在多個(gè)行業(yè)中機(jī)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(fù)載，而無需昂貴且復(fù)雜的液冷系統(tǒng)。

電氣化，即全社會(huì)從化石燃料驅(qū)動(dòng)的機(jī)器轉(zhuǎn)向電力驅(qū)動(dòng)的趨勢(shì)，正在席卷所有工業(yè)、車輛以及航空航天/國防設(shè)備領(lǐng)域。推動(dòng)這一趨勢(shì)的經(jīng)濟(jì)和文化因素廣為人知且是普遍公認(rèn)的。電氣化既有環(huán)保優(yōu)勢(shì)（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(shì)，例如大扭矩電機(jī)能夠提升電動(dòng)汽車的加速性能。

電氣設(shè)備和電動(dòng)汽車通常使用從 270V 到高達(dá) 1000V 的高壓直流電，以減少電源與負(fù)載（包括線性/旋轉(zhuǎn)電機(jī)、執(zhí)行器、傳感器、處理器以及負(fù)載點(diǎn)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(shí)現(xiàn)高水平的機(jī)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(yīng)用于電動(dòng)汽車、數(shù)據(jù)中心、通信系統(tǒng)及各類工業(yè)設(shè)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(shí)現(xiàn)。本文重點(diǎn)討論DC-DC 轉(zhuǎn)換器電源模塊。

以前，占主導(dǎo)地位的直流子系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）電壓為 12V。而過去大約 10 年中，隨著負(fù)載功率需求的激增及遵從安全特低電壓（ SELV）安全標(biāo)準(zhǔn)的必要性，整個(gè)行業(yè)開始向 48V（數(shù)據(jù)中心中為 54V）過渡，催生了高壓至 48VDC轉(zhuǎn)換器。在這一子系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）電壓演變的同時(shí)，業(yè)界開始采用 以 48V 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(shì)，包括易用性、高功率密度、功率可擴(kuò)展性和輕量化設(shè)計(jì)，而且支持能量回收（將能量回饋至主電源）。

高壓直流電在工業(yè)設(shè)備、汽車和基礎(chǔ)設(shè)施中的加速應(yīng)用

電解電池采用快速迭代的多種化學(xué)技術(shù)，經(jīng)常用作高壓與低壓直流電源，顯然是移動(dòng)（非系留）和手持應(yīng)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(jí)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(yù)計(jì)將在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)巨大的節(jié)能效益。

目前，電動(dòng)汽車中常用電池組的標(biāo)稱電壓為 400VDC和 800VDC。將來，在能量密度不斷提高的趨勢(shì)推動(dòng)下，800V 電池組或?qū)⒄紦?jù)主導(dǎo)地位。輕度混合動(dòng)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(dòng)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(jī)和拖拉機(jī)等工程車輛）以及各類休閑載具平臺(tái)（如個(gè)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(shí)間較長等劣勢(shì)外，這些車輛類型的電動(dòng)版本在最終用戶體驗(yàn)（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(jī)車型。

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(yīng)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(dǎo)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(duì)尺寸、重量和成本有顯著影響。例如，要傳導(dǎo) 200A 的電流，銅母線的橫截面積需要達(dá)到大約 0.0625 平方英寸；而要傳導(dǎo) 800A 的電流，導(dǎo)線的橫截面積需要達(dá)到大約 0.3125 平方英寸，相差五倍。48VDC供電網(wǎng)絡(luò)中使用的母線和電纜比 12VDC供電網(wǎng)絡(luò)中所用的線纜更細(xì)、更輕，因此成本更低。

探索使用固定比率轉(zhuǎn)換器模塊

實(shí)現(xiàn)從高壓到 48V 的轉(zhuǎn)換

先進(jìn)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，VicorBCM6135是一個(gè)固定比率隔離式（4242V）母線轉(zhuǎn)換器電源模塊系列，集成了磁性元件，設(shè)計(jì)本身具有雙向轉(zhuǎn)換功能，支持再生電池應(yīng)用。

