電氣化帶來的經(jīng)濟效益和生活質(zhì)量提升推動了高壓（HV）至 48V DC-DC 轉(zhuǎn)換技術(shù)在眾多市場中的應用。隨著電池電壓的增加，集成高壓至48V轉(zhuǎn)換的電源模塊在電動汽車和其他應用中變得越來越普遍。了解雙向固定比率母線轉(zhuǎn)換器模塊如何優(yōu)化這些系統(tǒng)中的供電。
在多個行業(yè)中機器電氣化所帶來的全新且具有挑戰(zhàn)性的使用場景中，高功率密度的雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器是理想的解決方案。本文介紹了高效的固定比率 DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊如何支持瞬態(tài)回收負載，而無需昂貴且復雜的液冷系統(tǒng)。
電氣化，即全社會從化石燃料驅(qū)動的機器轉(zhuǎn)向電力驅(qū)動的趨勢，正在席卷所有工業(yè)、車輛以及航空航天/國防設備領域。推動這一趨勢的經(jīng)濟和文化因素廣為人知且是普遍公認的。電氣化既有環(huán)保優(yōu)勢（例如減少相關(guān)的碳排放），也帶來了關(guān)鍵的性能提升優(yōu)勢，例如大扭矩電機能夠提升電動汽車的加速性能。
電氣設備和電動汽車通常使用從 270 V 到高達 1000 V 的高壓直流電，以減少電源與負載（包括線性/旋轉(zhuǎn)電機、執(zhí)行器、傳感器、處理器以及負載點低壓穩(wěn)壓器等）間母線或線纜的功率損耗。高壓系統(tǒng)還能實現(xiàn)高水平的機械力轉(zhuǎn)換，包括線性位移和旋轉(zhuǎn)位移。
DC-DC 轉(zhuǎn)換器在將高壓轉(zhuǎn)換為低壓方面扮演著關(guān)鍵角色，支持隔離或非隔離、穩(wěn)壓及反向操作，廣泛應用于電動汽車、數(shù)據(jù)中心、通信系統(tǒng)及各類工業(yè)設備中。這些電源轉(zhuǎn)換器可以通過分立式元件或模塊化封裝形式實現(xiàn)。本文重點討論 DC-DC 轉(zhuǎn)換器電源模塊。
以前，占主導地位的直流子系統(tǒng)供電網(wǎng)絡（PDN）電壓為 12 V。而過去大約 10 年中，隨著負載功率需求的激增及遵從安全特低電壓（ SELV）安全標準的必要性，整個行業(yè)開始向 48 V（數(shù)據(jù)中心中為 54 V）過渡，催生了高壓至48 Vdc 轉(zhuǎn)換器。在這一子系統(tǒng)供電網(wǎng)絡（PDN）電壓演變的同時，業(yè)界開始采用 以48 V為中心的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器電源模塊。這些模塊具有諸多優(yōu)勢，包括易用性、高功率密度、功率可擴展性和輕量化設計，而且支持能量回收（將能量回饋至主電源）。
1 、高壓直流電在工業(yè)設備、汽車和基礎設施中的加速應用
電解電池采用快速迭代的多種化學技術(shù)，經(jīng)常用作高壓與低壓直流電源，顯然是移動（非系留）和手持應用的理想選擇。從鉛酸電池到最新的鈉離子和石墨烯電池，以及現(xiàn)代超級電容器，大多數(shù)類型的電池均可充電，因此支持再生能量系統(tǒng)，預計將在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)巨大的節(jié)能效益。
目前，電動汽車中常用電池組的標稱電壓為 400VDC 和 800VDC。將來，在能量密度不斷提高的趨勢推動下，800V 電池組或?qū)⒄紦?jù)主導地位。輕度混合動力汽車通常使用 48VDC 電池，部分廠商則選用 12VDC 多電芯電池組。電動汽車不僅包括乘用車，還涵蓋工業(yè)和農(nóng)用車輛（包括挖掘機和拖拉機等工程車輛）以及各類休閑載具平臺（如個人水上交通工具、四驅(qū)越野車、雪地摩托、摩托車等）。除了續(xù)航里程有限和充電所需時間較長等劣勢外，這些車輛類型的電動版本在最終用戶體驗（如加速性能、扭矩輸出和駕乘品質(zhì)）方面往往優(yōu)于內(nèi)燃機車型。
