高帶寬和軟開(kāi)關(guān)拓?fù)涫菓?yīng)對(duì)當(dāng)前苛刻的電動(dòng)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(guó)汽車業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)部高級(jí)經(jīng)理

汽車電氣化可能是我們這個(gè)時(shí)代影響最廣的電源挑戰(zhàn)。這是汽車 OEM 廠商在從內(nèi)燃機(jī)向純電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)型的過(guò)程中面臨的一個(gè)全球性問(wèn)題。各地的研發(fā)團(tuán)隊(duì)都在探索新的方法，試圖找到更好的解決方案來(lái)解決新舊電源的難題。

在標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)汽車 (EV) 中，主要的設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)由 AC 電源供電的電機(jī)。

在這種框架中，高壓母線上需要 DC-DC 轉(zhuǎn)換器來(lái)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(kāi)關(guān)。因此，它們是系統(tǒng)內(nèi)常見(jiàn)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(guò)截止頻率的噪聲。

電源架構(gòu)中另一個(gè)不可或缺的組件是電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是將電池的 DC 輸出轉(zhuǎn)換為 AC ，為電動(dòng)汽車電機(jī)供電的必需品。在能量再生和推進(jìn)過(guò)程中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器會(huì)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(lái)了重大挑戰(zhàn)（圖 1）。 

圖 1：電機(jī)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的紋波影響了電動(dòng)汽車的高壓母線。

紋波對(duì) DC-DC 轉(zhuǎn)換器的危害

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)工作產(chǎn)生的高壓紋波會(huì)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(lái)不利影響。

觀察濾波器會(huì)發(fā)現(xiàn)，由紋波引起的電壓和電流會(huì)在濾波器組件之間引起自發(fā)熱
(P_LOSS = I²_rms • R_ESR)。這種有害的發(fā)熱將導(dǎo)致組件退化和組件故障，最終會(huì)降低使用壽命及系統(tǒng)可靠性。在無(wú)阻尼濾波器設(shè)計(jì)中，這種損害會(huì)加劇，其中紋波噪聲可能會(huì)出現(xiàn)在 EMI 濾波器的諧振頻率上（圖 2）。在這些情況下，過(guò)壓和過(guò)流會(huì)進(jìn)一步損壞組件，導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)失靈和突發(fā)故障。如果管理不當(dāng)，波紋噪聲就會(huì)給電動(dòng)汽車帶來(lái)安全隱患。

圖 2：DC-DC 轉(zhuǎn)換器輸入濾波器設(shè)計(jì)用于衰減高頻率噪聲，而且可能具有與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器頻率范圍重疊的諧振。

除了對(duì) EMI 濾波器造成損壞外，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器紋波還會(huì)對(duì) DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸出產(chǎn)生不良影響。

轉(zhuǎn)換器的閉環(huán)帶寬是衡量該單元在一定頻率下對(duì)波動(dòng)作出響應(yīng)的能力。可將它視為一個(gè)高通濾波器：如果噪聲發(fā)生的頻率高于閉環(huán)帶寬的頻率，則轉(zhuǎn)換器就無(wú)法將其濾除。

面臨的挑戰(zhàn)是，汽車 DC-DC 轉(zhuǎn)換器通常設(shè)計(jì)為僅幾千赫茲的閉環(huán)帶寬，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)器紋波則發(fā)生在更高的頻率。同時(shí)，作為低通的 EMI 濾波器，其截止頻率通常過(guò)高，無(wú)法衰減紋波噪聲。

最終的結(jié)果是，閉環(huán)衰減不足以減弱通過(guò)低通濾波器的噪聲，而且噪聲在轉(zhuǎn)換器輸出端會(huì)變得清晰可見(jiàn)。這會(huì)導(dǎo)致下游低壓電子產(chǎn)品的損壞和故障，它們無(wú)法處理這類高壓紋波。

