电动汽车（EV）电池架构向 800V 转变，电电压源于提升充电速率、源模压转降低电阻损耗（I2R）以及提高动力系统效率的块解WhatsApp%E3%80%90+86%2015855158769%E3%80%91portuguese%20football%20shirt需求。与此同时，决方将高区域电气架构正在兴起，案何安全通过采用 48V 本地母线来减轻线束重量。特低

将 800V 高压（HV）电池电源可靠且高效地轉(zhuǎn)換為 48V 安全特低電壓（SELV）电源，電電壓在封裝、源模壓轉(zhuǎn)熱管理、塊解系統(tǒng)安全性和瞬態(tài)響應(yīng)方面面臨顯著限制。決方將高要實(shí)現(xiàn)更優(yōu)性能，案何安全關(guān)鍵在于根本性架構(gòu)轉(zhuǎn)變，特低即采用集成了高密度电源模塊的电电压更集中、更高效的源模压转转换架构，而非依赖搭配 48V 电池或超级电容器的块解分布式 DC-DC 转换器。

采用高压电源的驅(qū)動因素是什么？

当前电动汽车架构的趋势是主系统和辅助系统均向更高电压发展。在这两个方面，驱动因素均为提升整车效率并通过提高功率电子密度来减轻重量。

以主系统为例，从 400V 电池转向 800V 电池，在相同功率输出下可降低电流（P = IV）。因此，OEM 厂商能够减小解决方案中使用的电缆线径，从而实现系统减重并提升整体效率。WhatsApp%E3%80%90+86%2015855158769%E3%80%91portuguese%20football%20shirt輔助系統(tǒng)則正從集中式 12V 配電架構(gòu)轉(zhuǎn)向區(qū)域架構(gòu)，即從多個節(jié)點(diǎn)提供 48V 电源，每個節(jié)點(diǎn)配備用于 12V 電壓調(diào)節(jié)的板載 DC-DC 轉(zhuǎn)換。與 800V 轉(zhuǎn)型類似，48V 區(qū)域架構(gòu)也使 OEM 廠商能夠減少銅材使用并簡化布線。

這兩種轉(zhuǎn)變都為電動汽車系統(tǒng)帶來了顯著優(yōu)勢，但同時也給從事高压至安全特低電壓轉(zhuǎn)換的汽車和电源工程師帶來了諸多緊迫的技術(shù)挑戰(zhàn)。以下列出了八大最常見的挑戰(zhàn)：

高压至安全特低電壓轉(zhuǎn)換的八大挑戰(zhàn)與电源模塊解決方案

1.电压调节与效率

过去，内燃机汽车中使用的交流发电机提供稳定的输出电压，为系统电子设备供电。而电动汽车使用电池为系统供电，但由于压降和充电放电状态等因素，其输出电压并不稳定。

由德國汽車工業(yè)協(xié)會（VDA）制定的 VDA320 規(guī)范建議 48V 系統(tǒng)的工作電壓范圍為 36V 至 52V。確保所提供電壓不超出該范圍的一種方式是采用穩(wěn)壓 DC-DC 转换器。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的高压至 48V 转换器在理想條件下可實(shí)現(xiàn) 95% – 97% 的峰值效率，但實(shí)際運(yùn)行中全部滿足這些條件的情況很少，并且大多數(shù)转换器在現(xiàn)實(shí)運(yùn)行中處理的部分負(fù)載會降低效率。

正弦振幅转换器（SAC）电源模塊可用于替代常規(guī)穩(wěn)壓 DC-DC 转换器。SAC 模塊以固定比例轉(zhuǎn)換輸入電壓，如 2:1、4:1、6:1、16:1 和 32:1。以 16:1 比率為例，800V 電池輸出電壓范圍為 576V 至 832V（在電池的預(yù)期變化范圍內(nèi)）時，可轉(zhuǎn)換為 VDA320 定義的 36V 至 52V 輸出范圍。

SAC 模塊比穩(wěn)壓 DC-DC 转换器更高效，在環(huán)境溫度為 25°C 時可實(shí)現(xiàn) 98% – 99% 的峰值效率，且其效率曲線在 50% 輸出負(fù)載附近達(dá)到最優(yōu)（見圖 1）。半負(fù)載是電動汽車配電（非同時運(yùn)行的負(fù)載）實(shí)際平均使用的理想點(diǎn)，因此是系統(tǒng)優(yōu)化的理想運(yùn)行條件。

圖 1：正弦振幅转换器（SAC）电源模塊（如BCM6135）可用于替代穩(wěn)壓 DC-DC 转换器，以減小尺寸并提高效率。BCM6135 在 25°C 下的實(shí)測效率顯示，半負(fù)載時的峰值效率約為 97.5%。

