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高壓至 48V 電源轉換的 11 種優化之道

工業、汽車與國防領域日益增長的功率需求，正推動系統從高壓架構向更低的 48V 安全特低電壓（SELV）轉型。與 AC 配電不同，純電阻性 DC 系統消除了無功能量損耗，從而可大幅優化效能。通過向 48V 配電網路轉型，各行業可採用更細、更輕的線纜，在降低材料成本的同時，通過减少熱損耗來削减運營支出。

作者：Maury Wood，戰略營銷總裁

當前，在工業、汽車、資料中心及國防領域，新建和已有的電氣化應用均需要更高的功率。這促使系統向更高電壓演進，並轉換為更低的 DC SELV（安全特低電壓）——即低於 50V_DC 的電壓，通常為 48V_DC 或 28V_DC。

高壓轉 SELV 的應用場景

高壓 DC 應用包括 400V 或 800V 電動汽車電池組、AI 資料中心 400V 或 800V 機架配電，這兩種電力系統架構通常都會轉換至 48V。上述高壓轉 SELV 的主要應用場景，已催生出一個完整的生態系統，涵蓋 DC-DC 轉換器等組件、專業技術能力與知識，以及成功的系統設計與部署。其他高壓轉 SELV 應用示例還包括：太陽能與燃料電池發電、長距離海底電纜、大型工業機器人、醫療成像系統、艦載與機載配電、電晶體離子注入設備等。電信設備數十年來一直採用 -48V_DC 電池備份系統，其電能來源於市電 220V_AC 經整流後得到的 300V_DC。

圖 1：輕型電動汽車的供電網路，採用固定比率 DC-DC 母線轉換器模組（BCM®），將高壓電池電源轉換為 48V 母線。

更細、更輕的 48V 線纜可降低熱功率損耗

與市電電網等 AC 輸電系統不同，DC 輸電系統不存在電抗性（容性和感性）分量，因而通常效率更高。DC 配電本質上是純電阻性的。（AC 配電同樣存在電阻損耗。）高壓電纜的傳導熱損耗（I²R）更低，線纜更細、更輕，且銅材用量更少。銅作為基礎金屬，因 AI 資料中心激增等因素而價格日趨高昂。

例如，在傳輸相同功率的情况下，12V 電纜所需承載的電流是 800V 電纜的 64 倍。12V 電纜可能需要使用 2AWG 銅導體（約 20 美元/米），而 800V 電纜可能使用 22AWG 銅導體（約 0.30 美元/米），對於長距離佈線而言，這顯然是巨大的成本差异。此外，2AWG 電纜與 22AWG 電纜的重量差异約為 0.2 公斤/米。這些關鍵因素正在推動 DC 供電方案的日益普及，特別是在對重量和成本敏感的平臺上。

圖 2：高壓線纜不僅成本更低，還能提供更高的效率，並為需要長時間運行的產品顯著減輕重量。假設其他電力參數均相同（特別是電纜電阻），在向負載傳輸相同功率的條件下，12V 線纜的損耗是 48V 線纜的 16 倍。

除上述資本支出（CAPEX）節省外，用於大功率配電的電纜的電阻性熱損耗，也是一項重要的運營支出（OPEX）考量因素。以 AI 資料中心為例，其功率水准極高，在評估電源使用效率（PUE）時，約 6% 的 AC 電網輸入電能被電源轉換損耗所消耗。如果機架級高壓配電僅節省其中 1% 的轉換損耗（保守估計），那麼對於一個 1GW 的系統而言，每年可節省 10MW 的電力。按 50 美元/MWh、每年 8760 小時計算，每年可節省約 43.8 萬美元的運營支出。根據能源來源的不同，這也相當於大幅减少了溫室氣體排放。以瓦斯發電為參照，10MW 的發電量每小時產生約 4000 公斤二氧化碳，全年約 3500 萬公斤。

圖 3：爬電距離和電氣間隙是國際通用的安全措施，用於降低電弧風險。間距不足可能導致過熱，直接損壞供電網絡或對其造成隱患。高壓情况下，組件之間的空間需要新增多達 60%，這一要求與追求更小供電占板面積的設計目標相衝突。

高壓 DC 的技術考量

出於安全考慮，高壓導體通常採用橙色絕緣層進行標識（便於科技人員和急救人員識別），這在電動汽車中隨處可見。

高壓電源必須實現電力隔離，以確保人身和系統安全；隔離還能消除地環路並降低雜訊。這一點至關重要。隔離電壓應為工作電壓的 2 至 4 倍（對於 800V 應用，保守估計為 3.2kV）。

高壓 DC 的其他挑戰還包括：提供足够的爬電距離（沿絕緣體表面量測的兩導體間最短距離）和電氣間隙（兩導體間穿過空氣的最短距離），以滿足防觸電、防火和防設備故障等電氣安全要求。這一原則既適用於分立式實現方案，也適用於模組化解決方案。爬電距離或電氣間隙不足會導致電弧、短路和擊穿，特別是在高壓環境下，且隨著使用時間推移，環境污染物增多，風險會進一步加劇。UL 和 IEC 安全標準均要求具備足够的爬電距離和電氣間隙，以確保產品可靠性。

圖 4：在設計將高壓轉換為 48V 母線的供電網路時，需牢記 11 項重要要求。

使用 Vicor 48V 供電生態系統高效地將高壓轉換為 48V

為加速 48V 供電網路（PDN）的普及，Vicor 開發了一個專為 48V 應用優化的完整的電源模組生態系統。這些模組兼具高功率密度（W/in³）和高電流密度（A/mm²）特性。Vicor 模組化方法使設計人員能够使用以下構建模組來構建端到端 48V 系統：

極其緊湊且功率密度高，可實現靈活的外形尺寸設計
在寬負載範圍內保持高效率，以最大限度地降低終端用戶的運營成本
根據需要實現電力隔離，以確保符合安全標準
採用現代化封裝技術進行熱優化，以最大限度地减少散熱硬體需求

熱管理性能優异的模組封裝，結合較高的功能集成度，可縮短設計週期，降低工程風險，並支持在多種功率水准下實現可擴充的設計。

圖5：Vicor 高性能電源模組可在狹小空間內提供數千瓦的功率。

Vicor 產品組合涵蓋了 48V 生態系統中三個要素的解決方案：

高壓至 48V 的轉換
48V 至負載點（PoL）電壓的轉換
48V 與傳統 12V 系統之間的橋接

Vicor 隔離式固定比率 BCM® 母線轉換器和隔離式穩壓 DCM™ DC-DC轉換器可提供高效的前端轉換，為您的 48V 供電網路提供可靠的骨幹支持。

本文最初由 Power Electronics Europe 發佈。

Maury Wood 現任 Vicor 戰略市場行銷部副總裁。在加入 Vicor 之前，Maury 曾在各種光纖測試與電晶體公司擔任過高級職務，包括 EXFO、AFL、博通、恩智浦、模擬器件以及賽普拉斯等。他畢業於密歇根大學，獲電子工程學士學位，並在美國東北大學、巴布森學院和麻省理工學院完成了研究生學業。Maury 喜歡攀岩、野外滑雪、山地騎行以及爵士貝斯演奏。