作者：Art Pini

　　电动汽车 (EV) 供电网络 (PDN) 正在迅速变化。 12 伏铅酸电池等传统电源正在让位于 48 伏或更高电压的电源。与此同时，许多电机、泵、传感器和执行器仍然在传统电压水平下运行。因此，必须有效降低较高电平的电压并将其分配给这些不同的负载。为了实现这一目标，同时最大限度地减少电阻电压降和相关的功率损耗，电力系统架构师正在从集中式方法(在电源附近使用大型 DC/DC 转换器)转向分散式架构(其中将高压分配到每个电源附近的电源转换器)。的较低电压负载)。

　　这种分散式 PDN 需要具有高功率密度、最佳效率和小占地面积的轻型电源。尽管使用传统的分立元件在内部设计这些转换器可能很容易优化设计，但这也可能是一项艰巨的任务。

　　还有更好的选择：来自具有丰富设计经验的供应商提供的现成模块化设备，以及满足 PDN 要求(例如输入电压范围、输出电压、功率、密度和效率)的各种解决方案。

　　本文讨论现代 PDN 的需求和典型的电源要求。本文还介绍了Vicor的模块化电源解决方案示例，并展示了如何将它们应用于高性能、经济高效的 PDN。

　　PDN演进

　　电动和混合动力电动汽车需要最大的行驶里程和最短的充电时间，同时为驾驶员和乘客提供全方位的服务。这些要求强调高效、轻量级的设计。因此，汽车制造商正在从集中式 PDN 架构过渡到分散式区域架构(图 1)。

　　图 1：集中式架构将电源电压转换为电源附近的 12 伏负载电压，并将其分配到整个车辆;分散式分区架构将电源电压分配给本地 DC/DC 转换器，在该转换器中电压降至 12 伏并尽可能靠近负载。 (图片来源：Vicor)

　　集中式架构通过“银盒”将 48 伏电源转换为 12 伏电压，“银盒”是一种大型 DC/DC 转换器，使用较旧的低频脉宽调制 (PWM) 开关拓扑。然后从银盒分配 12 伏电源。对于输送至负载的给定功率，12 伏电压下的电流水平是 48 伏电压下输送电流的四倍。这意味着电阻功率损耗(与电流的平方成正比)高出 16 倍。

　　另一方面，分区架构将 48 伏电源分配到局部区域，在局部区域由更小、效率更高的 48 至 12 伏 DC/DC 转换器为负载供电。较低的电流水平需要更小的导体和连接器横截面，从而使线束成本更低、重量更轻。本地转换器放置在靠近负载的位置，以最大限度地缩短 12 伏电源接线的长度。

　　在分区系统中，热源广泛分布在车辆的各个区域，而不是集中在热源附近。这改善了整体散热，使各个转换器能够在较低温度环境下运行。其结果是更高的运行效率和更高的可靠性。

　　设计 PDN 电源

　　尽管使用分立元件创建定制 PDN 转换器设计是可能的，但电源设计是一项艰巨的任务。很少有工程师具备满足应用和法规要求所需的技能或经验。模块化方法是一种更简单、更好的选择。

　　模块化 PDN 设计取决于电源模块库存的可用性，该电源模块库存提供广泛的电源相关功能，以实现灵活且可扩展的架构(图 2)。

　　图 2：模块化 PDN 设计依赖于提供各种解决方案的供应商来确保灵活性和可扩展性。 (图片来源：Vicor)

　　基本的分区 PDN 架构(左上)将 48 伏电源分配给本地 DC/DC 模块化转换器，将电压降至所需水平。如果负载要求发生变化，则可以简单升级到具有更高额定功率的模块(上中)。添加新负载只需添加另一个模块化转换器(右上)。无需更改源配置。

　　通过对分比式架构(左下)进行微小更改即可减少电源轨损耗。分比式架构将功率调节和电压/电流转换分成两个独立的模块。预调节器模块 (PRM) 管理电压调节功能。感测分比总线电流以调节电源轨的输出电压。变压模块 (VTM) 的作用与直流变压器类似，可管理电压降低/电流倍增。 VTM 比完整的 DC/DC 转换器模块更小，并且可以放置在更靠近负载的位置，以减少电阻损耗。此外，其低输出阻抗需要更小的输出电容器。这意味着较小的陶瓷电容器可以取代负载附近较大的大容量电容器。

　　通过并联多个转换器模块(中下)可以满足更大功率的需求。更新到更高的电压源，如 400 或 800 伏，可以通过添加固定比率降压模块和总线转换器模块 (BCM) 将源电压降低至安全超低电压 (SELV) 总线水平来实现(右下)。请注意，SELV 总线是一项安全标准，规定了电气设备的最大电压限制，以确保免受电击的安全。 SELV 电压水平通常低于 53 伏。

　　这些示例让我们了解区域架构的灵活性和可扩展性。 Vicor 在其 DCM 系列中提供了广泛的转换器模块，适合这些不同的应用。该公司在电源模块设计方面率先取得了多项革命性进展，包括封装转换器 (ChiP) 和 Vicor 集成适配器 (VIA) 封装(图 3)。

　　图 3：DCM 系列的 ChiP 和 VIA 物理配置示例。 (图片来源：Vicor)

