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高压至 48V 电源转换的 11 种优化之道

工业、汽车与国防领域日益增长的功率需求，正推动系统从高压架构向更低的 48V 安全特低电压（SELV）转型。与 AC 配电不同，纯电阻性 DC 系统消除了无功能量损耗，从而可大幅优化性能。通过向 48V 配电网络转型，各行业可采用更细、更轻的线缆，在降低材料成本的同时，通过减少热损耗来削减运营支出。

作者：Maury Wood，战略营销总裁

当前，在工业、汽车、数据中心及国防领域，新建和已有的电气化应用均需要更高的功率。这促使系统向更高电压演进，并转换为更低的 DC SELV（安全特低电压）——即低于 50V_DC 的电压，通常为 48V_DC 或 28V_DC。

高压转 SELV 的应用场景

高压 DC 应用包括 400V 或 800V 电动汽车电池组、AI 数据中心 400V 或 800V 机架配电，这两种电气系统架构通常都会转换至 48V。上述高压转 SELV 的主要应用场景，已催生出一个完整的生态系统，涵盖 DC-DC 转换器等组件、专业技术能力与知识，以及成功的系统设计与部署。其他高压转 SELV 应用示例还包括：太阳能与燃料电池发电、长距离海底电缆、大型工业机器人、医疗成像系统、舰载与机载配电、半导体离子注入设备等。电信设备数十年来一直采用 -48V_DC 电池备份系统，其电能来源于市电 220V_AC 经整流后得到的 300V_DC。

图 1：轻型电动汽车的供电网络，采用固定比率 DC-DC 母线转换器模块（BCM®），将高压电池电源转换为 48V 母线。

更细、更轻的 48V 线缆可降低热功率损耗

与市电电网等 AC 输电系统不同，DC 输电系统不存在电抗性（容性和感性）分量，因而通常效率更高。DC 配电本质上是纯电阻性的。（AC 配电同样存在电阻损耗。）高压电缆的传导热损耗（I²R）更低，线缆更细、更轻，且铜材用量更少。铜作为基础金属，因 AI 数据中心激增等因素而价格日趋高昂。

例如，在传输相同功率的情况下，12V 电缆所需承载的电流是 800V 电缆的 64 倍。12V 电缆可能需要使用 2AWG 铜导体（约 20 美元/米），而 800V 电缆可能使用 22AWG 铜导体（约 0.30 美元/米），对于长距离布线而言，这显然是巨大的成本差异。此外，2AWG 电缆与 22AWG 电缆的重量差异约为 0.2 公斤/米。这些关键因素正在推动 DC 供电方案的日益普及，特别是在对重量和成本敏感的平台上。

图 2：高压线缆不仅成本更低，还能提供更高的效率，并为需要长时间运行的产品显著减轻重量。假设其他电气参数均相同（特别是电缆电阻），在向负载传输相同功率的条件下，12V 线缆的损耗是 48V 线缆的 16 倍。

除上述资本支出（CAPEX）节省外，用于大功率配电的电缆的电阻性热损耗，也是一项重要的运营支出（OPEX）考量因素。以 AI 数据中心为例，其功率水平极高，在评估电源使用效率（PUE）时，约 6% 的 AC 电网输入电能被电源转换损耗所消耗。如果机架级高压配电仅节省其中 1% 的转换损耗（保守估计），那么对于一个 1GW 的系统而言，每年可节省 10MW 的电力。按 50 美元/MWh、每年 8760 小时计算，每年可节省约 43.8 万美元的运营支出。根据能源来源的不同，这也相当于大幅减少了温室气体排放。以天然气发电为参照，10MW 的发电量每小时产生约 4000 公斤二氧化碳，全年约 3500 万公斤。

图 3：爬电距离和电气间隙是国际通用的安全措施，用于降低电弧风险。间距不足可能导致过热，直接损坏供电网络或对其造成隐患。高压情况下，组件之间的空间需要增加多达 60%，这一要求与追求更小供电占板面积的设计目标相矛盾。

高压 DC 的技术考量

出于安全考虑，高压导体通常采用橙色绝缘层进行标识（便于技术人员和急救人员识别），这在电动汽车中随处可见。

高压电源必须实现电气隔离，以确保人身和系统安全；隔离还能消除地环路并降低噪声。这一点至关重要。隔离电压应为工作电压的 2 至 4 倍（对于 800V 应用，保守估计为 3.2kV）。

高压 DC 的其他挑战还包括：提供足够的爬电距离（沿绝缘体表面测量的两导体间最短距离）和电气间隙（两导体间穿过空气的最短距离），以满足防触电、防火和防设备故障等电气安全要求。这一原则既适用于分立式实现方案，也适用于模块化解决方案。爬电距离或电气间隙不足会导致电弧、短路和击穿，特别是在高压环境下，且随着使用时间推移，环境污染物增多，风险会进一步加剧。UL 和 IEC 安全标准均要求具备足够的爬电距离和电气间隙，以确保产品可靠性。

图 4：在设计将高压转换为 48V 母线的供电网络时，需牢记 11 项重要要求。

使用 Vicor 48V 供电生态系统高效地将高压转换为 48V

为加速 48V 供电网络（PDN）的普及，Vicor 开发了一个专为 48V 应用优化的完整的电源模块生态系统。这些模块兼具高功率密度（W/in³）和高电流密度（A/mm²）特性。Vicor 模块化方法使设计人员能够使用以下构建模块来构建端到端 48V 系统：

极其紧凑且功率密度高，可实现灵活的外形尺寸设计
在宽负载范围内保持高效率，以最大限度地降低终端用户的运营成本
根据需要实现电气隔离，以确保符合安全标准
采用现代化封装技术进行热优化，以最大限度地减少散热硬件需求

热管理性能优异的模块封装，结合较高的功能集成度，可缩短设计周期，降低工程风险，并支持在多种功率水平下实现可扩展的设计。

图 5：Vicor 高性能电源模块可在狭小空间内提供数千瓦的功率。

Vicor 产品组合涵盖了 48V 生态系统中三个要素的解决方案：

高压至 48V 的转换
48V 至负载点（PoL）电压的转换
48V 与传统 12V 系统之间的桥接

Vicor 隔离式固定比率 BCM® 母线转换器和隔离式稳压 DCM™ DC-DC 转换器可提供高效的前端转换，为您的 48V 供电网络提供可靠的骨干支持。

本文最初由 Power Electronics Europe 发布。

Maury Wood 现任 Vicor 战略市场营销部副总裁。在加入 Vicor 之前，Maury 曾在各种光纤测试与半导体公司担任过高级职务，包括 EXFO、AFL、博通、恩智浦、模拟器件以及赛普拉斯等。他毕业于密歇根大学，获电子工程学士学位，并在美国东北大学、巴布森学院和麻省理工学院完成了研究生学业。Maury 喜欢攀岩、野外滑雪、山地骑行以及爵士贝斯演奏。