該系列包含一種額定穩(wěn)態(tài)功率為 2.5kW 的模塊，其比率轉(zhuǎn)換“K 因子”（相當(dāng)于變壓器的匝數(shù)比）為 1/16，用于將將標(biāo)稱 800V 的電壓轉(zhuǎn)換為 50V。

該模塊采用先進(jìn)的電路拓?fù)浜土汶妷洪_關(guān)（ZVS）及零電流開關(guān)（VCS）技術(shù)，其峰值效率高達(dá) 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 2.5kW 的熱功率）。在峰值功率為 3.1kW 且設(shè)備外殼溫度（TCASE）保持在 70°C 時(shí)，這些熱量需要通過適當(dāng)?shù)臒峁芾磉M(jìn)行散熱。它的體積功率密度高達(dá) 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。

圖 1：BCM6135 母線轉(zhuǎn)換器模塊。

BCM6135（如圖 1 所示）支持瞬時(shí)雙向啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)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。

此外，該 BCM 的高開關(guān)頻率使其具備極快的負(fù)載階躍瞬態(tài)性能（di/dt），達(dá)到 8 MA/s，因此可以替代輔助電池和超級(jí)電容器，可在高性能計(jì)算和電動(dòng)汽車等苛刻應(yīng)用中支持瞬態(tài)負(fù)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(biāo)準(zhǔn)。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?fù)涞奶匦灾弧捿斎腚妷悍秶囊饬x重大；這在德國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)（VDA）的推薦中得到了很好的闡釋。VDA 320《機(jī)動(dòng)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)。該指南建議，電池在 36V 至 52V 之間應(yīng)支持無限的工作電壓范圍，在 24V 至 54V 之間應(yīng)支持有限的工作模式（如圖 2 所示）。

圖 2：VDA 320 48VDC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(jìn)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(yīng)性，包括連接散熱器和冷板的共面熱接口。

無需主動(dòng)冷卻的能量回收主動(dòng)懸掛

在 70°C 的高溫環(huán)境中，輸出電流為 50A、輸出電壓為 48V 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(fù)載應(yīng)用，但也非常適合瞬態(tài)脈沖負(fù)載應(yīng)用，而且根據(jù)負(fù)載的脈沖占空比，有可能使用被動(dòng)冷卻（無需強(qiáng)制風(fēng)冷或液冷）。再生電動(dòng)汽車主動(dòng)懸掛（可與主動(dòng)防側(cè)傾控制結(jié)合）是一個(gè)具有瞬態(tài)特性的典型雙向使用場景。驅(qū)動(dòng)主動(dòng)懸掛的線性電機(jī)僅在遇到顛簸和坑洼時(shí)才被激活。這種系統(tǒng)應(yīng)用最好使用峰值功率轉(zhuǎn)換指標(biāo)來建模和描述。

過去的事實(shí)證明，由于尺寸、重量和成本限制，12VDC不足以驅(qū)動(dòng)主動(dòng)懸掛電機(jī)。需要注意的是，電動(dòng)汽車的 800VDC主電池可用于為主動(dòng)懸掛子系統(tǒng)供電，但將 800VDC電源連接到車輛外圍會(huì)降低安全性，對(duì)參加事故救援的急救人員而言尤其如此。

這款 BCM6135 型號(hào)的保證峰值額定功率為 3.1kW，持續(xù)時(shí)間為 20ms，占空比 25%，適用于其工作電壓范圍的低端（即低線運(yùn)行；完整持續(xù)工作范圍為 17V 至 57.5V）。和預(yù)期的一樣，峰值功率輸出在瞬態(tài)需求持續(xù)較長時(shí)間內(nèi)會(huì)降低。為主動(dòng)懸掛開發(fā)應(yīng)用級(jí)峰值功率規(guī)格是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，因?yàn)樽顗那闆r下的路況、冷卻方法、尺寸、重量和成本限制目標(biāo)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(dòng)散熱方法（即傳導(dǎo)/對(duì)流散熱器，但無風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷或循環(huán)液冷板）來為主動(dòng)懸掛 DC-DC 轉(zhuǎn)換器子系統(tǒng)散熱。

