使用模組化電源轉換器部署創新的供電網路

電動車 (EV) 的供電網路 (PDN) 正在迅速改變。12 V 鉛酸電池等傳統電源正在讓位給 48 V 或更高電壓的電源。同時，許多馬達、幫浦、感測器和致動器仍然在傳統電壓等級下運作。因此必須有效降低較高的電壓並將其分配給這些不同的負載。要達到這一目的，同時最大程度減少電阻壓降和相關功率損耗，電力系統架構師正從集中式方法 (在電源附近使用大型 DC/DC 轉換器) 轉向分散式架構 (將高壓分配到每個較低電壓負載附近的電源轉換器)。

這種分散式 PDN 需要具有高功率密度、最佳效率、小覆蓋區的輕量電源供應器。儘管使用傳統離散元件在廠內設計這些轉換器可讓設計最佳化，但這也可能會很不易。

還有更好的選擇：向具備豐富設計經驗的供應商取得滿足 PDN 要求 (例如輸入電壓範圍、輸出電壓、功率、密度、效率) 的各種現成模組化裝置解決方案。

本文討論現代 PDN 的需求和典型的電源供應器要求。接著介紹 Vicor 的模組化電源供應器解決方案範例，並展示如何運用於高效能、符合成本效益的 PDN。

PDN 演進

電動車和油電混合車需要達到最大行駛里程和最短充電時間，並同時為駕駛和乘客提供全方位服務。這些需求強調高效率、輕量設計。因此，汽車製造商正從集中式 PDN 架構轉換到分散式區域架構 (圖 1)。

圖 1：集中式架構將電源電壓轉換為電源附近的 12 V 負載電壓，並分配至整個車輛；分散式分區架構將電源電壓分配給局部 DC/DC 轉換器，在此轉換器中，電壓降至 12 V 並儘可能靠近負載。(圖片來源：Vicor)

集中式架構透過「銀盒 (silver box)」將 48 V 電源轉換為 12 V 電壓；「銀盒」是一種大型 DC/DC 轉換器，使用較舊的低頻脈寬調變 (PWM) 切換拓撲。再從銀盒分配 12 V 電源。輸送至負載的給定功率，12 V 電壓下的電流等級是 48 V 電壓下輸送電流的四倍。這代表電阻功率損耗 (與電流的平方成比例) 高出 16 倍。

另一方面，分區架構將 48 V 電源分配到局部區域，在局部區域由更小、效率更高的 48 至 12 V DC/DC 轉換器為負載供電。較低的電流等級需要較細的導線和連接器橫截面，使得線束成本更低、重量更輕。局部轉換器會靠近負載放置，如此可以盡量縮短 12 V 電源佈線的長度。

在分區系統中，熱源廣泛分佈在車輛的各個區域，而非集中在電源附近。這能改善整體散熱，讓各個轉換器在較低溫度環境下運作，達到更高運作效率和極佳可靠性。

設計 PDN 電源供應器

儘管可以使用離散元件打造自訂 PDN 轉換器設計，但設計電源供應器是一項艱鉅的任務。很少有工程師具備滿足應用和法規需求的技能或經驗。採用模組化方式是更簡單，也是更好的選擇。

模組化 PDN 設計取決於電源模組庫存的可用性，以提供各種電源相關功能，達成靈活且可擴展的架構 (圖 2)。

圖 2：模組化 PDN 設計依賴供應商提供各種解決方案，以確保靈活性和可擴展性。(圖片來源：Vicor)

基本的分區 PDN 架構 (左上) 將 48 V 電源分配給局部 DC/DC 模組化轉換器，將電壓降至所需等級。如果負載需求有變，則可以簡單升級到有更高額定功率的模組 (上中)。只需新增另一個模組化轉換器即可加入新負載 (右上)，無需更改電源配置。

透過對分比式架構 (左下) 進行微小更動，即可減少電源軌的損耗。分比式架構將功率調節和電壓／電流轉換分成兩個獨立模組。預調節器模組 (PRM) 管理電壓調節功能。分比式匯流排電流經感測，以調節電源軌的輸出電壓。變壓器模組 (VTM) 的作用與直流變壓器類似，管理電壓降低／電流倍增。變壓器模組比完整的 DC/DC 轉換器模組更小，並且可以放置更靠近負載，以減少電阻損耗。此外，其低輸出阻抗需要更小的輸出電容，這表示較小的陶瓷電容可以取代負載附近較大的大容量電容。

透過並聯多個轉換器模組 (中下) 可以滿足更大的功率需求。若要更新到更高的電壓源，如 400 V 或 800 V，可以藉由添加固定比率降壓模組和匯流排轉換器模組 (BCM)，將電源電壓降至安全的超低電壓 (SELV) 匯流排等級 (右下) 。請注意，SELV 匯流排是一項安全標準，規定電氣裝置的最大電壓，以確保免於遭受電擊。SELV 電壓等級通常低於 53 V 。

這些範例讓我們一窺區域架構的靈活性和可擴展性。Vicor 在 DCM 系列中提供各式轉換器模組，適合這些不同的應用。Vicor 的電源模組設計率先取得多項革命性進展，包括轉換器封裝 (ChiP) 和 Vicor 整合式配接器 (VIA) 封裝 (圖 3)。