2、為什么 48VDC 電源正取代 12VDC 電源？
更高的電壓能夠以較低的電流輸出相同的功率。由于配電功率損耗（通常使用銅或鋁母線或電纜）與電流的平方成正比（P = I2R），因此在高功率應用中，可以通過使用更高的配電電壓來減少由母線和電纜電阻引起的大量傳導損耗。母線和電纜的線規(guī)是根據(jù)電流承載能力（安培容量）確定的。電壓提高 4 倍，電流減小 4 倍，對尺寸、重量和成本有顯著影響。例如，要傳導 200A 的電流，銅母線的橫截面積需要達到大約 0.0625 平方英寸；而要傳導 800A 的電流，導線的橫截面積需要達到大約 0.3125 平方英寸，相差五倍。
48VDC 供電網(wǎng)絡中使用的母線和電纜比 12VDC 供電網(wǎng)絡中所用的線纜更細、更輕，因此成本更低。
3、探索使用固定比率轉(zhuǎn)換器模塊，實現(xiàn)從高壓到 48V 的轉(zhuǎn)換
先進的 48V 電源模塊憑借其技術(shù)能力，正在解鎖新的效率和性能水平。例如，Vicor BCM6135 是一個固定比率隔離式（4242 V）母線轉(zhuǎn)換器電源模塊系列，集成了磁性元件，設計本身具有雙向轉(zhuǎn)換功能，支持再生電池應用。
該系列包含一種額定穩(wěn)態(tài)功率為 2.5 kW 的模塊，其比率轉(zhuǎn)換“K因子”（相當于變壓器的匝數(shù)比）為 1/16，用于將將標稱 800 V 的電壓轉(zhuǎn)換為 50 V。
該模塊采用先進的電路拓撲和零電壓開關(guān)（ZVS）及零電流開關(guān)（VCS）技術(shù)，其峰值效率高達 97.3%，意味著輸入功率中只有 2.7% 轉(zhuǎn)化為熱損耗（約2.7% x 2.5 kW的熱功率）。在峰值功率為 3.1kW 且設備外殼溫度（TCASE）保持在 70°C 時，這些熱量需要通過適當?shù)臒峁芾磉M行散熱。它的體積功率密度高達 159kW/L（模塊尺寸為 61.3mm x 35.4mm x 7.3mm）；模塊重量為 58g，連續(xù)質(zhì)量功率密度為 43.1W/g。
BCM6135（如圖 1 所示）支持瞬時雙向啟動和穩(wěn)態(tài)運行。此外，它可用作電容倍增器，將高壓（HI）母線上的大容量電容按 K 因子的平方（162 = 256）縮放到低壓（LO）母線。該特性節(jié)省了低壓母線上原本所需的旁路電容或大容量電容的成本、重量和空間。
圖1 BCM6135 母線轉(zhuǎn)換器模塊
此外，該BCM的高開關(guān)頻率使其具備極快的負載階躍瞬態(tài)性能（di/dt），達到 8 MA/s，因此可以替代輔助電池和超級電容器，可在高性能計算和電動汽車等苛刻應用中支持瞬態(tài)負載階躍。
該 BCM 具有很寬的輸入電壓范圍（520V 至 920V），可以支持廣泛的直流電壓配電標準。寬輸入電壓范圍是 BCM 中采用的專有正弦振幅轉(zhuǎn)換器?（SAC?）拓撲的特性之一。寬輸入電壓范圍的意義重大；這在德國汽車工業(yè)協(xié)會（VDA）的推薦中得到了很好的闡釋。VDA 320《機動車電氣和電子元件 - 48V 車載電源 - 要求與測試》（2025 年 1 月 20 日版），也稱為 LV 148，由奧迪、寶馬、戴姆勒、保時捷和大眾等汽車 OEM 共同制定，作為 48VDC 電壓范圍元件的通用 OEM 標準。該指南建議，電池在 36V 至 52V 之間應支持無限的工作電壓范圍，在 24V 至 54V 之間應支持有限的工作模式（如圖 2 所示）。
