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高帶寬和軟開(kāi)關(guān)拓撲是應對當前苛刻的電動(dòng)汽車(chē)電源電子技術(shù)挑戰的理想解決方案 陳雋恆 VICOR中國汽車(chē)業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)部高級經(jīng)理 汽車(chē)電氣化可能是我們這個(gè)時(shí)代影響最廣的電源挑戰。這是汽車(chē) OEM 廠(chǎng)商在從內燃機向純電動(dòng)汽車(chē)轉型的過(guò)程中面臨的一個(gè)全球性問(wèn)題。各地的研發(fā)團隊都在探索新的方法，試圖找到更好的解決方案來(lái)解決新舊電源的難題。 在標準電動(dòng)汽車(chē) (EV) 中，主要的設計考慮因素是配電與架構。當然，這些系統可能很復雜，其中整個(gè)車(chē)輛依靠電池（400V 或 800V）為低壓控制電子設備 (12V)提供了高壓直流， 還有一個(gè)由 AC 電源供電的電機。 在這種框架中，高壓母線(xiàn)上需要 DC-DC 轉換器來(lái)將電壓降至較低水平，以便為下游負載供電。這些轉換器依賴(lài)于數百K赫茲的高頻率開(kāi)關(guān)。因此，它們是系統內常見(jiàn)的電磁干擾 (EMI) 源。為了抵消其產(chǎn)生 EMI ，需要在 DC-DC 轉換器輸入端部署專(zhuān)用 EMI 濾波器，將其作為低通濾波器，衰減超過(guò)截止頻率的噪聲。 電源架構中另一個(gè)不可或缺的組件是電機驅動(dòng)器，它是將電池的 DC 輸出轉換為 AC ，為電動(dòng)汽車(chē)電機供電的必需品。在能量再生和推進(jìn)過(guò)程中，電機驅動(dòng)器會(huì )在系統的高壓母線(xiàn)中產(chǎn)生多余的高壓紋波。這種紋波給 DC-DC 轉換器及其相關(guān)濾波器的安全性、可靠性及使用壽命帶來(lái)了重大挑戰（圖 1）。 
圖 1：電機驅動(dòng)器產(chǎn)生的紋波影響了電動(dòng)汽車(chē)的高壓母線(xiàn)。 紋波對 DC-DC 轉換器的危害 電機驅動(dòng)器開(kāi)關(guān)工作產(chǎn)生的高壓紋波會(huì )給 DC-DC 轉換器及其相關(guān)濾波器甚至下游電子器件帶來(lái)不利影響。 觀(guān)察濾波器會(huì )發(fā)現，由紋波引起的電壓和電流會(huì )在濾波器組件之間引起自發(fā)熱 (PLOSS = I2rms • RESR)。這種有害的發(fā)熱將導致組件退化和組件故障，最終會(huì )降低使用壽命及系統可靠性。在無(wú)阻尼濾波器設計中，這種損害會(huì )加劇，其中紋波噪聲可能會(huì )出現在 EMI 濾波器的諧振頻率上（圖 2）。在這些情況下，過(guò)壓和過(guò)流會(huì )進(jìn)一步損壞組件，導致運轉失靈和突發(fā)故障。如果管理不當，波紋噪聲就會(huì )給電動(dòng)汽車(chē)帶來(lái)安全隱患。
圖 2：DC-DC 轉換器輸入濾波器設計用于衰減高頻率噪聲，而且可能具有與電機驅動(dòng)器頻率范圍重疊的諧振。 除了對 EMI 濾波器造成損壞外，電機驅動(dòng)器紋波還會(huì )對 DC-DC 轉換器的輸出產(chǎn)生不良影響。 轉換器的閉環(huán)帶寬是衡量該單元在一定頻率下對波動(dòng)作出響應的能力�？蓪⑺暈橐粋�(gè)高通濾波器：如果噪聲發(fā)生的頻率高于閉環(huán)帶寬的頻率，則轉換器就無(wú)法將其濾除。 面臨的挑戰是，汽車(chē) DC-DC 轉換器通常設計為僅幾千赫茲的閉環(huán)帶寬，而電機驅動(dòng)器紋波則發(fā)生在更高的頻率。同時(shí)，作為低通的 EMI 濾波器，其截止頻率通常過(guò)高，無(wú)法衰減紋波噪聲。 最終的結果是，閉環(huán)衰減不足以減弱通過(guò)低通濾波器的噪聲，而且噪聲在轉換器輸出端會(huì )變得清晰可見(jiàn)。這會(huì )導致下游低壓電子產(chǎn)品的損壞和故障，它們無(wú)法處理這類(lèi)高壓紋波。 傳統解決方案的弊端 雖然有幾種常規解決方案可以解決這些問(wèn)題，但每種解決方案都有利弊。 看看電機驅動(dòng)器，我們會(huì )發(fā)現一些方案，包括增加 DC 鏈路電容、修改驅動(dòng)器配置文件以及在電機驅動(dòng)器工作中實(shí)施“禁飛區”等。 增加 DC 鏈路電容并不理想，因為它需要較大的電容器，會(huì )占用更多空間并增加車(chē)輛重量。在空間和重量都很重要的電動(dòng)汽車(chē)中，這種解決方案沒(méi)有任何吸引力。