【導讀】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。
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
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 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。
（陳雋恆 VICOR中國汽車(chē)業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)部高級經(jīng)理）
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