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電源模組加速汽車從 800V 到 48V SELV 的轉變之路

汽車電氣化是當代最嚴峻的電力挑戰之一。這些日益複雜的電源系統的核心是 800V 電池及其帶來的電源轉換挑戰。瞭解 Vicor BCM6135 如何幫助設計工程師改變設計方法，創造新的設計機會。

作者：Patrick Wadden，Vicor 公司汽車業務部全球副總裁

BCM6135 DC-DC 轉換模組助力電動汽車電源設計實現前所未有的創新

汽車電氣化是當今時代最艱巨的電源挑戰之一。800V 電池及其帶來的電源轉換挑戰是這些日益複雜電力系統的覈心。與此同時，OEM 正從 12V 配電網路轉向 48V 母線，以利用更低電流、更高功率以及更輕便線束/電纜所帶來的更高效率。

因此，這裡涉及多個變數，要打造一個完美供電網路（PDN），需要權衡各種利弊。

例如，幾十年來，汽車業已形成一個健全的商業化的 12V 生態系統，但與 48V 並不相容。然而，轉向 48V 的好處毋庸置疑。例如，12V 線束作為當今車輛中最重的子系統之一，在採用 48V 後可大幅減輕重量。它由數千根銅線組成，總長度超過一英里，重量可達 150 磅（68kg）。以 48V 配電意味著可以採用 10 AWG 規格的線纜，這種線纜更便宜且比傳統 12V 線束輕高達 85%。這不僅减少了尺寸、重量和成本，還降低了設計複雜性。這樣的優勢無可爭議，幾乎沒有明顯的缺點。

推動向 48V 轉變的是那些耗電量大的負載，例如主動懸掛系統，這一系統長期以來一直是困擾電源工程師的難題。12V 電壓始終無法充分滿足主動懸掛以及當今車輛中許多其他大型負載的電源需求。而 48V 結合高密度 DC-DC 電源模組，將改變電源工程師對這一昔日難題的看法。48V 使得為加熱擋風玻璃、電動轉向和制動系統，以及眾多泵、風扇和執行器的供電變得更加輕鬆。48V 與電源模組的結合，將助力電源工程師實現前所未有的創新。

解决高壓 800V 轉換至 SELV 的電源挑戰

從 800V 轉換至 SELV，即標稱 48V 及以下，可能是一項複雜的任務。這一架構需要保持高效率運行，同時確保在充分冷卻的情况下安全運行。快速的瞬態回應時間是許多子系統的另一項重要特性，能讓系統迅速適應負載的急劇變化，同時保持穩定性。這有助於確保制動和轉向等負載的安全運行，因為任何延遲都可能帶來嚴重的安全隱患。

傳統的 DC-DC 轉換器可在無需中間電池的情况下傳輸功率，但缺點是體積龐大，且缺乏快速回應能力，無法滿足需要備援設計的各種子系統對功率的需求。

高密度電源模組是傳統 DC-DC 轉換器的一種替代方案，在當今電動汽車電源系統的設計中有重大影響。其平面設計、專用磁性元件和先進封裝技術支援高效率、快速回應和超小體積。Vicor BCM® 母線轉換器技術通過低路徑阻抗和快速回應時間，將高壓電池轉化為可類比 48V 或 12V 電池的電源，消除了對中間能量存儲的需求。BCM 的峰值效率達到 98%，能持續輸出高達 65A（超過 3000W）的功率。這些特性足以支持車輛中各種高功率 PDN 的需求。

圖 1:Vicor BCM® 母線轉換器技術提供低路徑阻抗和快速回應時間，將高壓電池轉變為一個“虛擬低壓電池”，能够類比 48V 或 12V 電池，從而無需中間能量存儲。BCM 的峰值效率高達 98%，並能持續提供高達 65A（超過 3000W）的功率。這些特性能够在車輛中支持廣泛的高功率供電網路（PDN）。

BCM DC-DC 固定比率轉換器是電動汽車問題的完美解決方案

與傳統轉換器需要將輸入電壓範圍調節到特定輸出電壓不同，BCM 轉換器是一種固定比率轉換器，其輸出電壓與輸入電壓之比是固定的，這一比例被記為“K”。其工作分為三個階段：初級側開關將 DC 輸入轉換為正弦波，理想變壓器階段根據初級和次級側的匝數比例縮放電壓，次級側開關再將正弦波轉換回 DC 輸出。

BCM 系列能够將 800V 轉換為 48V 輸入，並通過不同的比例 K 適應多種應用場景和市場需求。依託專有的正弦振幅轉換器（SAC™）拓撲結構，高壓 BCM 的峰值效率可達 98%，功率密度高達 2400W/in³。這些靈活的模組不僅可輕鬆並聯成高功率陣列，還能通過串聯輸出實現更高的輸出電壓。此外，BCM 本身具有雙向性，為車輛各個子系統的創新提供了更多機會。BCM 還使設計人員能根據指定的比例 K，通過模組有效“反射”電容，减少負載端所需的大容量電容。

此外，零電流開關（ZCS）和零電壓開關（ZVS）拓撲結構的應用可最大限度地减少損耗。無論是從高壓到低壓的降壓轉換，還是從低壓到高壓的升壓轉換，BCM 都能以相同的效率和量級雙向對稱地轉換電源。這種特性非常適合汽車應用場景，尤其是在車輛電源負載（如主動懸掛系統）需要快速充放電的情况下。