要使設(shè)計(jì)滿足這些約束條件，挑戰(zhàn)在于驗(yàn)證電源轉(zhuǎn)換器模塊能夠滿足峰值瞬態(tài)負(fù)載需求，而不會(huì)因過熱而導(dǎo)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(yīng)同時(shí)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(gè)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。

內(nèi)部模塊溫度分布估算

熱容用于計(jì)算模塊在瞬態(tài)熱事件期間的熱時(shí)間常數(shù)。該時(shí)間常數(shù)是熱容與熱阻的乘積。產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的熱容值是一個(gè)計(jì)算值，假設(shè)產(chǎn)品在瞬態(tài)熱事件期間內(nèi)部（整個(gè)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(shè)計(jì)師能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的早期快速估算產(chǎn)品溫度隨時(shí)間變化的行為。內(nèi)部溫度均勻的簡化處理還意味著，當(dāng)使用散熱器對(duì) 48V 電源模塊進(jìn)行雙面冷卻時(shí)，熱時(shí)間常數(shù)能更好地反映實(shí)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(shè)封裝頂部和底部均進(jìn)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(shè)封裝頂部和底部均進(jìn)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(fù)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(yùn)行條件如下：VHI為 520，VLO為 32.5，低側(cè)峰值輸出電流為 80A（峰值輸出功率為 2.6kW）。在第一個(gè)功率脈沖期間，最大內(nèi)部溫度升高至約 90°C。下一個(gè)脈沖顯示最高內(nèi)部溫度升高至約 115°C。重復(fù)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(yùn)行條件下模擬的 BCM 脈沖功率熱力學(xué)：VHI 為 520，VLO 為 32.5，低側(cè)峰值輸出電流為 80A。第一個(gè)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(fù)脈沖顯示最高內(nèi)部溫度限制在約 115°C。

應(yīng)始終對(duì)模塊進(jìn)行應(yīng)用測試，以驗(yàn)證初始建模估算的瞬態(tài)性能，并正確設(shè)計(jì)被動(dòng)對(duì)流散熱器。

實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果

BCM6135 本身具有雙向轉(zhuǎn)換功能，可瞬時(shí)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(dòng)懸掛應(yīng)用中，當(dāng)車輛在平坦的路面上行駛時(shí)，800 V 電池作為電流來源，懸掛驅(qū)動(dòng)電機(jī)為 48V 負(fù)載。當(dāng)車輛經(jīng)過坑洼路段時(shí)，懸掛系統(tǒng)中的電機(jī)暫時(shí)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)（壓縮），BCM 低側(cè)的電壓升高到800V 電池電壓除以轉(zhuǎn)換 K 因子（此應(yīng)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(dòng)方向，而無需內(nèi)部回路控制器干預(yù)。隨后，800V 電池暫時(shí)成為負(fù)載（回彈），通過其電池管理系統(tǒng)電路充電來恢復(fù)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(jī)供電。所有這些操作均無需車輛的車載處理器進(jìn)行干預(yù)。這些懸掛驅(qū)動(dòng)器的頻率范圍約為 1Hz 至 10Hz。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(fù)載階躍響應(yīng)的動(dòng)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(fù)載是無源負(fù)載（如電阻器），而高側(cè)有一個(gè)電勢(shì)為 800V 的電池。BCM 相當(dāng)于一個(gè) K = 1/16 的變壓器，在低側(cè)生成 50V 的電勢(shì)。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(gè)電勢(shì)為 51V 的電源并替換電阻器，則 BCM 輸出（50V）與該電源（51V）之間的電位差將變?yōu)樨?fù)值（-1V），電流將開始反向流動(dòng)。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 800V 電源，將低側(cè)連接到一個(gè)雙向電源。通過使雙向電源的電壓變化 ±100mV，電流將在兩個(gè)方向上交替流動(dòng)，峰值電流的大小為 100mV 除以 BCM 輸出電阻。在這些假設(shè)條件下，如果母線轉(zhuǎn)換器的輸出阻抗為 25mΩ，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(dòng)示波器屏幕截圖：通過使雙向電源的電壓變化 ±100mV，母線轉(zhuǎn)換器電流將在兩個(gè)方向上交替流動(dòng)，峰值電流將為 100mV 除以 BCM 的輸出阻抗。母線轉(zhuǎn)換器的輸出阻抗典型值為 25mΩ，因此在這些假設(shè)條件下，可獲得約 4A 的雙向峰值電流。