替代方案“禁飛區”和修改驅動(dòng)器配置文件都會(huì )增加控制系統的復雜性并減少驅動(dòng)器選項。 濾波器層面的通用解決方案可能會(huì )是重新設計濾波器，使其具有較低的截止頻率。由于具有較低的截止頻率，濾波器就可以更好地衰減與電機驅動(dòng)器工作有關(guān)的噪聲。 這里的問(wèn)題是截止頻率很低的濾波器需要大型濾波器組件（即電感器和電容器）。這些大型組件會(huì )占用系統空間并增加系統重量，這在尋求優(yōu)化功率密度的電動(dòng)汽車(chē)設計中是不可取的。讓這個(gè)問(wèn)題更復雜的是，在給定頻率范圍內具有更大輸出阻抗（即更大濾波器衰減）的濾波器會(huì )導致更大的功耗和濾波器的發(fā)熱（圖 3）。因此，使用截止頻率較低的濾波器則需要為濾波器組件提供較大的散熱器，這將進(jìn)一步增加系統尺寸和重量。雖然濾波器可設計成最大限度降低輸出阻抗和損耗，但這也需要更大的濾波器組件（圖 4），進(jìn)而需要對系統重量和尺寸進(jìn)行權衡。
圖 3：濾波器輸出阻抗對濾波器內部損耗產(chǎn)生直接影響。在本示例中，綠色波形表示輸出阻抗更高（即損耗更高）的濾波器，高達 16kHz。
圖 4：濾波器可修改為最大限度降低輸出阻抗和損耗，但這需要更大的濾波器組件。在本示例中，L1 和 C4 分別變大 20 倍和 50 倍，以最大限度降低輸出阻抗。 使用高帶寬電源模塊解決紋波抑制問(wèn)題 一種更有效的解決方案是將高開(kāi)關(guān)頻率與軟開(kāi)關(guān)拓撲相結合的 DC-DC 轉換器。任何數量的 Vicor 高密度電源模塊均可實(shí)現紋波抑制。Vicor DCM™、BCM® 和 ZVS 穩壓器模塊均采用高頻率，使轉換器具有更大的閉環(huán)帶寬。這些更大的帶寬可直接轉化為更顯著(zhù)的紋波抑制，因為系統可以更好地處理更寬頻率范圍內的噪聲，包括與電機驅動(dòng)器工作有關(guān)的頻率（圖 5）。
圖 5：高帶寬 DC-DC 轉換器從輸入到輸出的頻率響應（即衰減）。在本實(shí)例中，Vicor 高帶寬轉換器可將高達 20kHz 的頻率衰減至少 65dB。 另外一個(gè)優(yōu)勢是，使用高頻率 DC-DC 轉換器就能設計明顯更小的 EMI 濾波器，節省空間、減輕重量。由于濾波器不再需要適應較低的頻率，因此我們可以將濾波器的截止頻率切換到更高頻率。這種更高頻率的工作可實(shí)現更小的濾波器組件，進(jìn)而實(shí)現更高功率密度的系統。 同樣重要的是要注意，更高的開(kāi)關(guān)頻率并不一定意味著(zhù)更糟糕的 EMI 足跡。使用適當的軟開(kāi)關(guān)拓撲和控制器，不僅可保持低噪聲量級，而且還可簡(jiǎn)化對其的衰減，因為 EMI 濾波器可從寄生參數中解放出來(lái)。 通過(guò)這種方式，Vicor 高帶寬電源模塊可幫助汽車(chē)系統提高紋波抑制能力、可靠性和功率密度（圖 6）。
圖 6：Vicor DC-DC 轉換器將高帶寬與軟開(kāi)關(guān)拓撲相結合，比傳統解決方案更有效地解決了電動(dòng)汽車(chē)中與紋波抑制相關(guān)的難題。 改善汽車(chē)供電網(wǎng)絡(luò ) 由于電機驅動(dòng)器運行產(chǎn)生的高壓紋波影響，設計可靠的高功率密度汽車(chē)系統極具挑戰性。許多人試圖通過(guò)增加 DC-DC 轉換器濾波器的組件尺寸來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，結果導致系統變得更龐大、更重。鑒于系統重量會(huì )直接影響行駛里程，因此汽車(chē)供電網(wǎng)絡(luò ) (PDN) 不適合使用更大、更重的電源組件。 相反，Vicor 通過(guò)具有高帶寬和軟開(kāi)關(guān)拓撲獨特組合的緊湊型 DC-DC 電源模塊，游刃有余地解決了這些問(wèn)題。Vicor 模塊化解決方案可帶來(lái)更穩健可靠、功率密度更高的 PDN。Vicor 電源模塊易于散熱，效率高，并可簡(jiǎn)化電源系統設計。更重要的是，它們具有很高的功率密度、高度的靈活性和可擴展性，是當前動(dòng)態(tài) xEV 的理想解決方案。 汽車(chē) PDN 從未在如此短的時(shí)間內經(jīng)歷如此極端的變革。隨著(zhù) OEM 廠(chǎng)商減少對內燃機的投資，研發(fā)團隊面臨無(wú)數的電源電子技術(shù)挑戰，向 48V 母線(xiàn)的過(guò)渡使其更加復雜。在有限的空間內工作時(shí)，紋波抑制是更復雜的電源挑戰之一。幸運的是，Vicor 緊湊型電源模塊（DC-DC 轉換器）系列采用高頻率和軟開(kāi)關(guān)拓撲，是應對當前苛刻的電動(dòng)汽車(chē)電源電子技術(shù)挑戰的理想解決方案。 |
