【導(dǎo)讀】汽車電氣化可能是我們這個時代影響最廣的電源挑戰(zhàn)。這是汽車 OEM 廠商在從內(nèi)燃機向純電動汽車轉(zhuǎn)型的過程中面臨的一個全球性問題。各地的研發(fā)團(tuán)隊都在探索新的方法，試圖找到更好的解決方案來解決新舊電源的難題。
高帶寬和軟開關(guān)拓?fù)涫菓?yīng)對當(dāng)前苛刻的電動汽車電源電子技術(shù)挑戰(zhàn)的理想解決方案
汽車電氣化可能是我們這個時代影響最廣的電源挑戰(zhàn)。這是汽車 OEM 廠商在從內(nèi)燃機向純電動汽車轉(zhuǎn)型的過程中面臨的一個全球性問題。各地的研發(fā)團(tuán)隊都在探索新的方法，試圖找到更好的解決方案來解決新舊電源的難題。
在標(biāo)準(zhǔn)電動汽車 (EV) 中，主要的設(shè)計考慮因素是配電與架構(gòu)。當(dāng)然，這些系統(tǒng)可能很復(fù)雜，其中整個車輛依靠電池（400V 或 800V）為低壓控制電子設(shè)備 (12V)提供了高壓直流， 還有一個由 AC 電源供電的電機。
在這種框架中，高壓母線上需要 DC-DC 轉(zhuǎn)換器來將電壓降至較低水平，以便為下游負(fù)載供電。這些轉(zhuǎn)換器依賴于數(shù)百K赫茲的高頻率開關(guān)。因此，它們是系統(tǒng)內(nèi)常見的電磁干擾 (EMI) 源。為了抵消其產(chǎn)生 EMI ，需要在 DC-DC 轉(zhuǎn)換器輸入端部署專用 EMI 濾波器，將其作為低通濾波器，衰減超過截止頻率的噪聲。
電源架構(gòu)中另一個不可或缺的組件是電機驅(qū)動器，它是將電池的 DC 輸出轉(zhuǎn)換為 AC ，為電動汽車電機供電的必需品。在能量再生和推進(jìn)過程中，電機驅(qū)動器會在系統(tǒng)的高壓母線中產(chǎn)生多余的高壓紋波。這種紋波給 DC-DC 轉(zhuǎn)換器及其相關(guān)濾波器的安全性、可靠性及使用壽命帶來了重大挑戰(zhàn)（圖 1）。
圖 1：電機驅(qū)動器產(chǎn)生的紋波影響了電動汽車的高壓母線。
紋波對 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的危害
電機驅(qū)動器開關(guān)工作產(chǎn)生的高壓紋波會給 DC-DC 轉(zhuǎn)換器及其相關(guān)濾波器甚至下游電子器件帶來不利影響。
觀察濾波器會發(fā)現(xiàn)，由紋波引起的電壓和電流會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(dǎo)致組件退化和組件故障，最終會降低使用壽命及系統(tǒng)可靠性。在無阻尼濾波器設(shè)計中，這種損害會加劇，其中紋波噪聲可能會出現(xiàn)在 EMI 濾波器的諧振頻率上（圖 2）。在這些情況下，過壓和過流會進(jìn)一步損壞組件，導(dǎo)致運轉(zhuǎn)失靈和突發(fā)故障。如果管理不當(dāng)，波紋噪聲就會給電動汽車帶來安全隱患。
圖 3：濾波器輸出阻抗對濾波器內(nèi)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(dá) 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題
一種更有效的解決方案是將高開關(guān)頻率與軟開關(guān)拓?fù)湎嘟Y(jié)合的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。任何數(shù)量的 Vicor 高密度電源模塊均可實現(xiàn)紋波抑制。Vicor DCM?、BCM? 和 ZVS 穩(wěn)壓器模塊均采用高頻率，使轉(zhuǎn)換器具有更大的閉環(huán)帶寬。這些更大的帶寬可直接轉(zhuǎn)化為更顯著的紋波抑制，因為系統(tǒng)可以更好地處理更寬頻率范圍內(nèi)的噪聲，包括與電機驅(qū)動器工作有關(guān)的頻率（圖 5）。
圖 5：高帶寬 DC-DC 轉(zhuǎn)換器從輸入到輸出的頻率響應(yīng)（即衰減）。在本實例中，Vicor 高帶寬轉(zhuǎn)換器可將高達(dá) 20kHz 的頻率衰減至少 65dB。
另外一個優(yōu)勢是，使用高頻率 DC-DC 轉(zhuǎn)換器就能設(shè)計明顯更小的 EMI 濾波器，節(jié)省空間、減輕重量。由于濾波器不再需要適應(yīng)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現(xiàn)更小的濾波器組件，進(jìn)而實現(xiàn)更高功率密度的系統(tǒng)。
同樣重要的是要注意，更高的開關(guān)頻率并不一定意味著更糟糕的 EMI 足跡。使用適當(dāng)?shù)能涢_關(guān)拓?fù)浜涂刂破鳎粌H可保持低噪聲量級，而且還可簡化對其的衰減，因為 EMI 濾波器可從寄生參數(shù)中解放出來。
通過這種方式，Vicor 高帶寬電源模塊可幫助汽車系統(tǒng)提高紋波抑制能力、可靠性和功率密度（圖 6）。
圖 6：Vicor DC-DC 轉(zhuǎn)換器將高帶寬與軟開關(guān)拓?fù)湎嘟Y(jié)合，比傳統(tǒng)解決方案更有效地解決了電動汽車中與紋波抑制相關(guān)的難題。
改善汽車供電網(wǎng)絡(luò)
由于電機驅(qū)動器運行產(chǎn)生的高壓紋波影響，設(shè)計可靠的高功率密度汽車系統(tǒng)極具挑戰(zhàn)性。許多人試圖通過增加 DC-DC 轉(zhuǎn)換器濾波器的組件尺寸來解決這個問題，結(jié)果導(dǎo)致系統(tǒng)變得更龐大、更重。鑒于系統(tǒng)重量會直接影響行駛里程，因此汽車供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 不適合使用更大、更重的電源組件。
相反，Vicor 通過具有高帶寬和軟開關(guān)拓?fù)洫毺亟M合的緊湊型 DC-DC 電源模塊，游刃有余地解決了這些問題。Vicor 模塊化解決方案可帶來更穩(wěn)健可靠、功率密度更高的 PDN。Vicor 電源模塊易于散熱，效率高，并可簡化電源系統(tǒng)設(shè)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(dāng)前動態(tài) xEV 的理想解決方案。
汽車 PDN 從未在如此短的時間內(nèi)經(jīng)歷如此極端的變革。隨著 OEM 廠商減少對內(nèi)燃機的投資，研發(fā)團(tuán)隊面臨無數(shù)的電源電子技術(shù)挑戰(zhàn)，向 48V 母線的過渡使其更加復(fù)雜。在有限的空間內(nèi)工作時，紋波抑制是更復(fù)雜的電源挑戰(zhàn)之一。幸運的是，Vicor 緊湊型電源模塊（DC-DC 轉(zhuǎn)換器）系列采用高頻率和軟開關(guān)拓?fù)?，是?yīng)對當(dāng)前苛刻的電動汽車電源電子技術(shù)挑戰(zhàn)的理想解決方案。
（陳雋恆 VICOR中國汽車業(yè)務(wù)開發(fā)部高級經(jīng)理）
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