　　与早期封装配置相比，这些封装的功率密度提高了四倍，同时功率损耗降低了 20%。 ChiP 使用通过高密度基板安装的磁性结构。其他组件采用双面布局安装，使功率密度加倍。组件在封装内对称布局，以增强热性能。这种先进的布局以及优化的模塑料材料可改善热路径。 ChiP 模块的顶面和底面热阻较低。可以使用热耦合到顶部和底部表面的散热器以及通过电气连接来增强冷却。 VIA 模块增加了集成电磁干扰 (EMI) 滤波、更好的输出电压调节、以及基本“砖”结构元素的辅助控制界面。

　　DCM 系列 DC/DC 转换器模块示例

　　DCM 系列是稳压隔离式通用 DC/DC 转换器的一个示例。该转换器采用未稳压的宽电压范围源作为输入，可产生高达 1300 瓦的稳压功率输出，输出电流高达 46.43 安培 (A)。它在输入和输出之间提供高达 4,242 伏的直流隔离。隔离是指电流隔离，意味着输入和输出之间没有电流直接流动。如果输入电压可能对人体有害，则安全标准可能需要这种隔离。使输出相对于输入浮动还允许输出极性反转或移位。

　　DCM 系列采用零电压开关 (ZVS) 拓扑，通过软开关功率器件来降低传统 PWM 转换器中常见的高导通损耗。 ZVS 允许在更高的频率和更高的输入电压下运行，而不会牺牲效率。这些转换器的工作开关频率范围为 500 千赫兹 (kHz) 到接近 1 兆赫兹 (MHz)。使用这种高开关频率还可以减小相关磁性和电容储能组件的尺寸，从而提高功率密度。功率密度和效率分别高达 1244 瓦/立方英寸 (W/in. 3 ) 和 96%。

　　DCM 系列提供三种封装尺寸：DCM2322、DCM3623 和 DCM4623，具有重叠的输入电压范围和输出功率级别(图 4)。

　　图 4：所示为 DCM 系列 DC/DC 转换器的电气特性汇总图，包括输入和输出电压范围。 (图片来源：Vicor)

　　三个系列转换器的输入电压范围涵盖 9 至 420 伏，SELV 输出的步进范围为 3 至 52.8 伏直流。输出电压限制可在标称输出电压的 -40% 至 +10% 范围内调整。输出具有完全工作电流限制，可根据最大平均功率输出将转换器保持在安全工作区域内，无论输出电压设置如何。

　　DCM 系列包括针对输入欠压和/或过压、过温、输出过压、输出过流和输出短路的故障保护。

　　表 1 显示了多种 DCM 产品的示例，包括所有三种封装尺寸以及一系列输入电压和最大功率范围。

　　表 1：常用 DCM 转换器的特性说明了可满足各种应用要求的输入电压、输出电压和功率级别范围。 (表格来源：Art Pini)

　　该表总结了每个示例 DCM 转换器的主要特性并提供了它们的物理尺寸。这是各种可用 DCM 模型的一个小样本。

　　典型应用

　　DCM转换器可以单独应用，大多数也可以并联运行。单独使用时，输出可为多个负载供电，包括非隔离负载点 (POL) 稳压器(图 5)。

　　图 5：所示为 DCM3623T75H06A6T00 驱动直接负载以及非隔离 POL 稳压器的典型应用。 (图片来源：Vicor)

　　该电路很简单。组件 L1、C1、R4、C4 和 Cy 构成输入 EMI 滤波器。输出电容器 C Out-Ext与 R Out-Ext一起提供控制环路稳定性。电阻器可以是电容器的有效串联电阻(ESR)，其值约为10毫欧(mΩ)。电容器的位置必须靠近转换器的输出引脚。 R dm、L b、 L 2和C 2形成差模输出滤波器。滤波器的截止频率设置为开关频率的十分之一。

　　大多数 DCM 转换器都可以在其输出并联的情况下运行(阵列模式)。通过组合多达八个模块的输出，可以增加提供给负载的功率输出(图 6)。

　　图 6：该电路显示了驱动公共负载的四个 DCM 转换器的并行阵列操作。 (图片来源：Vicor)

　　外部组件执行与单个转换器示例中相同的功能。在阵列模式下，每个 DCM 模块必须在任何串联电感之前看到输出电容的最小值，并且它必须位于比输出结更靠近各个转换器的位置。在所有“N”个 DCM 模块同时启动的阵列中，输出电容的最大值可能高达 C out-Ext 的N 倍。还要求电源阻抗小于 DCM 阵列输入阻抗的一半，以确保稳定性并最大限度地减少振铃。

　　结论

　　车辆和电动汽车等应用正在经历从集中式 PDN 架构向分散式 PDN 架构的显着转变。满足相关效率、功率密度和重量要求所需的 DC/DC 转换器对于使用分立元件进行设计具有挑战性。相反，设计人员可以通过使用 Vicor 的 DCM 系列模块化电源解决方案来减少时间和成本。如图所示，这些模块处于 ChiP 和 VIA 等先进封装的前沿，创新的 ZVS 拓扑具有可扩展性和多功能性，可满足各种不同的应用。