在實(shí)驗(yàn)室測試中（如圖 8 所示），BCM6135 的峰值功率為 4kW（50V 時(shí) 80A），持續(xù) 60ms，表明該模塊設(shè)計(jì)在動(dòng)態(tài)負(fù)載下具有極佳的熱穩(wěn)定性。

圖 8：示波器屏幕截圖：4kW 持續(xù) 60ms。實(shí)驗(yàn)室測試中 BCM6135 展示的峰值功率為 4kW（50V 時(shí) 80A），持續(xù)時(shí)間為 60ms，表明該模塊設(shè)計(jì)在動(dòng)態(tài)負(fù)載下具有極佳的熱穩(wěn)定性。

在第二次實(shí)驗(yàn)室測試中（如圖 9 所示），負(fù)載以脈沖形式從 16A 切換至 80A，占空比為 10%（900ms 為 16A，100ms 為 80A）。運(yùn)行條件為 520VHI和 32.5VLO，這是 BCM6135 支持的電壓范圍的低端。平均功率為 720W（32.5V 時(shí)22A）。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(biāo)）顯示穩(wěn)態(tài)溫度約為 100°C，遠(yuǎn)低于允許的最高結(jié)溫 125°C。測試設(shè)置采用單面散熱器被動(dòng)冷卻方式。這進(jìn)一步證明了目標(biāo)被動(dòng)冷卻應(yīng)用的可行性。

圖 9：10% 的占空比，16A 至 80A 負(fù)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）。

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）。

另一方面，在第三次實(shí)驗(yàn)室測試中（如圖 10 所示），使用相同的熱管理設(shè)置，平均功率增加至 1.1kW（50V 時(shí) 22A）。此測試的運(yùn)行條件為 800VHI和 50VLO；這是 BCM6135 支持的電壓范圍的高端。負(fù)載從 17.5A 切換至 70A，占空比為 10%（900ms 為 17.5A， 100ms 為 70A）。在 7.5 分鐘的測試時(shí)間內(nèi)，傳感器測得的內(nèi)部溫度為 100°C，且仍在上升（未達(dá)到穩(wěn)態(tài)）。但 7.5 分鐘（450 秒）的持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)超 20 秒，因此這是一個(gè)積極的信號(hào)，表明 BCM6135 可能滿足某些主動(dòng)懸掛的設(shè)計(jì)要求。

最終，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在密封外殼的工作溫度范圍內(nèi)，使用被動(dòng)冷卻散熱器時(shí)，BCM6135 可支持 1.3kW 的平均功率，持續(xù) 30 秒。

主動(dòng)懸掛的設(shè)計(jì)目標(biāo)包括對(duì)路面狀況的假設(shè)（可緩解的顛簸和坑洼的幅度及持續(xù)時(shí)間）。這些假設(shè)會(huì)直接影響 DC-DC 轉(zhuǎn)換器所需的峰值功率能力。線性電機(jī)的電磁特性也會(huì)影響 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的要求。盡管如此，BCM6135 仍是當(dāng)今主動(dòng)懸掛、主動(dòng)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。

結(jié)論

電氣化具有明顯的經(jīng)濟(jì)性和提升生活質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)，正推動(dòng)著全球各類設(shè)備日益采用高壓至 48V DC-DC 轉(zhuǎn)換。隨著電池電壓的增加和 48V 低壓母線的普及，集成式高壓至 48V 電源模塊在電動(dòng)汽車（EV）和混合動(dòng)力汽車（HEV）中的應(yīng)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(yīng)用（如電動(dòng)汽車主動(dòng)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(shì)下，本文提出的被動(dòng)冷卻研究結(jié)果具有重要意義。