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來(lái)源：DigiKey 作者：Art Pini 電動(dòng)汽車(chē) (EV) 電源傳輸網(wǎng)絡(luò ) (PDN) 正在發(fā)生迅速變化。如 12 V 鉛酸電池等傳統電源正在被 48 V 或更高電壓的電源取代。與此同時(shí)，許多電機、泵、傳感器和執行器仍在傳統電壓水平下運行。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(shí)現這一目標的同時(shí)最大限度地減少電阻壓降和相關(guān)的功率損耗，電源系統架構師正將電源系統架構從集中方法（在電源附近安裝大型 DC/DC 轉換器）轉向分散架構（將高壓分配到每個(gè)低壓負載附近的功率轉換器）。 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。雖然使用傳統的分立元件自行設計這些轉換器對設計優(yōu)化來(lái)說(shuō)很有誘惑力，但也是一項艱巨的任務(wù)。 還有一個(gè)更好的選擇：來(lái)自設計經(jīng)驗豐富的供應商提供的現成模塊化器件，以及滿(mǎn)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(jìn)行介紹，并展示如何將其應用于高性能和高性?xún)r(jià)比 PDN。 PDN 的演變 電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)要求有最大續航里程和最短的充電時(shí)間，同時(shí)還要為駕駛員和乘客提供全方位的服務(wù)。這些要求的重點(diǎn)在于設計高效、輕便。因此，汽車(chē)制造商正在從集中式 PDN 架構向分散式分區架構過(guò)渡（圖 1）。 
圖 1：集中式架構將電源電壓轉換為接近電源的 12 V 負載電壓，并將其分配到整個(gè)車(chē)內；分散式分區結構將電源電壓分配到本地 DC/DC 轉換器，并有轉換器將電壓降至盡可能靠近負載的 12 V。（圖片來(lái)源：Vicor） 集中式架構通過(guò)一個(gè)“銀箱”將 48 V 電源轉換為 12 V。其中，銀箱是一種采用老式低頻脈寬調制 (PWM) 開(kāi)關(guān)拓撲結構的大型 DC/DC 轉換器。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(zhù)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，分區式架構將 48 V 電源分配到各個(gè)分區，由更小、效率更高的 48 V 至 12 V DC/DC 轉換器為負載供電。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(xiàn)束成本更低，重量更輕。本地轉換器的位置更靠近負載，以盡量減少 12 V 電源線(xiàn)的長(cháng)度。 在分區式系統中，熱源廣泛分布在車(chē)輛的各個(gè)區域，而不是集中在熱源附近。這就改善了整體散熱性能，使每個(gè)轉換器都能在較低溫度環(huán)境中運行。因此，實(shí)現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 轉換器設計，但電源設計是一項艱巨的任務(wù)。很少工程師能擁有滿(mǎn)足應用和監管要求所需的技能或經(jīng)驗。模塊化方法是一種更簡(jiǎn)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(guān)功能，從而可實(shí)現靈活且可擴展的架構（圖 2）。
圖 2：模塊化 PDN 設計依賴(lài)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(lái)源：Vicor） 基本的分區式 PDN 架構（左上）將 48 V 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(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(gè)新負載只需增加一個(gè)模塊轉換器（右上）。無(wú)需更改源配置。 只需對分比式架構稍作改動(dòng)，就能減少電源軌損耗（左下）。因分比式架構將功率調節和電壓/電流轉換分成兩個(gè)獨立的模塊。預調節模塊 (PRM) 管理電壓的調節功能。通過(guò)檢測分比式總線(xiàn)電流來(lái)調節電源軌輸出電壓。電壓轉換模塊 (VTM) 的作用類(lèi)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(zhù)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(guò)并聯(lián)多個(gè)轉換器模塊（中下），可滿(mǎn)足更大的功率需求。通過(guò)增加一個(gè)固定比率降壓模塊和一個(gè)總線(xiàn)轉換器模塊 (BCM)，將源電壓降至安全的超低電壓 (SELV) 總線(xiàn)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(xiàn)是一項安全標準，規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(guò)這些示例，我們可以了解分區架構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(jìn)展，包括轉換器封裝 (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(lái)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(guò)高密度基板安裝的磁性結構。