2. 更高电压下的安全与隔离

隨著電壓升高，安全性成為更關(guān)鍵的設(shè)計考量。由于超過 60VDC（安全特低電壓閾值）即被視為具有致命風(fēng)險，800V 系統(tǒng)對用戶和技術(shù)人員構(gòu)成顯著安全隱患。因此，在高压至安全特低電壓轉(zhuǎn)換設(shè)計中，隔離尤為關(guān)鍵。

基于开关拓扑的分立式设计在实现高隔离等级方面存在局限，原因包括组件间的寄生电容、爬電距離與电气間隙不足，以及在保持隔離層絕緣完整性的同時難以同步高速開關(guān)操作。

采用正弦振幅转换器拓?fù)涞?#30005;源模塊可通過零電壓和零电流開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)極高的電壓隔離等級。這些軟開關(guān)技術(shù)能減少電磁干擾（EMI），最大限度地減輕隔離屏障兩側(cè)的電壓應(yīng)力，從而允許在不降低絕緣性能的前提下采用緊湊的磁性結(jié)構(gòu)。因此，电源模塊可集成高隔離等級變壓器，即便在分立式解決方案通常難以應(yīng)對的高密度、高压環(huán)境中也能保持高效運(yùn)行。

3.高压下的爬電與間隙限制

遺憾的是，隨著電壓提升，系統(tǒng)安全性與（布局）面積成為了一對不可調(diào)和的矛盾。系統(tǒng)電壓越高，導(dǎo)體之間所需的最小間距也越大，包括空氣間隙（电气間隙）和絕緣表面間距（爬電距離）。這些增加的間距要求限制了布局自由度，并增大了高压電動汽車系統(tǒng)的外殼尺寸。

因此，新兴的 800V 系统需更大的物理间距以满足爬电与间隙要求，从而防止电弧击穿。在分立式设计中，为满足安全性而增加的物理间距意味着占用更多空间，限制汽车系统的功率密度。此外，塑料老化与表面污染会在系统生命周期内增加组件失效的风险，通常需通过增加间距和材料用量来应对。

與采用分立式組件的設(shè)計不同，电源模塊可在保證安全的同時不犧牲功率密度。电源模塊可將多種組件高密度集成于更小的空間內(nèi)，采用包覆成型（overmolding）等工藝進(jìn)行保護(hù)，既可防止電弧擊穿，又能提供防塵防水能力，避免導(dǎo)電粉塵與潮氣降低介電強(qiáng)度。

4.封装与功率密度

OEM 廠商持續(xù)追求更高的功率密度，因?yàn)橄到y(tǒng)重量的減輕和體積的減小有助于提升效率，并為布局更多電池單元騰出空間。傳統(tǒng)的分立式转换器需包含輸出調(diào)節(jié)與濾波功能，在 4kW 功率下體積可能超過 2 升，重量超過 2 千克。在汽車或電動出行應(yīng)用中，空間與重量至關(guān)重要，這種方案并不理想。

高密度电源模塊通過采用多層 PCB實(shí)現(xiàn)在 X、Y、Z 軸方向的緊湊組件集成，這是分立式方案難以實(shí)現(xiàn)的。例如，將濾波功能集成到转换器模塊內(nèi)部，可節(jié)省空間并通過省去笨重的輸出滤波器提升功率密度。

此外，通過使用电源模塊，設(shè)計人員可將轉(zhuǎn)換解決方案直接置于電池殼體內(nèi)。這樣，OEM 廠商就能夠利用現(xiàn)有的熱管理與机械防护结构。通过省去单独的外壳或额外的冷却回路，还可进一步节省重量与空间（见图 2）。

图 2：基于 SAC 的解决方案更紧凑，重量更轻，占用的空间更小。与同类方案相比，其体积功率密度与重量功率密度均提升近两倍。

5. 热管理瓶颈

許多設(shè)計人員認(rèn)為，电源模塊因其高功率密度及內(nèi)部組件的緊密排列而面臨熱管理挑戰(zhàn)。然而，电源模塊可在同一封裝內(nèi)集成多個功率 MOSFET、控制器及其他组件，而不会导致热量显著增加。例如，多级高频模块的热阻可低至 1.4°C/W（引脚与非引脚侧均如此），与单一分立式功率 MOSFET 的热表现相当（图 3）。

电源模塊還簡化了散熱設(shè)計。分立式解決方案包含眾多組件，為滿足爬電與間隙要求需分散布置，因組件高度和位置不一而難以有效散熱。相反，电源模塊將所有組件集成到單一封裝內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了基板直接冷卻（direct-to-baseplate cooling），從而消除了散熱（heat spreading）或外部散热孔的需求。