圖 2 VDA 320 48 Vdc 電壓范圍推薦（圖片來源：VDA）
薄型（7.3mm）BCM6135 模塊系列采用覆模和電鍍工藝以提升熱敏捷性，并通過表面貼裝端子或通孔引腳進行屏蔽和互連，其三維互連（3DI）ChiP? 封裝具有低熱阻和高熱適應性，包括連接散熱器和冷板的共面熱接口。
4、無需主動冷卻的能量回收主動懸掛
在 70°C 的高溫環(huán)境中，輸出電流為 50 A、輸出電壓為 48 V 的情況下，BCM6135 的轉(zhuǎn)換效率通常為 97.3%。這種高壓至 48 V 電源轉(zhuǎn)換模塊常用于持續(xù)負載應用，但也非常適合瞬態(tài)脈沖負載應用，而且根據(jù)負載的脈沖占空比，有可能使用被動冷卻（無需強制風冷或液冷）。再生電動汽車主動懸掛（可與主動防側(cè)傾控制結(jié)合）是一個具有瞬態(tài)特性的典型雙向使用場景。驅(qū)動主動懸掛的線性電機僅在遇到顛簸和坑洼時才被激活。這種系統(tǒng)應用最好使用峰值功率轉(zhuǎn)換指標來建模和描述。
過去的事實證明，由于尺寸、重量和成本限制，12 Vdc 不足以驅(qū)動主動懸掛電機。需要注意的是，電動汽車的 800 Vdc 主電池可用于為主動懸掛子系統(tǒng)供電，但將 800 Vdc 電源連接到車輛外圍會降低安全性，對參加事故救援的急救人員而言尤其如此。
這款 BCM6135 型號的保證峰值額定功率為 3.1 kW，持續(xù)時間為 20 ms，占空比 25%，適用于其工作電壓范圍的低端（即低線運行；完整持續(xù)工作范圍為 17 V 至 57.5 V）。和預期的一樣，峰值功率輸出在瞬態(tài)需求持續(xù)較長時間內(nèi)會降低。為主動懸掛開發(fā)應用級峰值功率規(guī)格是一項非常復雜的工作，因為最壞情況下的路況、冷卻方法、尺寸、重量和成本限制目標的變化可能非常大。然而，為了盡可能減小尺寸、減輕重量和降低成本，汽車廠商通常傾向于使用被動散熱方法（即傳導/對流散熱器，但無風扇強制風冷或循環(huán)液冷板）來為主動懸掛 DC-DC 轉(zhuǎn)換器子系統(tǒng)散熱。
要使設計滿足這些約束條件，挑戰(zhàn)在于驗證電源轉(zhuǎn)換器模塊能夠滿足峰值瞬態(tài)負載需求，而不會因過熱而導致模塊關(guān)閉。BCM6135 的兩面均經(jīng)過電鍍處理，理想情況下散熱器應同時接觸封裝的兩面。該模塊的封裝熱容為 44.5 J/K，配備有一個內(nèi)部溫度傳感器，結(jié)合雙面熱模型，可估算內(nèi)部 MOSFET 的最高“結(jié)”溫，如圖 3 和圖 4 所示。
圖3 基于電路元件等效法的 BCM6135雙面冷卻熱阻模型
圖4 BCM6135 雙面注釋熱阻模型及其元件值注釋
5、內(nèi)部模塊溫度分布估算
熱容用于計算模塊在瞬態(tài)熱事件期間的熱時間常數(shù)。該時間常數(shù)是熱容與熱阻的乘積。產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中給出的熱容值是一個計算值，假設產(chǎn)品在瞬態(tài)熱事件期間內(nèi)部（整個模塊）始終保持均勻的溫度。這是一種線性化的簡化，但它使產(chǎn)品設計師能夠在產(chǎn)品設計周期的早期快速估算產(chǎn)品溫度隨時間變化的行為。內(nèi)部溫度均勻的簡化處理還意味著，當使用散熱器對 48 V 電源模塊進行雙面冷卻時，熱時間常數(shù)能更好地反映實際產(chǎn)品性能。
例如，圖5顯示了模擬 BCM6135 熱阻的等效電路。電阻器類似于熱阻，單位為攝氏度每瓦[°C/W]。電流源類似于熱源，單位為瓦[W]。電壓源在此電路模型中類似于溫度源，單位為攝氏度[°C]。
圖5 BCM6135 熱模型等效電路假設封裝頂部和底部均進行冷卻，等效熱阻為 0.7°C/W，外殼溫度為 35°C。