零電流開關（ZCS）和零電壓開關（ZVS）科技還讓 BCM 轉換器能够以比傳統轉換器更高的頻率運行，從而快速回應負載電流的變化，並提供從輸入到輸出的低阻抗路徑。相比傳統電源能提供 250A 每秒（250A/S）的瞬態電流爬升速度，BCM 可輕鬆響應 800 萬安培每秒（8000000A/S）的瞬態電流爬升速度。

這種快速回應，結合固定比率轉換、雙向運行和低阻抗路徑，使 BCM 能够充當“虛擬電池”，同時通過使用更輕的 10 號線規（AWG）線材减少電纜重量。這一點尤為重要，因為電源仍需配電到車輛子系統中，滿足 48V 和 12V 混合負載的需求。BCM 是優化區域架構的基礎元件，能在車輛中擴充 48V 配電網路，然後再轉換為 12V 負載。

圖 2:BCM6135 是一款固定比率轉換器，支持 800V 到 48V 的轉換。這一系列的 BCM 轉換器本身具有雙向性，為車輛中各種子系統的創新提供了更多可能。借助 BCM，設計人員可以根據指定的比例 K，通過模組有效“反射”電容，從而减少負載端所需的大容量電容。BCM 是高密度、高性能的車規級轉換器，被廣泛應用於當今最具創新性的主動懸掛系統。

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

圖 3:BCM 是一種固定比率轉換器，支持從 800V 到 48V 的轉換，並提供多種比例 K，以適應廣泛的應用和市場需求。基於專有的正弦振幅轉換器（SAC™）拓撲結構，高壓 BCM 的峰值效率可高達 98%，功率密度可達每立方英寸 2400 瓦（2400W/in³）。這些靈活的模組可以輕鬆並聯組成高功率陣列，輸出也可以串聯以實現更高的輸出電壓。

BCM6135 將主動懸掛電源系統的體積縮小 50%

BCM6135 輔助優化了一個長期存在問題的供電網路（PDN）。主動懸掛系統一直以重量大、耗電多、設計成本高而著稱，幾十年來一直困擾著電源設計人員。

然而，通過結合更大容量的主電池、48V 母線以及小型 DC-DC 電源模組，主動懸掛系統可實現前所未有優化。

如今，汽車一級供應商 A 公司正與 Vicor 合作，開發 800V 到 48V 的 DC-DC 轉換器，以打造終極主動懸掛系統。這一供電網路充分利用 48V 與 Vicor 電源模組的組合，减少整體尺寸和重量。此外，它利用 BCM6135 的高功率密度，將系統體積壓縮到 1.8 昇以下，並利用 BCM 的雙向供電能力支持再生電力負載。這一電源設計是目前最小的主動懸掛系統，體積幾乎只有最接近競爭對手的一半。

將主動懸掛直接與電池連接的最大好處之一是能量回收。就像彈簧能够吸收和釋放能量一樣，主動懸掛也能吸收能量並將其存儲到電池中。雖然技術上通過 DC-DC 轉換器可以實現這一點，但目前很少有製造商能够設計出具備足够快瞬態回應、高電流爬升速率響應和高效率的雙向轉換系統，來管理設備與電源之間的雙向功率流。

BCM6135 憑藉其超高的電流爬升響應速率（每秒 800 萬安培）的特性，實現了主動懸掛系統能量回收的最快雙向電力傳輸。使用 Vicor 的電源模組，A 公司設計出了目前最先進的主動懸掛供電解決方案。Vicor 的 DC-DC 轉換器不僅能够匹配功率和瞬態需求以優化能量回收，還擁有業界最高的功率密度，可以幫助 OEM 縮小整體系統佔用空間。

圖 4:BCM6135 將主動懸掛電源系統的體積縮小一半。主動懸掛系統一直以重量大、耗電高、設計成本昂貴而聞名，幾十年來困擾著電源設計人員。如今，汽車一級供應商 A 公司正與 Vicor 合作，開發 800V 到 48V 的 DC-DC 轉換器，打造終極主動懸掛系統。該系統充分利用 48V 與Vicor 電源模組的組合，减小整體尺寸和重量。

Vicor BCM6135 蓄勢待發，解决電動汽車的各種電源難題

Vicor BCM 電源模組集成了電源工程師解决複雜電源問題所需的特性。BCM6135 重量輕、功率密度高、支持雙向運行且速度極快——這些特點正好能破解這個數十年未解的主動懸掛供電問題。而這僅僅是個開始。

Vicor 電源模組實現了更高水准的可擴充性和靈活性、高效率以及被動冷卻。這些電源模組能够幫助减少組件數量，簡化汽車電源工程師面臨的最複雜問題。BCM6135 作為一款緊湊型 DC-DC 轉換模組，是當今工程師在快速變革的汽車電氣化世界中尋找更優解決方案的完美產品。

本文最初由 Power Electronics Europe 發佈。

Patrick Wadden 於 2018 年加入 Vicor，負責公司的汽車業務部並推動 Vicor 新的終端市场区隔。他在半導體行業的經驗遍及汽車、工業、消費和航空航太等領域，主要集中於電力電子。Patrick 曾在 Intersil、Altera、ADI 和 Integrated Device Technology 擔任銷售、營銷、產品線和業務部門管理方面的領導職務。Patrick 擁有東北大學管理學學士學位，與他的妻子和孩子住在新罕布什爾州。