使用模块化电源转换器部署创新型输电网络

作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美编辑

电动汽车 (EV) 电源传输网络 (PDN) 正在发生迅速变化。如 12 V 铅酸电池等传统电源正在被 48 V 或更高电压的电源取代。与此同时，许多电机、泵、传感器和执行器仍在传统电压水平下运行。因此，必须有效地降低较高一级的电压，并将其分配给这些不同的负载。为了在实现这一目标的同时最大限度地减少电阻压降和相关的功率损耗，电源系统架构师正将电源系统架构从集中方法（在电源附近安装大型 DC/DC 转换器）转向分散架构（将高压分配到每个低压负载附近的功率转换器）。

这种分散式 PDN 需要功率密度高、效率最优、占地面积小的轻型电源。虽然使用传统的分立元件自行设计这些转换器对设计优化来说很有诱惑力，但也是一项艰巨的任务。

还有一个更好的选择：来自设计经验丰富的供应商提供的现成模块化器件，以及满足诸如输入电压范围、输出电压、功率、密度和效率等 PDN 要求的各种不同的解决方案。

本文将讨论现代 PDN 的需求和典型的电源要求。本文还将以 [Vicor] 的模块化电源解决方案为例进行介绍，并展示如何将其应用于高性能和高性价比 PDN。

PDN 的演变

电动和混合动力电动汽车要求有最大续航里程和最短的充电时间，同时还要为驾驶员和乘客提供全方位的服务。这些要求的重点在于设计高效、轻便。因此，汽车制造商正在从集中式 PDN 架构向分散式分区架构过渡（图 1）。

[]图 1：集中式架构将电源电压转换为接近电源的 12 V 负载电压，并将其分配到整个车内；分散式分区结构将电源电压分配到本地 DC/DC 转换器，并有转换器将电压降至尽可能靠近负载的 12 V。（图片来源：Vicor）

集中式架构通过一个“银箱”将 48 V 电源转换为 12 V。其中，银箱是一种采用老式低频脉宽调制 (PWM) 开关拓扑结构的大型 DC/DC 转换器。然后，由“银箱”以 12 V 电压输出电能。在负载输入功率已知的情况下，12 V 电压下的电流是 48 V 电压下电流的四倍。这意味着电阻功率损耗高出 16 倍，因电阻的功率与电流的平方成正比。

另一方面，分区式架构将 48 V 电源分配到各个分区，由更小、效率更高的 48 V 至 12 V DC/DC 转换器为负载供电。较低的电流水平需要较小的导体和连接器横截面，从而使线束成本更低，重量更轻。本地转换器的位置更靠近负载，以尽量减少 12 V 电源线的长度。

在分区式系统中，热源广泛分布在车辆的各个区域，而不是集中在热源附近。这就改善了整体散热性能，使每个转换器都能在较低温度环境中运行。因此，实现了更高的效率和可靠性。

设计 PDN 电源

虽然可以使用分立元件创建定制型 PDN 转换器设计，但电源设计是一项艰巨的任务。很少工程师能拥有满足应用和监管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供货能力，这种模块具有各种电源相关功能，从而可实现灵活且可扩展的架构（图 2）。

[]图 2：模块化 PDN 设计依赖于拥有多种解决方案的供应商，以确保灵活性和可扩展性。（图片来源：Vicor）

基本的分区式 PDN 架构（左上）将 48 V 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，只需升级到额定功率更高的模块即可（中上）。增加一个新负载只需增加一个模块转换器（右上）。无需更改源配置。

只需对分比式架构稍作改动，就能减少电源轨损耗（左下）。因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。预调节模块 (PRM) 管理电压的调节功能。通过检测分比式总线电流来调节电源轨输出电压。电压转换模块 (VTM) 的作用类似于 DC 变压器，用于管理电压降低/电流倍增。VTM 比完整的 DC/DC 转换器模块更小，可以置于更靠近负载的位置，从而减少电阻损耗。此外，由于其输出阻抗较低，因此需要较小的输出电容器。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），可满足更大的功率需求。通过增加一个固定比率降压模块和一个总线转换器模块 (BCM)，将源电压降至安全的超低电压 (SELV) 总线水平（右下），就可以升级至更高的电压源，如 400 V 或 800 V。请注意，SELV 总线是一项安全标准，规定了电气设备的最高电压极限值，以确保安全，防止电击。SELV 电压水平一般低于 53 V。

通过这些示例，我们可以了解分区架构的灵活性和可扩展性。Vicor 在其 DCM 系列中提供了各种不同的转换器模块，以适应这些不同的到应用。该公司率先在电源模块设计方面取得了多项革命性的进展，包括转换器封装 (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）