該等效電路假設封裝頂部和底部均進行冷卻，等效熱阻為 0.7°C/W，外殼溫度為 35°C，模塊的熱容為 44.5J/K，并且模塊在 30 秒開、30 秒關(guān)的持續(xù)重復脈沖期間耗散 130W 的功率。
該電路的模擬結(jié)果如圖 6 所示；運行條件如下：VHI 為 520，VLO 為 32.5，低側(cè)峰值輸出電流為 80 A（峰值輸出功率為 2.6 kW）。在第一個功率脈沖期間，最大內(nèi)部溫度升高至約 90°C。下一個脈沖顯示最高內(nèi)部溫度升高至約 115°C。重復脈沖顯示最高內(nèi)部溫度保持在約 115°C左右。
圖6 在以下運行條件下模擬的 BCM 脈沖功率熱力學：VHI為520，VLO 為32.5，低側(cè)峰值輸出電流為 80 A。第一個功率脈沖顯示最高內(nèi)部溫度升高至約 90°C，隨后升高至約 115°C。重復脈沖顯示最高內(nèi)部溫度限制在約 115°C。
應始終對模塊進行應用測試，以驗證初始建模估算的瞬態(tài)性能，并正確設計被動對流散熱器。
6、實驗室測試結(jié)果
BCM6135 本身具有雙向轉(zhuǎn)換功能，可瞬時切換工作方向。無論電流流向如何，模塊的轉(zhuǎn)換效率保持一致。
在再生主動懸掛應用中，當車輛在平坦的路面上行駛時，800 V 電池作為電流來源，懸掛驅(qū)動電機為 48 V 負載。當車輛經(jīng)過坑洼路段時，懸掛系統(tǒng)中的電機暫時變?yōu)榘l(fā)電機（壓縮），BCM 低側(cè)的電壓升高到800 V 電池電壓除以轉(zhuǎn)換 K 因子（此應用中 K = 1/16）以上。這種電位差促使母線轉(zhuǎn)換器切換電流流動方向，而無需內(nèi)部回路控制器干預。隨后，800 V 電池暫時成為負載（回彈），通過其電池管理系統(tǒng)電路充電來恢復電能。
坑洼路段引起的位移消退后，母線轉(zhuǎn)換器將再次將 800 V 電池降壓，并為懸掛系統(tǒng)的線性電機供電。所有這些操作均無需車輛的車載處理器進行干預。這些懸掛驅(qū)動器的頻率范圍約為 1 Hz 至 10 Hz。有趣的是，道路表面的起伏本質(zhì)上類似于母線轉(zhuǎn)換器負載階躍響應的動態(tài)性。
母線轉(zhuǎn)換器高側(cè)與低側(cè)之間的電位差決定電流幅度和方向。
想象一下，低側(cè)的負載是無源負載（如電阻器），而高側(cè)有一個電勢為 800 V 的電池。BCM 相當于一個 K = 1/16 的變壓器，在低側(cè)生成 50 V 的電勢。電流將流經(jīng)該電阻器，其大小由施加在電阻器上的電壓決定。
如果在低側(cè)添加一個電勢為 51 V 的電源并替換電阻器，則 BCM 輸出（50 V）與該電源（51 V）之間的電位差將變?yōu)樨撝担?1 V），電流將開始反向流動。該電流的大小將由 BCM 內(nèi)部和電池的總路徑電阻決定。
這可以被直觀地理解為將 BCM 的高側(cè)連接到 800 V 電源，將低側(cè)連接到一個雙向電源。通過使雙向電源的電壓變化 ±100 mV，電流將在兩個方向上交替流動，峰值電流的大小為 100 mV 除以 BCM 輸出電阻。在這些假設條件下，如果母線轉(zhuǎn)換器的輸出阻抗為 25 mΩ，將產(chǎn)生約 4A 的雙向峰值電流（如圖 7 所示）。
圖7 母線轉(zhuǎn)換器雙向電流流動示波器屏幕截圖：通過使雙向電源的電壓變化 ±100 mV，母線轉(zhuǎn)換器電流將在兩個方向上交替流動，峰值電流將為 100 mV 除以 BCM 的輸出阻抗。母線轉(zhuǎn)換器的輸出阻抗典型值為 25 mΩ，因此在這些假設條件下，可獲得約 4 A 的雙向峰值電流。
