入 EMI 濾波器。輸出電容器 COut-Ext 與 ROut-Ext 用于實現(xiàn)控制回路的穩(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 mΩ。電容器的位置必須靠近轉(zhuǎn)換器的輸出引腳。R dm 、L b 、~ L2~~ 和 C2~ 組成了差模輸出濾波器。濾波器的截止頻率設定為開關頻率的十分之一。

大多數(shù) DCM 轉(zhuǎn)換器可以并聯(lián)輸出運行（陣列模式）。通過合并多達八個模塊的輸出，可增加向負載提供的功率輸出（圖 6）。

[]圖 6：所示電路為四個 DCM 轉(zhuǎn)換器采用并聯(lián)陣列驅(qū)動一個公共負載。（圖片來源：Vicor）

外部元件的功能與示例中的單獨轉(zhuǎn)換器相同。在陣列模式下，每個 DCM 模塊都必須在串聯(lián)電感之前具有最小的輸出電容值，而且必須更靠近單獨的轉(zhuǎn)換器而不是輸出結(jié)點。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達到 N 倍 C out-Ext 。此外，還要求電源阻抗小于 DCM 陣列輸入阻抗的二分之一，以確保穩(wěn)定性并盡量減少振鈴。

結(jié)束語

車輛和電動汽車等應用正從集中式向分散式 PDN 架構(gòu)轉(zhuǎn)變。使用分立元件設計滿足相關效率、功率密度和重量要求所需的 DC/DC 換器極具挑戰(zhàn)性。相反，Vicor 的 DCM 系列模塊化電源解決方案可以讓設計人員減少時間和成本。如圖所示，這些模塊處于 ChiP 和 VIA 等先進封裝的最前沿，創(chuàng)新型 ZVS 拓撲具有可擴展性和多功能性，可滿足各種不同的應用需求。