傳統(tǒng)解決方案的弊端

雖然有幾種常規(guī)解決方案可以解決這些問(wèn)題，但每種解決方案都有利弊。

看看電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一些方案，包括增加 DC 鏈路電容、修改驅(qū)動(dòng)器配置文件以及在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作中實(shí)施“禁飛區(qū)”等。 

增加 DC 鏈路電容并不理想，因?yàn)樗�需要較大的電容器，會(huì)占用更多空間并增加車輛重量。在空間和重量都很重要的電動(dòng)汽車中，這種解決方案沒(méi)有任何吸引力。替代方案“禁飛區(qū)”和修改驅(qū)動(dòng)器配置文件都會(huì)增加控制系統(tǒng)的復(fù)雜性并減少驅(qū)動(dòng)器選項(xiàng)。

濾波器層面的通用解決方案可能會(huì)是重新設(shè)計(jì)濾波器，使其具有較低的截止頻率。由于具有較低的截止頻率，濾波器就可以更好地衰減與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作有關(guān)的噪聲。

這里的問(wèn)題是截止頻率很低的濾波器需要大型濾波器組件（即電感器和電容器）。這些大型組件會(huì)占用系統(tǒng)空間并增加系統(tǒng)重量，這在尋求優(yōu)化功率密度的電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)中是不可取的。讓這個(gè)問(wèn)題更復(fù)雜的是，在給定頻率范圍內(nèi)具有更大輸出阻抗（即更大濾波器衰減）的濾波器會(huì)導(dǎo)致更大的功耗和濾波器的發(fā)熱（圖 3）。因此，使用截止頻率較低的濾波器則需要為濾波器組件提供較大的散熱器，這將進(jìn)一步增加系統(tǒng)尺寸和重量。雖然濾波器可設(shè)計(jì)成最大限度降低輸出阻抗和損耗，但這也需要更大的濾波器組件（圖 4），進(jìn)而需要對(duì)系統(tǒng)重量和尺寸進(jìn)行權(quán)衡。

圖 3：濾波器輸出阻抗對(duì)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(wèn)題

一種更有效的解決方案是將高開(kāi)關(guān)頻率與軟開(kāi)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(shí)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?yàn)橄到y(tǒng)可以更好地處理更寬頻率范圍內(nèi)的噪聲，包括與電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)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(gè)優(yōu)勢(shì)是，使用高頻率 DC-DC 轉(zhuǎn)換器就能設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)更小的濾波器組件，進(jìn)而實(shí)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(kāi)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_(kāi)關(guān)拓?fù)浜涂刂破鳎�不僅可保持低噪聲量級(jí)，而且還可簡(jiǎn)化對(duì)其的衰減，因?yàn)?EMI 濾波器可從寄生參數(shù)中解放出來(lái)。

通過(guò)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(kāi)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(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行產(chǎn)生的高壓紋波影響，設(shè)計(jì)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(guò)增加 DC-DC 轉(zhuǎn)換器濾波器的組件尺寸來(lái)解決這個(gè)問(wèn)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(huì)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(guò)具有高帶寬和軟開(kāi)關(guān)拓?fù)洫?dú)特組合的緊湊型 DC-DC 電源模塊，游刃有余地解決了這些問(wèn)題。Vicor 模塊化解決方案可帶來(lái)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(jiǎn)化電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。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(kuò)展性，是當(dāng)前動(dòng)態(tài) xEV 的理想解決方案。

汽車 PDN 從未在如此短的時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷如此極端的變革。隨著 OEM 廠商減少對(duì)內(nèi)燃機(jī)的投資，研發(fā)團(tuán)隊(duì)面臨無(wú)數(shù)的電源電子技術(shù)挑戰(zhàn)，向 48V 母線的過(guò)渡使其更加復(fù)雜。在有限的空間內(nèi)工作時(shí)，紋波抑制是更復(fù)雜的電源挑戰(zhàn)之一。幸運(yùn)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(kāi)關(guān)拓?fù)洌�是�?yīng)對(duì)當(dāng)前苛刻的電動(dòng)汽車電源電子技術(shù)挑戰(zhàn)的理想解決方案。