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电源模块加速汽车从 800V 到 48V SELV 的转变之路

汽车电气化是当代最严峻的电力挑战之一。这些日益复杂的电源系统的核心是 800V 电池及其带来的电源转换挑战。了解 Vicor BCM6135 如何帮助设计工程师改变设计方法，创造新的设计机会。

作者：Patrick Wadden，Vicor 公司汽车业务部全球副总裁

BCM6135 DC-DC 转换模块助力电动汽车电源设计实现前所未有的创新

汽车电气化是当今时代最艰巨的电源挑战之一。800V 电池及其带来的电源转换挑战是这些日益复杂电气系统的核心。与此同时，OEM 正从 12V 配电网络转向 48V 母线，以利用更低电流、更高功率以及更轻便线束/电缆所带来的更高效率。

因此，这里涉及多个变量，要打造一个完美供电网络（PDN），需要权衡各种利弊。

例如，几十年来，汽车业已形成一个健全的商业化的 12V 生态系统，但与 48V 并不兼容。然而，转向 48V 的好处毋庸置疑。例如，12V 线束作为当今车辆中最重的子系统之一，在采用 48V 后可大幅减轻重量。它由数千根铜线组成，总长度超过一英里，重量可达 150 磅（68kg）。以 48V 配电意味着可以采用 10 AWG 规格的线缆，这种线缆更便宜且比传统 12V 线束轻高达 85%。这不仅减少了尺寸、重量和成本，还降低了设计复杂性。这样的优势无可争议，几乎没有明显的缺点。

推动向 48V 转变的是那些耗电量大的负载，例如主动悬挂系统，这一系统长期以来一直是困扰电源工程师的难题。12V 电压始终无法充分满足主动悬挂以及当今车辆中许多其他大型负载的电源需求。而 48V 结合高密度 DC-DC 电源模块，将改变电源工程师对这一昔日难题的看法。48V 使得为加热挡风玻璃、电动转向和制动系统，以及众多泵、风扇和执行器的供电变得更加轻松。48V 与电源模块的结合，将助力电源工程师实现前所未有的创新。

解决高压 800V 转换至 SELV 的电源挑战

从 800V 转换至 SELV，即标称 48V 及以下，可能是一项复杂的任务。这一架构需要保持高效率运行，同时确保在充分冷却的情况下安全运行。快速的瞬态响应时间是许多子系统的另一项重要特性，能让系统迅速适应负载的急剧变化，同时保持稳定性。这有助于确保制动和转向等负载的安全运行，因为任何延迟都可能带来严重的安全隐患。

传统的 DC-DC 转换器可在无需中间电池的情况下传输功率，但缺点是体积庞大，且缺乏快速响应能力，无法满足需要冗余设计的各种子系统对功率的需求。

高密度电源模块是传统 DC-DC 转换器的一种替代方案，在当今电动汽车电源系统的设计中有重大影响。其平面设计、专用磁性元件和先进封装技术支持高效率、快速响应和超小体积。Vicor BCM® 母线转换器技术通过低路径阻抗和快速响应时间，将高压电池转化为可模拟 48V 或 12V 电池的电源，消除了对中间能量存储的需求。BCM 的峰值效率达到 98%，能持续输出高达 65A（超过 3000W）的功率。这些特性足以支持车辆中各种高功率 PDN 的需求。

图1：Vicor BCM® 母线转换器技术提供低路径阻抗和快速响应时间，将高压电池转变为一个“虚拟低压电池”，能够模拟 48V 或 12V 电池，从而无需中间能量存储。BCM 的峰值效率高达 98%，并能持续提供高达 65A（超过 3000W）的功率。这些特性能够在车辆中支持广泛的高功率供电网络（PDN）。

BCM DC-DC 固定比率转换器是电动汽车问题的完美解决方案

与传统转换器需要将输入电压范围调节到特定输出电压不同，BCM 转换器是一种固定比率转换器，其输出电压与输入电压之比是固定的，这一比例被记为“K ”。其工作分为三个阶段：初级侧开关将 DC 输入转换为正弦波，理想变压器阶段根据初级和次级侧的匝数比例缩放电压，次级侧开关再将正弦波转换回 DC 输出。

BCM 系列能够将 800V 转换为 48V 输入，并通过不同的比例 K 适应多种应用场景和市场需求。依托专有的正弦振幅转换器（SAC™）拓扑结构，高压 BCM 的峰值效率可达 98%，功率密度高达 2400W/in³。这些灵活的模块不仅可轻松并联成高功率阵列，还能通过串联输出实现更高的输出电压。此外，BCM 本身具有双向性，为车辆各个子系统的创新提供了更多机会。BCM 还使设计人员能根据指定的比例 K ，通过模块有效“反射”电容，减少负载端所需的大容量电容。

此外，零电流开关（ZCS）和零电压开关（ZVS）拓扑结构的应用可最大限度地减少损耗。无论是从高压到低压的降压转换，还是从低压到高压的升压转换，BCM 都能以相同的效率和量级双向对称地转换电源。这种特性非常适合汽车应用场景，尤其是在车辆电源负载（如主动悬挂系统）需要快速充放电的情况下。