圖 3：DCM 系列的 ChiP 和 VIA 實體配置範例。(圖片來源：Vicor)

這些封裝相較於早期封裝配置，其功率密度提高四倍，同時功率損耗降低 20%。ChiP 採用磁性結構，透過高密度基板安裝。其他組件使用雙面佈局安裝，讓功率密度加倍。組件在封裝內的佈局對稱，以增強熱效能。這種先進佈局加上最佳化的模製複合材料可改善熱路徑。ChiP 模組的頂部和底部有低表面熱阻。可以將散熱片進行熱耦合至頂部和底部表面，或透過電氣連接增強冷卻效果。VIA 模組在基本「磚」結構元件上添加整合電磁干擾 (EMI) 濾波、更佳輸出電壓調節和輔助控制介面。

DCM 系列 DC/DC 轉換器模組範例

以 DCM 系列作為穩壓隔離式一般用途 DC/DC 轉換器的範例。此轉換器採用未調節的寬廣電壓源作為輸入，可產生高達 1300 W 的穩壓功率輸出，輸出電流高達 46.43 A。在輸入和輸出之間提供高達 4,242 V 的直流隔離。隔離是指電流隔離，表示輸入和輸出之間沒有直接流動的電流。如果輸入電壓可能對人體有害，則安全標準可能會要求這種隔離。輸出相對於輸入浮動，也會允許輸出極性反轉或移位。

DCM 系列採用零電壓切換 (ZVS) 拓撲，透過軟切換功率元件，降低傳統 PWM 轉換器中常見的高導通損耗。ZVS 允許在更高的頻率和更高的輸入電壓下運作，而不會犧牲效率。這些轉換器的工作切換頻率範圍為 500 kHz 到接近 1 MHz。使用這種高切換頻率還可以減少相關磁性和電容儲能組件的尺寸，進而提高功率密度。功率密度和效率分別高達 1244 W/in³ 和 96%。

DCM 系列提供三種封裝尺寸：DCM2322、DCM3623、DCM4623，具有重疊的輸入電壓範圍和輸出功率等級 (圖 4)。

圖 4：DCM 系列 DC/DC 轉換器的電氣特性總表，包括輸入和輸出電壓範圍。(圖片來源：Vicor)

三個系列轉換器的輸入電壓範圍涵蓋 9 至 420 V，SELV 輸出的步進範圍為 3 至 52.8 VDC。輸出電壓限制可在標稱輸出電壓的 -40% 至 +10% 範圍內調整。輸出具有完整工作電流限制，可根據最大平均功率輸出將轉換器保持在安全工作區域內，無論輸出電壓設定為何。

DCM 系列包括輸入欠壓和／或過壓、過溫、輸出過壓、輸出過電流和輸出短路的故障保護。

表 1 顯示多種 DCM 產品，包括所有三種封裝尺寸以及一系列輸入電壓和最大功率範圍。

表 1：常用 DCM 轉換器的特性說明滿足各種應用要求的輸入電壓、輸出電壓、功率等級的範圍。(表格來源：Art Pini)

此表簡要說明各範例 DCM 轉換器的主要特性及其實體尺寸。這只是一小部份的 DCM 型號。

典型應用

DCM 轉換器可單獨使用，大多數也可以並聯使用。單獨使用時，輸出可為多個負載供電，包括非隔離負載點 (POL) 穩壓器 (圖 5)。

圖 5：DCM3623T75H06A6T00 驅動直接負載以及非隔離式 POL 穩壓器的典型應用。(圖片來源：Vicor)

此電路很直觀。組件 L1、C1、R4、C4、Cy 構成輸入 EMI 濾波器。輸出電容 C_Out-Ext 與 R_Out-Ext 一同提供控制迴路穩定性。電阻可以是電容的有效串聯電阻(ESR)，其值約為 10 mΩ。電容必須靠近轉換器的輸出引腳。R_dm、L_b、L₂、_、C₂ 形成差模輸出濾波器。濾波器的截止頻率設定為切換頻率的十分之一。

大多數 DCM 轉換器都可以在其輸出並聯的情況下運作 (陣列模式)。透過組合多達八個模組的輸出，可以增加提供給負載的功率輸出 (圖 6)。

圖 6：此電路顯示驅動共同負載的四個 DCM 轉換器的並聯陣列作業。(圖片來源：Vicor)

外部元件執行與單一轉換器範例中相同的功能。在陣列模式下，每個 DCM 模組的輸出電容值必須在串聯電感前達到最低，並且必須位於比輸出接面更靠近各個轉換器的位置。在所有「N」個 DCM 模組同時啟動的陣列中，輸出電容的最大值可能高達 C_out-Ext 的 N 倍。還需電源阻抗小於 DCM 陣列輸入阻抗的一半，以確保穩定性及最大程度減少振鈴。

結論

車輛和電動車等應用正經歷大轉變，從集中式 PDN 架構轉向分散式 PDN 架構。若使用離散元件設計 DC/DC 轉換器，要滿足相關效率、功率密度、重量要求所需會相當具有挑戰性。不過，設計人員可以選擇使用 Vicor 的 DCM 系列模組化電源供應器解決方案，減少花費的時間和成本。如上所述，這些模組是採用 ChiP 和 VIA 等先進封裝的先鋒，且創新的 ZVS 拓撲具有可擴展性和多功能性，可滿足各種不同的應用。