与早期的封装配置相比，这些封装将功率密度提高了 4 倍，将功率损耗降低了 20%。ChiP 使用通过高密度基板安装的磁性结构。其他元件采用双面布局安装，以提高功率密度。元件在封装内采用对称布局，可增强散热性能。这种先进的布局，加上经过优化的模具复合材料，改善了散热路径。ChiP 模块的顶部和底部表面热阻较低。可以使用与顶部和底部表面以及通过电气连接进行热耦合的散热片来加强冷却。VIA 模块在基本的“转型”结构元件上增加了集成电磁干扰 (EMI) 滤波、更好的输出电压调节和二次控制接口。

DCM 系列 DC/DC 转换器模块示例

例如，DCM 系列就属于一种通用型稳压、隔离式 DC/DC 转换器。这种转换器采用非稳压宽电压范围源作为输入，提供最高可达 1300 W 的稳压型功率输出，其输出电流最高可达 46.43 A。该器件在输入和输出之间提供高达 4,242 V 的直流隔离。隔离指的是电隔离，即没有在输入和输出之间直接流动的电流。按照安全标准的规定，如果输入电压可能对人体有害，就需要采用这种隔离。如果输出相对于输入浮动，还允许输出极性反转或偏移。

DCM 系列采用零电压开关 (ZVS) 拓扑，通过软开关功率器件，降低了传统 PWM 转换器中常见的高导通损耗。ZVS 可以在更高的频率和输入电压下运行，而不会降低效率。这种转换器的开关频率为从 500 kHz 到接近 1 MHz 不等。使用这种高开关频率还能减小相关的磁性和电容储能元件的大小，从而提高功率密度。功率密度和效率可分别达到 1244 W/in. ^3^ ）和 96%。

DCM 系列包括三种封装尺寸：DCM2322、DCM3623 和 DCM4623，具有重叠的输入电压范围和输出功率水平（图 4）。

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

这三个系列转换器的输入电压范围为 9 V 至 420 V，SELV 输出的直流电压步进范围为 3 V 至 52.8 V。输出电压极限值可在额定输出电压的 -40% 至 +10% 范围内进行微调。无论输出电压设置如何，输出都具有完全工作电流限制，以最大平均输出功率为基础，确保转换器在安全范围内工作。

DCM 系列包括输入欠压和/或过压、过热、输出过压、输出过流和输出短路等故障保护。

表 1 列出了几种 DCM 产品，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。

| | 型号 | 输出电压 | 最大输出电流 | 最大输出功率 | 输入电压范围 | 最高效率 | 尺寸 | 功率密度 | 单位阵列模式 # |
| ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ | ---------- | -------------- | -------------- | ---------------- | ---------- | --------------------------------------------------------- | ------------- | ---------------- |
| [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 | 不适用 |
| [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 转换器的特性说明了可满足各种应用要求的输入电压、输出电压和功率水平的范围。（表来源：Art Pini）

下表总结了每个 DCM 转换器的主要特点并给出了这些器件的外形尺寸。这只是众多现有 DCM 型号中的一小部分。

典型应用

DCM 转换器可以单独使用，且大多数也可以并联使用。单独使用时，输出可向多个负载供电，包括非隔离式负载点 (POL) 稳压器（图 5）。

[]图 5：所示为 DCM3623T75H06A6T00 驱动直接负载和非隔离式 POL 稳压器的典型应用。（图片来源：Vicor）

电路简单明了。元件 L1、C1、R4、C4 和 Cy 构成输入 EMI 滤波器。输出电容器 COut-Ext 与 ROut-Ext 用于实现控制回路的稳定性。电阻器可以是电容器的有效串联电阻 (ESR)，其值约为 10 mΩ。电容器的位置必须靠近转换器的输出引脚。R dm 、L b 、~ L2~~ 和 C2~ 组成了差模输出滤波器。滤波器的截止频率设定为开关频率的十分之一。

大多数 DCM 转换器可以并联输出运行（阵列模式）。通过合并多达八个模块的输出，可增加向负载提供的功率输出（图 6）。

[]图 6：所示电路为四个 DCM 转换器采用并联阵列驱动一个公共负载。（图片来源：Vicor）

外部元件的功能与示例中的单独转换器相同。在阵列模式下，每个 DCM 模块都必须在串联电感之前具有最小的输出电容值，而且必须更靠近单独的转换器而不是输出结点。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达到 N 倍 C out-Ext 。此外，还要求电源阻抗小于 DCM 阵列输入阻抗的二分之一，以确保稳定性并尽量减少振铃。

结束语

车辆和电动汽车等应用正从集中式向分散式 PDN 架构转变。使用分立元件设计满足相关效率、功率密度和重量要求所需的 DC/DC 换器极具挑战性。相反，Vicor 的 DCM 系列模块化电源解决方案可以让设计人员减少时间和成本。如图所示，这些模块处于 ChiP 和 VIA 等先进封装的最前沿，创新型 ZVS 拓扑具有可扩展性和多功能性，可满足各种不同的应用需求。