電動汽車（EV）電池架構向 800V 轉變，源于提升充電速率、降低電阻損耗（I2R）以及提高動力系統(tǒng)效率的需求。與此同時，區(qū)域電氣架構正在興起，通過采用 48V 本地母線來減輕線束重量。

將 800V 高壓（HV）電池電源可靠且高效地轉換為 48V 安全特低電壓（SELV）電源，在封裝、熱管理、系統(tǒng)安全性和瞬態(tài)響應方面面臨顯著限制。要實現更優(yōu)性能，關鍵在于根本性架構轉變，即采用集成了高密度電源模塊的更集中、更高效的轉換架構，而非依賴搭配 48V 電池或超級電容器的分布式 DC-DC 轉換器。

采用高壓電源的驅動因素是什么？

當前電動汽車架構的趨勢是主系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)均向更高電壓發(fā)展。在這兩個方面，驅動因素均為提升整車效率并通過提高功率電子密度來減輕重量。

以主系統(tǒng)為例，從 400V 電池轉向 800V 電池，在相同功率輸出下可降低電流（P = IV）。因此，OEM 廠商能夠減小解決方案中使用的電纜線徑，從而實現系統(tǒng)減重并提升整體效率。輔助系統(tǒng)則正從集中式 12V 配電架構轉向區(qū)域架構，即從多個節(jié)點提供 48V 電源，每個節(jié)點配備用于 12V 電壓調節(jié)的板載 DC-DC 轉換。與 800V 轉型類似，48V 區(qū)域架構也使 OEM 廠商能夠減少銅材使用并簡化布線。

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

高壓至安全特低電壓轉換的八大挑戰(zhàn)與電源模塊解決方案

1.電壓調節(jié)與效率

過去，內燃機汽車中使用的交流發(fā)電機提供穩(wěn)定的輸出電壓，為系統(tǒng)電子設備供電。而電動汽車使用電池為系統(tǒng)供電，但由于壓降和充電放電狀態(tài)等因素，其輸出電壓并不穩(wěn)定。

由德國汽車工業(yè)協會（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 轉換器。大多數標準的高壓至 48V 轉換器在理想條件下可實現 95% – 97% 的峰值效率，但實際運行中全部滿足這些條件的情況很少，并且大多數轉換器在現實運行中處理的部分負載會降低效率。

正弦振幅轉換器（SAC）電源模塊可用于替代常規(guī)穩(wěn)壓 DC-DC 轉換器。SAC 模塊以固定比例轉換輸入電壓，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（在電池的預期變化范圍內）時，可轉換為 VDA320 定義的 36V 至 52V 輸出范圍。

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

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

2. 更高電壓下的安全與隔離

隨著電壓升高，安全性成為更關鍵的設計考量。由于超過 60VDC（安全特低電壓閾值）即被視為具有致命風險，800V 系統(tǒng)對用戶和技術人員構成顯著安全隱患。因此，在高壓至安全特低電壓轉換設計中，隔離尤為關鍵。

基于開關拓撲的分立式設計在實現高隔離等級方面存在局限，原因包括組件間的寄生電容、爬電距離與電氣間隙不足，以及在保持隔離層絕緣完整性的同時難以同步高速開關操作。

采用正弦振幅轉換器拓撲的電源模塊可通過零電壓和零電流開關技術實現極高的電壓隔離等級。這些軟開關技術能減少電磁干擾（EMI），最大限度地減輕隔離屏障兩側的電壓應力，從而允許在不降低絕緣性能的前提下采用緊湊的磁性結構。因此，電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對的高密度、高壓環(huán)境中也能保持高效運行。

3.高壓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和的矛盾。系統(tǒng)電壓越高，導體之間所需的最小間距也越大，包括空氣間隙（電氣間隙）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，并增大了高壓電動汽車系統(tǒng)的外殼尺寸。

因此，新興的 800V 系統(tǒng)需更大的物理間距以滿足爬電與間隙要求，從而防止電弧擊穿。在分立式設計中，為滿足安全性而增加的物理間距意味著占用更多空間，限制汽車系統(tǒng)的功率密度。此外，塑料老化與表面污染會在系統(tǒng)生命周期內增加組件失效的風險，通常需通過增加間距和材料用量來應對。

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

4.封裝與功率密度

OEM 廠商持續(xù)追求更高的功率密度，因為系統(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)的分立式轉換器需包含輸出調節(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用中，空間與重量至關重要，這種方案并不理想。

