【導讀】對于 DC-DC 電源轉換器而言，使系統小型化并提高整體功率密度的一種顯著(zhù)方法是通過(guò)更高頻率的開(kāi)關(guān)。然而，盡管開(kāi)關(guān)頻率超過(guò) 1.3 MHz 的系統具有潛在優(yōu)勢，但迫于技術(shù)挑戰，許多設計人員直到現在仍在使用較低的頻率，例如 100 kHz 或更低……。閱讀本文了解使用高密度電源模塊進(jìn)行設計如何改變這一現狀。
對于 DC-DC 電源轉換器而言，使系統小型化并提高整體功率密度的一種顯著(zhù)方法是通過(guò)更高頻率的開(kāi)關(guān)。然而，盡管開(kāi)關(guān)頻率超過(guò) 1.3 MHz 的系統具有潛在優(yōu)勢，但迫于技術(shù)挑戰，許多設計人員直到現在仍在使用較低的頻率，例如 100 kHz 或更低……。閱讀本文了解使用高密度電源模塊進(jìn)行設計如何改變這一現狀。
談到電動(dòng)汽車(chē) (EV) ，所有 OEM 廠(chǎng)商都希望設計更輕、更小、更實(shí)惠的解決方案。此外，公用事業(yè)單位、監管機構和 OEM 廠(chǎng)商都在努力利用車(chē)輛與電網(wǎng) (V2G) 的連接實(shí)現與配電網(wǎng)絡(luò )的能源定期交換。從電力電子的角度來(lái)看，這一努力不僅需要功率密度更大的電源轉換電路，而且還必須滿(mǎn)足將車(chē)輛與電網(wǎng)相連的需求。
對于 DC-DC 電源轉換器而言，使系統小型化并提高整體功率密度的一種顯著(zhù)方法是通過(guò)更高頻率的開(kāi)關(guān)。然而，盡管開(kāi)關(guān)頻率超過(guò) 1.3MHz 的系統具有潛在優(yōu)勢，但迫于技術(shù)挑戰，許多設計人員仍在使用較低的頻率，例如 100kHz 或更低。
設想一下，有一種 DC-DC 電源轉換解決方案能夠利用高頻率開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢，而且不會(huì )產(chǎn)生傳統的缺點(diǎn)。這將大大有助于 OEM 廠(chǎng)商實(shí)現更小、更輕量級 EV 電源設計目標，同時(shí)增加 V2G 功能。
高頻率 DC-DC 電源轉換的優(yōu)勢
在追求更輕、更小、更實(shí)惠的汽車(chē)系統的過(guò)程中，高頻率電源轉換可提供一種很有前景的解決方案。
采用更高頻率的電源轉換系統的主要優(yōu)勢是可為物理器件和支持性輸入輸出 EMI 濾波器縮小組件尺寸。轉換器本身最耗費空間的組件是無(wú)源器件，例如電感器和電容器。電感器和電容器在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中存儲和釋放能量，使電流和電壓波形流暢。轉換器的開(kāi)關(guān)頻率越高，這些組件每個(gè)周期存儲的能量就越少，允許使用較小值的組件從而縮小整體系統尺寸，還可針對相同功率級目標實(shí)現更高功率密度的系統。
除轉換器之外，相關(guān)的輸入 EMI 濾波器也是與 DC-DC 轉換相關(guān)的空間占用大戶(hù)。DC-DC 轉換器會(huì )因電流及電壓的快速開(kāi)關(guān)而產(chǎn)生 EMI，這會(huì )在開(kāi)關(guān)頻率及其諧波下產(chǎn)生噪聲。為了減輕這種噪聲，EMI 濾波器會(huì )部署在輸入端，截止頻率通常取決于功率級需求（圖 1）
此外，這些濾波器還依賴(lài)于無(wú)源組件，其尺寸與開(kāi)關(guān)頻率直接相關(guān)。將轉換器的開(kāi)關(guān)頻率轉換為 MHz 量級，可增加所需的 EMI 濾波器截止頻率。使用更高的截止頻率，設計人員可縮小 EMI 濾波器中的無(wú)源組件，從而可在提高系統功率密度的同時(shí)縮小整體系統的尺寸并減輕重量。