其他元件采用雙面布局安裝，以提高功率密度。元件在封裝內采用對稱(chēng)布局，可增強散熱性能。這種先進(jìn)的布局，加上經(jīng)過(guò)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�？梢允褂门c頂部和底部表面以及通過(guò)電氣連接進(jìn)行熱耦合的散熱片來(lái)加強冷卻。VIA 模塊在基本的“轉型”結構元件上增加了集成電磁干擾 (EMI) 濾波、更好的輸出電壓調節和二次控制接口。 DCM 系列 DC/DC 轉換器模塊示例 例如，DCM 系列就屬于一種通用型穩壓、隔離式 DC/DC 轉換器。這種轉換器采用非穩壓寬電壓范圍源作為輸入，提供最高可達 1300 W 的穩壓型功率輸出，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(méi)有在輸入和輸出之間直接流動(dòng)的電流。按照安全標準的規定，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(dòng)，還允許輸出極性反轉或偏移。 DCM 系列采用零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 拓撲，通過(guò)軟開(kāi)關(guān)功率器件，降低了傳統 PWM 轉換器中常見(jiàn)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(huì )降低效率。這種轉換器的開(kāi)關(guān)頻率為從 500 kHz 到接近 1 MHz 不等。使用這種高開(kāi)關(guān)頻率還能減小相關(guān)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(lái)源：Vicor） 這三個(gè)系列轉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(jìn)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% 范圍內進(jìn)行微調。無(wú)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，確保轉換器在安全范圍內工作。 DCM 系列包括輸入欠壓和/或過(guò)壓、過(guò)熱、輸出過(guò)壓、輸出過(guò)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。
表 1：常用 DCM 轉換器的特性說(shuō)明了可滿(mǎn)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(lái)源：Art Pini） 下表總結了每個(gè) DCM 轉換器的主要特點(diǎn)并給出了這些器件的外形尺寸。這只是眾多現有 DCM 型號中的一小部分。 典型應用 DCM 轉換器可以單獨使用，且大多數也可以并聯(lián)使用。單獨使用時(shí)，輸出可向多個(gè)負載供電，包括非隔離式負載點(diǎn) (POL) 穩壓器（圖 5）。
圖 5：所示為 DCM3623T75H06A6T00 驅動(dòng)直接負載和非隔離式 POL 穩壓器的典型應用。（圖片來(lái)源：Vicor） 電路簡(jiǎn)單明了。元件 L1、C1、R4、C4 和 Cy 構成輸入 EMI 濾波器。輸出電容器 COut-Ext 與 ROut-Ext 用于實(shí)現控制回路的穩定性。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換器的輸出引腳。Rdm、Lb、 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(kāi)關(guān)頻率的十分之一。 大多數 DCM 轉換器可以并聯(lián)輸出運行（陣列模式）。通過(guò)合并多達八個(gè)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(gè) DCM 轉換器采用并聯(lián)陣列驅動(dòng)一個(gè)公共負載。（圖片來(lái)源：Vicor） 外部元件的功能與示例中的單獨轉換器相同。在陣列模式下，每個(gè) 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換器而不是輸出結點(diǎn)。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達到 N 倍 Cout-Ext。此外，還要求電源阻抗小于 DCM 陣列輸入阻抗的二分之一，以確保穩定性并盡量減少振鈴。 結束語(yǔ) 車(chē)輛和電動(dòng)汽車(chē)等應用正從集中式向分散式 PDN 架構轉變。使用分立元件設計滿(mǎn)足相關(guān)效率、功率密度和重量要求所需的 DC/DC 換器極具挑戰性。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(shí)間和成本。如圖所示，這些模塊處于 ChiP 和 VIA 等先進(jìn)封裝的最前沿，創(chuàng )新型 ZVS 拓撲具有可擴展性和多功能性，可滿(mǎn)足各種不同的應用需求。 |
