|
高帶寬和軟開關拓撲是應對當前苛刻的電動汽車電源電子技術挑戰的理想解決方案 陳雋恆 VICOR中國汽車業務開發部高級經理 汽車電氣化可能是我們這個時代影響最廣的電源挑戰。這是汽車 OEM 廠商在從內燃機向純電動汽車轉型的過程中面臨的一個全球性問題。各地的研發團隊都在探索新的方法，試圖找到更好的解決方案來解決新舊電源的難題。 在標準電動汽車 (EV) 中，主要的設計考慮因素是配電與架構。當然，這些系統可能很復雜，其中整個車輛依靠電池（400V 或 800V）為低壓控制電子設備 (12V)提供了高壓直流， 還有一個由 AC 電源供電的電機。 在這種框架中，高壓母線上需要 DC-DC 轉換器來將電壓降至較低水平，以便為下游負載供電。這些轉換器依賴于數百K赫茲的高頻率開關。因此，它們是系統內常見的電磁干擾 (EMI) 源。為了抵消其產生 EMI ，需要在 DC-DC 轉換器輸入端部署專用 EMI 濾波器，將其作為低通濾波器，衰減超過截止頻率的噪聲。 電源架構中另一個不可或缺的組件是電機驅動器，它是將電池的 DC 輸出轉換為 AC ，為電動汽車電機供電的必需品。在能量再生和推進過程中，電機驅動器會在系統的高壓母線中產生多余的高壓紋波。這種紋波給 DC-DC 轉換器及其相關濾波器的安全性、可靠性及使用壽命帶來了重大挑戰（圖 1）。 
圖 1：電機驅動器產生的紋波影響了電動汽車的高壓母線。 紋波對 DC-DC 轉換器的危害 電機驅動器開關工作產生的高壓紋波會給 DC-DC 轉換器及其相關濾波器甚至下游電子器件帶來不利影響。 觀察濾波器會發現，由紋波引起的電壓和電流會在濾波器組件之間引起自發熱 (PLOSS = I2rms • RESR)。這種有害的發熱將導致組件退化和組件故障，最終會降低使用壽命及系統可靠性。在無阻尼濾波器設計中，這種損害會加劇，其中紋波噪聲可能會出現在 EMI 濾波器的諧振頻率上（圖 2）。在這些情況下，過壓和過流會進一步損壞組件，導致運轉失靈和突發故障。如果管理不當，波紋噪聲就會給電動汽車帶來安全隱患。
圖 2：DC-DC 轉換器輸入濾波器設計用于衰減高頻率噪聲，而且可能具有與電機驅動器頻率范圍重疊的諧振。 除了對 EMI 濾波器造成損壞外，電機驅動器紋波還會對 DC-DC 轉換器的輸出產生不良影響。 轉換器的閉環帶寬是衡量該單元在一定頻率下對波動作出響應的能力。可將它視為一個高通濾波器：如果噪聲發生的頻率高于閉環帶寬的頻率，則轉換器就無法將其濾除。 面臨的挑戰是，汽車 DC-DC 轉換器通常設計為僅幾千赫茲的閉環帶寬，而電機驅動器紋波則發生在更高的頻率。同時，作為低通的 EMI 濾波器，其截止頻率通常過高，無法衰減紋波噪聲。 最終的結果是，閉環衰減不足以減弱通過低通濾波器的噪聲，而且噪聲在轉換器輸出端會變得清晰可見。這會導致下游低壓電子產品的損壞和故障，它們無法處理這類高壓紋波。 傳統解決方案的弊端 雖然有幾種常規解決方案可以解決這些問題，但每種解決方案都有利弊。 看看電機驅動器，我們會發現一些方案，包括增加 DC 鏈路電容、修改驅動器配置文件以及在電機驅動器工作中實施“禁飛區”等。 增加 DC 鏈路電容并不理想，因為它需要較大的電容器，會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汽車中，這種解決方案沒有任何吸引力。替代方案“禁飛區”和修改驅動器配置文件都會增加控制系統的復雜性并減少驅動器選項。 濾波器層面的通用解決方案可能會是重新設計濾波器，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驅動器工作有關的噪聲。 這里的問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）。這些大型組件會占用系統空間并增加系統重量，這在尋求優化功率密度的電動汽車設計中是不可取的。讓這個問題更復雜的是，在給定頻率范圍內具有更大輸出阻抗（即更大濾波器衰減）的濾波器會導致更大的功耗和濾波器的發熱（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，這將進一步增加系統尺寸和重量。雖然濾波器可設計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），進而需要對系統重量和尺寸進行權衡。
圖 3：濾波器輸出阻抗對濾波器內部損耗產生直接影響。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 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題 一種更有效的解決方案是將高開關頻率與軟開關拓撲相結合的 DC-DC 轉換器。任何數量的 Vicor 高密度電源模塊均可實現紋波抑制。Vicor DCM™、BCM® 和 ZVS 穩壓器模塊均采用高頻率，使轉換器具有更大的閉環帶寬。這些更大的帶寬可直接轉化為更顯著的紋波抑制，因為系統可以更好地處理更寬頻率范圍內的噪聲，包括與電機驅動器工作有關的頻率（圖 5）。
圖 5：高帶寬 DC-DC 轉換器從輸入到輸出的頻率響應（即衰減）。在本實例中，Vicor 高帶寬轉換器可將高達 20kHz 的頻率衰減至少 65dB。 另外一個優勢是，使用高頻率 DC-DC 轉換器就能設計明顯更小的 EMI 濾波器，節省空間、減輕重量。由于濾波器不再需要適應較低的頻率，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現更小的濾波器組件，進而實現更高功率密度的系統。 同樣重要的是要注意，更高的開關頻率并不一定意味著更糟糕的 EMI 足跡。使用適當的軟開關拓撲和控制器，不僅可保持低噪聲量級，而且還可簡化對其的衰減，因為 EMI 濾波器可從寄生參數中解放出來。 通過這種方式，Vicor 高帶寬電源模塊可幫助汽車系統提高紋波抑制能力、可靠性和功率密度（圖 6）。
圖 6：Vicor DC-DC 轉換器將高帶寬與軟開關拓撲相結合，比傳統解決方案更有效地解決了電動汽車中與紋波抑制相關的難題。 改善汽車供電網絡 由于電機驅動器運行產生的高壓紋波影響，設計可靠的高功率密度汽車系統極具挑戰性。許多人試圖通過增加 DC-DC 轉換器濾波器的組件尺寸來解決這個問題，結果導致系統變得更龐大、更重。鑒于系統重量會直接影響行駛里程，因此汽車供電網絡 (PDN) 不適合使用更大、更重的電源組件。 相反，Vicor 通過具有高帶寬和軟開關拓撲獨特組合的緊湊型 DC-DC 電源模塊，游刃有余地解決了這些問題。Vicor 模塊化解決方案可帶來更穩健可靠、功率密度更高的 PDN。Vicor 電源模塊易于散熱，效率高，并可簡化電源系統設計。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展性，是當前動態 xEV 的理想解決方案。 汽車 PDN 從未在如此短的時間內經歷如此極端的變革。隨著 OEM 廠商減少對內燃機的投資，研發團隊面臨無數的電源電子技術挑戰，向 48V 母線的過渡使其更加復雜。在有限的空間內工作時，紋波抑制是更復雜的電源挑戰之一。幸運的是，Vicor 緊湊型電源模塊（DC-DC 轉換器）系列采用高頻率和軟開關拓撲，是應對當前苛刻的電動汽車電源電子技術挑戰的理想解決方案。 |