采用更高頻率的 DC-DC 轉換，不僅可減小組件尺寸和重量，還可實(shí)現瞬態(tài)響應更快的系統。在 DC-DC 轉換器中，控制環(huán)路帶寬通常是開(kāi)關(guān)頻率的一個(gè)小部分。更高的開(kāi)關(guān)頻率可實(shí)現更高的控制環(huán)路帶寬，這樣反饋環(huán)路就能更快響應擾動(dòng)。更高的帶寬使轉換器能更快糾正輸出偏差，確保即使在負載或輸入電壓突然變化時(shí)，輸出電壓也能保持穩定。
圖1：有源 EMI 濾波器（標記為 QPI）通常用于 DC-DC 轉換器的輸入端，其截止頻率由轉換器的開(kāi)關(guān)頻率決定。
高頻率 DC-DC 電源轉換面臨的常規挑戰
盡管采用更高頻率的 DC-DC 轉換能帶來(lái)大量切實(shí)的好處，但許多技術(shù)挑戰過(guò)去一直阻礙著(zhù)對這一應用的實(shí)行。
首先，轉向更高頻率的工作可能會(huì )阻礙實(shí)現 EMC 合規。對于傳導發(fā)射標準，如 CISPR32（V2G 應用需要），該標準評估的頻率范圍為 150kHz 至 30MHz。在更高基本頻率下工作，例如超過(guò) 1MHz，會(huì )在所關(guān)注的頻率范圍內產(chǎn)生最大的諧波，進(jìn)而帶來(lái)不合規的風(fēng)險。出于這個(gè)原因，許多電源轉換器設計人員選擇較低的工作頻率（例如 100kHz），確保其一次諧波低于所關(guān)注的頻率范圍。如果要求功率級符合 CISPR25 參考標準，也會(huì )出現同樣的問(wèn)題。
此外，擔心損耗增加是使用高頻率開(kāi)關(guān)轉換器時(shí)的另一個(gè)潛在弊端。MOSFET 等開(kāi)關(guān)在導通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)之間轉換時(shí)，就會(huì )出現開(kāi)關(guān)損耗。這些損耗很明顯，因為在轉換期間，開(kāi)關(guān)兩端的電壓以及通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流都不是零（圖 2）。
在其它條件都相同的情況下，更高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì )導致單位時(shí)間內的轉換更頻繁，這會(huì )增加開(kāi)關(guān)損耗。每個(gè)開(kāi)關(guān)事件所消耗的能量與交叉時(shí)間以及電壓和電流的乘積成正比，因此增加頻率就代表這些能耗會(huì )更快地累積。
因此，開(kāi)關(guān)引起的總功耗與開(kāi)關(guān)頻率成正比，工作頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗就越大。
最后，在高頻率工作期間會(huì )出現與無(wú)源組件的自諧振有關(guān)的問(wèn)題。自諧振是電氣組件因其寄生屬性而表現出諧振行為的現象。這會(huì )導致不可預測的行為、阻抗峰值、效率損耗和信號完整性問(wèn)題。在較高的開(kāi)關(guān)頻率下，自諧振會(huì )成為一個(gè)重大問(wèn)題，因為這些頻率接近組件的自諧振頻率，不僅會(huì )放大噪聲和 EMI，而且還會(huì )使電路設計復雜化。此外，在自諧振頻率以外工作時(shí)，電感器將表現出電容器的行為，反之亦然，電容器表現得像電感器。
圖2：開(kāi)關(guān)損耗出現在“硬開(kāi)關(guān)”過(guò)程中，其中電壓和電流波形都不為零時(shí)，MOSFET 會(huì )轉換。
圖 3：零電流開(kāi)關(guān)是通過(guò)一組專(zhuān)用電路實(shí)現的，通過(guò)特別定時(shí)的 MOSFET 轉換避免高頻率開(kāi)關(guān)損耗。
解決高頻率電源轉換問(wèn)題
憑借幾十年的業(yè)界領(lǐng)先電力電子設計經(jīng)驗，Vicor 開(kāi)發(fā)出了 DC-DC 轉換解決方案，可在無(wú)負面影響的情況下，充分利用高頻率轉換的所有優(yōu)勢。具體來(lái)說(shuō)，Vicor NBM? 系列非隔離母線(xiàn)轉換器模塊能夠在 1.3MHz 以上的頻率下成功切換。