在實驗室測試中（如圖 8 所示），BCM6135的峰值功率為 4 kW（50 V 時 80 A），持續(xù) 60 ms，表明該模塊設計在動態(tài)負載下具有極佳的熱穩(wěn)定性。
圖8 示波器屏幕截圖：4 kW 持續(xù) 60 ms。實驗室測試中 BCM6135 展示的峰值功率為 4 kW（50 V 時 80 A），持續(xù)時間為 60 ms，表明該模塊設計在動態(tài)負載下具有極佳的熱穩(wěn)定性。
在第二次實驗室測試中（如圖 9 所示），負載以脈沖形式從 16 A 切換至 80 A，占空比為 10%（900 ms 為 16 A，100 ms 為 80 A）。運行條件為 520 VHI 和 32.5 VLO，這是 BCM6135 支持的電壓范圍的低端。平均功率為 720 W（32.5 V 時22 A）。在 30 分鐘（1800秒）的測試過程中，內(nèi)部傳感器的“讀取溫度”（結(jié)溫的替代指標）顯示穩(wěn)態(tài)溫度約為 100°C，遠低于允許的最高結(jié)溫 125°C。測試設置采用單面散熱器被動冷卻方式。這進一步證明了目標被動冷卻應用的可行性。
圖9 10% 的占空比，16 A 至 80 A 負載階躍，1800 秒后穩(wěn)態(tài)溫度讀數(shù)為 100°C（使用單面散熱片）。
另一方面，在第三次實驗室測試中（如圖 10 所示），使用相同的熱管理設置，平均功率增加至1.1 kW（50 V 時 22 A）。此測試的運行條件為 800 VHI 和 50 VLO；這是 BCM6135 支持的電壓范圍的高端。負載從 17.5 A 切換至 70 A，占空比為 10%（900 ms 為 17.5 A， 100 ms為 70 A）。在 7.5 分鐘的測試時間內(nèi)，傳感器測得的內(nèi)部溫度為 100°C，且仍在上升（未達到穩(wěn)態(tài)）。但 7.5 分鐘（450 秒）的持續(xù)時間遠超 20 秒，因此這是一個積極的信號，表明 BCM6135 可能滿足某些主動懸掛的設計要求。
圖 10 平均輸出功率為 1.1 kW，450 秒后讀取的非穩(wěn)態(tài)溫度為 100°C（使用單面散熱器）。
最終，實驗結(jié)果表明，在密封外殼的工作溫度范圍內(nèi)，使用被動冷卻散熱器時，BCM6135 可支持 1.3 kW 的平均功率，持續(xù) 30 秒。
主動懸掛的設計目標包括對路面狀況的假設（可緩解的顛簸和坑洼的幅度及持續(xù)時間）。這些假設會直接影響 DC-DC 轉(zhuǎn)換器所需的峰值功率能力。線性電機的電磁特性也會影響 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的要求。盡管如此，BCM6135 仍是當今主動懸掛、主動防側(cè)傾控制 DC-DC 轉(zhuǎn)換器子系統(tǒng)中不可或缺的母線轉(zhuǎn)換器模塊。
7、結(jié)束語
電氣化具有明顯的經(jīng)濟性和提升生活質(zhì)量的優(yōu)勢，正推動著全球各類設備日益采用高壓至 48V DC-DC 轉(zhuǎn)換。
隨著電池電壓的增加和 48 V 低壓母線的普及，集成式高壓至 48V 電源模塊在電動汽車（EV）和混合動力汽車（HEV）中的應用日益廣泛。
新一代雙向固定比率母線轉(zhuǎn)換器模塊具有出色的電氣和散熱性能，能夠滿足瞬態(tài)再生應用（如電動汽車主動懸掛系統(tǒng)）的苛刻要求。在行業(yè)正加速采用更昂貴的液冷供電系統(tǒng)的趨勢下，本文提出的被動冷卻研究結(jié)果具有重要意義。
致謝
作者衷心感謝 Vicor 的同事在本文撰寫過程中提供的幫助，特別是 Haris Muhedinovic、Lap Nguyen 和 Alexander Parady。
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