圖 3：盡管屬于高度集成解決方案，电源模塊的熱性能與單個功率 MOSFET 相當(dāng)。

6. 瞬态响应

电动汽车系统的性能与实时响应能力往往关乎生命安全。例如，转向和制动等子系统需要在毫秒级动态负载阶跃下立即获得供电，否则可能失效并危及驾乘人员安全。

從某些方面講，這是電池供電系統(tǒng)的固有局限：傳統(tǒng)電動汽車電池的瞬態(tài)響應(yīng)約為 250A/秒。當(dāng)采用基于傳統(tǒng)開關(guān)拓?fù)涞姆至⑹?#36716;换器方案進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)時，其瞬態(tài)響應(yīng)受限于转换器的開關(guān)頻率，通常不超過 100kHz。

高密度电源模塊不依賴傳統(tǒng)開關(guān)拓?fù)洌虼似渌矐B(tài)響應(yīng)不受转换器開關(guān)頻率的限制。所以，基于正弦振幅转换器的电源模塊可實(shí)現(xiàn)超過 8,000,000A/s 的瞬態(tài)響應(yīng)（di/dt）（見圖 4）。該电源模塊響應(yīng)速度快（歸功于其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和無源組件的行為），因此高密度模塊化實(shí)現(xiàn)方法還可以消除控制回路延遲，從而加快響應(yīng)速度。

圖 4：BCM 模塊能夠在輸入電壓（VIN）和輸出電壓（VOUT）之間提供完全線性的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可輸送純凈、無噪聲的电流，且無任何過沖或振鈴風(fēng)險。

7. 48V 電池與超級电容

大多数标准电动汽车架构需配置 48V 锂离子电池組或超級电容陣列，以緩沖瞬態(tài)負(fù)載變化并維持穩(wěn)定性。這并非理想方案，因?yàn)殡姵亍?#30005;容及相關(guān)電路會顯著增加成本、重量和空間負(fù)擔(dān)。

高密度电源模塊移除了 DCM/PRM 級，代之以單一高速、高效模塊，從而解決了這一問題（見圖 5）。基于正弦振幅转换器的模塊瞬態(tài)響應(yīng)速度較電池快 32,000 倍，可滿足輔助系統(tǒng)的負(fù)載需求。

由于具備雙向運(yùn)行能力與低阻抗特性，电源模塊還可將电容性或再生性負(fù)載的能量直接回饋至高压母線，而無需外部邏輯電路或繼電器。該模塊具有零延遲極性反轉(zhuǎn)功能，可消除對 MCU管理的方向控制的需求，简化集成过程，无需额外开销，并确保运行始终既无源又对称。

图 5：BCM 模块性能出色，可完全取代 48V 电池。

8. 峰值功率需求

傳統(tǒng)分立式 DC-DC 转换器受功率限制，需配備电流限制等保護(hù)功能，導(dǎo)致其無法在額定工作點(diǎn)之外運(yùn)行。這類 DC-DC 转换器的典型峰值功率等于其連續(xù)功率，即若系統(tǒng)偶爾需要 100A 的电流，转换器必須始終按 100A 的容量設(shè)計 —— 即便平均电流遠(yuǎn)低于此值。為應(yīng)對瞬態(tài)事件而過度配置转换器，會導(dǎo)致成本、體積與熱管理開銷增加。

高密度电源模塊受限于熱性能而非功率，意味著可提供超出持續(xù)功率額定值的峰值功率。例如，若模塊化 DC-DC 转换器的額定連續(xù)电流為 80A，它仍可在 20ms 時間內(nèi)或 25% 占空比條件下維持 100A 的峰值电流。

具備此類瞬態(tài)運(yùn)行能力后，OEM 廠商可按平均电流而非峰值电流合理規(guī)劃电源系統(tǒng)，從而顯著降低整車成本與重量。這對處理电机和執(zhí)行器等電感性負(fù)載尤為重要，因此類負(fù)載常出現(xiàn)啟動浪涌(start-up surge)，尤其在負(fù)載具有間歇性與非重合性特征的區(qū)域系統(tǒng)中。

消除傳統(tǒng)电源限制

向 800V 平臺與 48V 區(qū)域架構(gòu)的過渡暴露出傳統(tǒng)转换器設(shè)計的諸多局限，包括瞬態(tài)響應(yīng)差、體積龐大及對本地儲能系統(tǒng)的依賴。

對于电源設(shè)計人員而言，基于正弦振幅转换器的VicorBCM6135 电源模塊提供了從系統(tǒng)層面重新思考高压至安全特低電壓轉(zhuǎn)換的可能。采用高密度电源模塊，設(shè)計師不再需要 48V 電池，因此可以減輕重量，降低成本，并以無與倫比的功率密度與瞬態(tài)響應(yīng)速度實(shí)現(xiàn)實(shí)時雙向能量流動。

(責(zé)任編輯：娛樂)