高密度電源模塊通過采用多層 PCB 實現在 X、Y、Z 軸方向的緊湊組件集成，這是分立式方案難以實現的。例如，將濾波功能集成到轉換器模塊內部，可節(jié)省空間并通過省去笨重的輸出濾波器提升功率密度。

此外，通過使用電源模塊，設計人員可將轉換解決方案直接置于電池殼體內。這樣，OEM 廠商就能夠利用現有的熱管理與機械防護結構。通過省去單獨的外殼或額外的冷卻回路，還可進一步節(jié)省重量與空間（見圖 2）。

圖 2：基于 SAC 的解決方案更緊湊，重量更輕，占用的空間更小。與同類方案相比，其體積功率密度與重量功率密度均提升近兩倍。

5. 熱管理瓶頸

許多設計人員認為，電源模塊因其高功率密度及內部組件的緊密排列而面臨熱管理挑戰(zhàn)。然而，電源模塊可在同一封裝內集成多個功率 MOSFET、控制器及其他組件，而不會導致熱量顯著增加。例如，多級高頻模塊的熱阻可低至 1.4°C/W（引腳與非引腳側均如此），與單一分立式功率 MOSFET 的熱表現相當（圖 3）。

電源模塊還簡化了散熱設計。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，電源模塊將所有組件集成到單一封裝內，實現了基板直接冷卻（direct-to-baseplate cooling），從而消除了散熱（heat spreading）或外部散熱孔的需求。

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

6. 瞬態(tài)響應

電動汽車系統(tǒng)的性能與實時響應能力往往關乎生命安全。例如，轉向和制動等子系統(tǒng)需要在毫秒級動態(tài)負載階躍下立即獲得供電，否則可能失效并危及駕乘人員安全。

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)響應約為 250A/秒。當采用基于傳統(tǒng)開關拓撲的分立式轉換器方案進行電壓調節(jié)時，其瞬態(tài)響應受限于轉換器的開關頻率，通常不超過 100kHz。

高密度電源模塊不依賴傳統(tǒng)開關拓撲，因此其瞬態(tài)響應不受轉換器開關頻率的限制。所以，基于正弦振幅轉換器的電源模塊可實現超過 8,000,000A/s 的瞬態(tài)響應（di/dt）（見圖 4）。該電源模塊響應速度快（歸功于其拓撲結構和無源組件的行為），因此高密度模塊化實現方法還可以消除控制回路延遲，從而加快響應速度。

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換關系，可輸送純凈、無噪聲的電流，且無任何過沖或振鈴風險。

7. 48V 電池與超級電容

大多數標準電動汽車架構需配置 48V 鋰離子電池組或超級電容陣列，以緩沖瞬態(tài)負載變化并維持穩(wěn)定性。這并非理想方案，因為電池、電容及相關電路會顯著增加成本、重量和空間負擔。

高密度電源模塊移除了 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）。基于正弦振幅轉換器的模塊瞬態(tài)響應速度較電池快 32,000 倍，可滿足輔助系統(tǒng)的負載需求。

由于具備雙向運行能力與低阻抗特性，電源模塊還可將電容性或再生性負載的能量直接回饋至高壓母線，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功能，可消除對 MCU 管理的方向控制的需求，簡化集成過程，無需額外開銷，并確保運行始終既無源又對稱。

圖 5：BCM 模塊性能出色，可完全取代 48V 電池。

8. 峰值功率需求

傳統(tǒng)分立式 DC-DC 轉換器受功率限制，需配備電流限制等保護功能，導致其無法在額定工作點之外運行。這類 DC-DC 轉換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 的電流，轉換器必須始終按 100A 的容量設計 —— 即便平均電流遠低于此值。為應對瞬態(tài)事件而過度配置轉換器，會導致成本、體積與熱管理開銷增加。

高密度電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 轉換器的額定連續(xù)電流為 80A，它仍可在 20ms 時間內或 25% 占空比條件下維持 100A 的峰值電流。

具備此類瞬態(tài)運行能力后，OEM 廠商可按平均電流而非峰值電流合理規(guī)劃電源系統(tǒng)，從而顯著降低整車成本與重量。這對處理電機和執(zhí)行器等電感性負載尤為重要，因此類負載常出現啟動浪涌(start-up surge)，尤其在負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)電源限制

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

對于電源設計人員而言，基于正弦振幅轉換器的Vicor BCM6135 電源模塊提供了從系統(tǒng)層面重新思考高壓至安全特低電壓轉換的可能。采用高密度電源模塊，設計師不再需要 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)響應速度實現實時雙向能量流動。