在效率方面，NBM? 系列產(chǎn)品通過(guò)零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 及零電流開(kāi)關(guān) (ZCS) 技術(shù)，可在高頻率下實(shí)現最小的功耗。零電壓開(kāi)關(guān)的工作原理是仔細定時(shí)開(kāi)關(guān)的操作，在開(kāi)關(guān)兩端的電壓為零時(shí)進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。同樣，零電流開(kāi)關(guān)的工作原理也是定時(shí)開(kāi)關(guān)工作，使其在通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流為零時(shí)工作（圖 3）。
圖 4：NBM9280 增加專(zhuān)用 PI 濾波器后通過(guò)了傳導發(fā)射合規性測試。
Vicor ZVS 和 ZCS 是通過(guò)在脈寬調制 (PWM) 時(shí)序中引入單獨相位來(lái)實(shí)現的。利用增加的相位，這些解決方案使用鉗位開(kāi)關(guān)和電路諧振，通過(guò)軟開(kāi)關(guān)高效運行高側及同步 MOSFET，從而可避免在常規 PWM 硬開(kāi)關(guān)工作及定時(shí)過(guò)程中產(chǎn)生的損耗。得益于 ZVS 和 ZCS，NBM 系列 DC-DC 轉換器等產(chǎn)品不僅可在 1.5 至 1.7MHz 的頻率下工作，同時(shí)仍能實(shí)現高達 99% 的峰值效率。高開(kāi)關(guān)頻率和高效率的完美結合，使解決方案具有無(wú)與倫比的功率密度，高達 550kW/升。
在 EMC 方面，即使在極高的頻率下，NBM? 產(chǎn)品也能達到合規要求。最近的一組測試對 NBM9280 電源模塊的傳導發(fā)射合規性進(jìn)行了評估。
Vicor 的這款模塊可轉換 37.5kW 的功率，功率密度為 550 kW/升，適用于電動(dòng)汽車(chē)應用。測試發(fā)現，即使在開(kāi)關(guān)頻率為 1.3MHz 時(shí)，NBM9280 也可通過(guò)結合 Pi 濾波并在輸入電源線(xiàn)周?chē)腓F氧體磁芯來(lái)滿(mǎn)足 CISPR32 限制（圖 4）。最終的濾波組件比低頻率（即 100kHz）解決方案所需的組件小得多，但仍然實(shí)現了相同的合規性。
綜合考慮，汽車(chē)設計人員只要使用 NBM? 系列產(chǎn)品替換其現有的 DC-DC 轉換系統，就可實(shí)現更小尺寸及更大功率密度的優(yōu)勢，不會(huì )出現不合規或效率損失的風(fēng)險。更高的頻率支持當前的 EV 需求期。
隨著(zhù)向電動(dòng)汽車(chē)的轉變，汽車(chē)行業(yè)需要更小、更輕、功率密度更高的解決方案，來(lái)支持車(chē)輛至電網(wǎng)的接口。對于電力電子設計人員來(lái)說(shuō)，轉用更高頻率的 DC-DC 轉換解決方案是滿(mǎn)足這些需求的最佳途徑。
Vicor 現已能夠開(kāi)發(fā)出以高達 1.74MHz 的開(kāi)關(guān)頻率運行的 DC-DC 轉換解決方案。而且不會(huì )出現傳統高開(kāi)關(guān)頻率缺點(diǎn)。使用 NBM? 系列 DC-DC 轉換器等產(chǎn)品，汽車(chē)設計人員可以實(shí)現汽車(chē)高效率、輕量化和高性能的未來(lái)，沒(méi)有設計復雜性，也不需要實(shí)現這些結果所需的專(zhuān)業(yè)技術(shù)。
（作者：陳雋恒，來(lái)源：Vicor）
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