零电流开关（ZCS）和零电压开关（ZVS）技术还让 BCM 转换器能够以比传统转换器更高的频率运行，从而快速响应负载电流的变化，并提供从输入到输出的低阻抗路径。相比传统电源能提供 250A 每秒（250A/S）的瞬态电流爬升速度，BCM 可轻松响应 800 万安培每秒(8,000,000A/S) 的瞬态电流爬升速度。

这种快速响应，结合固定比率转换、双向运行和低阻抗路径，使 BCM 能够充当“虚拟电池”，同时通过使用更轻的 10 号线规（AWG）线材减少电缆重量。这一点尤为重要，因为电源仍需配电到车辆子系统中，满足 48V 和 12V 混合负载的需求。BCM 是优化区域架构的基础元件，能在车辆中扩展 48V 配电网络，然后再转换为 12V 负载。

图 2：BCM6135 是一款固定比率转换器，支持 800V 到 48V 的转换。这一系列的 BCM 转换器本身具有双向性，为车辆中各种子系统的创新提供了更多可能。借助 BCM，设计人员可以根据指定的比例 K ，通过模块有效“反射”电容，从而减少负载端所需的大容量电容。BCM 是高密度、高性能的车规级转换器，被广泛应用于当今最具创新性的主动悬挂系统。

BCM fixed-ratio converter supporting 800V to 48V conversion chart image

图 3：BCM 是一种固定比率转换器，支持从 800V 到 48V 的转换，并提供多种比例 K ，以适应广泛的应用和市场需求。基于专有的正弦振幅转换器（SAC™）拓扑结构，高压 BCM 的峰值效率可高达 98%，功率密度可达每立方英寸 2400 瓦（2400W/in³）。这些灵活的模块可以轻松并联组成高功率阵列，输出也可以串联以实现更高的输出电压。

BCM6135 将主动悬挂电源系统的体积缩小 50%

BCM6135 辅助优化了一个长期存在问题的供电网络（PDN）。主动悬挂系统一直以重量大、耗电多、设计成本高而著称，几十年来一直困扰着电源设计人员。

然而，通过结合更大容量的主电池、48V 母线以及小型 DC-DC 电源模块，主动悬挂系统可实现前所未有优化。

如今，汽车一级供应商 A 公司正与 Vicor 合作，开发 800V 到 48V 的 DC-DC 转换器，以打造终极主动悬挂系统。这一供电网络充分利用 48V 与 Vicor 电源模块的组合，减少整体尺寸和重量。此外，它利用 BCM6135 的高功率密度，将系统体积压缩到 1.8 升以下，并利用 BCM 的双向供电能力支持再生电力负载。这一电源设计是目前最小的主动悬挂系统，体积几乎只有最接近竞争对手的一半。

将主动悬挂直接与电池连接的最大好处之一是能量回收。就像弹簧能够吸收和释放能量一样，主动悬挂也能吸收能量并将其存储到电池中。虽然技术上通过 DC-DC 转换器可以实现这一点，但目前很少有制造商能够设计出具备足够快瞬态响应、高电流爬升速率响应和高效率的双向转换系统，来管理设备与电源之间的双向功率流。

BCM6135 凭借其超高的电流爬升响应速率（每秒 800 万安培）的特性，实现了主动悬挂系统能量回收的最快双向电力传输。使用 Vicor 的电源模块，A 公司设计出了目前最先进的主动悬挂供电解决方案。Vicor 的 DC-DC 转换器不仅能够匹配功率和瞬态需求以优化能量回收，还拥有业界最高的功率密度，可以帮助 OEM 缩小整体系统占用空间。

图 4：BCM6135 将主动悬挂电源系统的体积缩小一半。主动悬挂系统一直以重量大、耗电高、设计成本昂贵而闻名，几十年来困扰着电源设计人员。如今，汽车一级供应商 A 公司正与 Vicor 合作，开发 800V 到 48V 的 DC-DC 转换器，打造终极主动悬挂系统。该系统充分利用 48V 与 Vicor 电源模块的组合，减小整体尺寸和重量。

Vicor BCM6135 蓄势待发，解决电动汽车的各种电源难题

Vicor BCM 电源模块集成了电源工程师解决复杂电源问题所需的特性。BCM6135 重量轻、功率密度高、支持双向运行且速度极快——这些特点正好能破解这个数十年未解的主动悬挂供电问题。而这仅仅是个开始。

Vicor 电源模块实现了更高水平的可扩展性和灵活性、高效率以及被动冷却。这些电源模块能够帮助减少组件数量，简化汽车电源工程师面临的最复杂问题。BCM6135 作为一款紧凑型 DC-DC 转换模块，是当今工程师在快速变革的汽车电气化世界中寻找更优解决方案的完美产品。

本文最初由 Power Electronics Europe 发布。

Patrick Wadden 于 2018 年加入 Vicor，负责公司的汽车业务部并推动 Vicor 新的终端市场细分。他在半导体行业的经验遍及汽车、工业、消费和航空航天等领域，主要集中于电力电子。Patrick 曾在 Intersil、Altera、ADI 和 Integrated Device Technology 担任销售、营销、产品线和业务部门管理方面的领导职务。Patrick 拥有东北大学管理学学士学位，与他的妻子和孩子住在新罕布什尔州。