以下內(nèi)容發(fā)表在「SysPro電力電子技術(shù)」知識(shí)星球

- 關(guān)于TeslaPCS 2.0單級(jí)OBC&DCDC一體化方案深度解析

- 「SysPro電力電子技術(shù)」知識(shí)星球節(jié)選，非授權(quán)不得轉(zhuǎn)載

- 文字原創(chuàng)，素材來(lái)源：Tesla, TI, EU, 網(wǎng)絡(luò)

- 本篇為節(jié)選，完整內(nèi)容會(huì)在知識(shí)星球發(fā)布，歡迎學(xué)習(xí)、交流

導(dǎo)語(yǔ)：這兩年我在看電動(dòng)汽車(chē)的充電與低壓供電系統(tǒng)時(shí)，有一個(gè)很直觀的感受：它正在從"分立的功能盒子"變成更像平臺(tái)的一體化模塊。Tesla Cybertruck 的 PCS 2.0（Power Conversion System）就是一個(gè)很典型的例子——在800V 高壓架構(gòu) + 48V 低壓架構(gòu)并存的背景下，它把車(chē)載充電 OBC 和 多路 DC/DC做到了同板集成，把原本分散在多個(gè)盒子里的能量入口、能量路由和低壓供電保障，收攏進(jìn)一個(gè)更緊湊的電能轉(zhuǎn)換平臺(tái)。

據(jù)了解，Cybertruck 是 Tesla 首批（甚至可以說(shuō)是標(biāo)志性）引入48V 低壓架構(gòu)的純電車(chē)型之一：整車(chē)主高壓800V，主電池122 kWh，并且在 48V 供電上采用了雙路 48V DC/DC 冗余，目標(biāo)不是更省線束，而是為了支撐類(lèi)似線控轉(zhuǎn)向這類(lèi)關(guān)鍵系統(tǒng)的失效安全。

與此同時(shí)，PCS 2.0 還給出了幾個(gè)非常硬的指標(biāo)：11.5 kW OBC、110 A 浪涌能力、>150 kHz 高頻開(kāi)關(guān)，并且支持雙向接口與 V2L 外放電（一個(gè) 240V + 四個(gè) 120V 插座）。我們把這些信息放在一起看，會(huì)發(fā)現(xiàn)PCS 2.0 做的其實(shí)不僅僅是把充電器做大，而是在重新定義整車(chē)的電能邊界。

如果從架構(gòu)的視角來(lái)看，Tesla PCS2.0其實(shí)主要做了三件事：

第一，整車(chē)電壓體系變了（800V + 48V）；

第二，功能組織方式變了（OBC + 多路 DC/DC 同板收斂）；

第三，能力邊界變了（11.5kW、110A 浪涌、雙向與 V2L）。

真正讓我覺(jué)得有意思的，是它選擇的技術(shù)路線非常明確：?jiǎn)渭?jí)拓?fù)?+ 平面磁件 + 高度表貼化（SMD）。也就是說(shuō)，它試圖在結(jié)構(gòu)上做減法：減少傳統(tǒng)兩級(jí) OBC 里常見(jiàn)的 DC-Link 大電解電容、前級(jí) PFC 大電感/扼流圈，以及第二級(jí)功率變換級(jí)，把體積、重量、壽命短板和裝配復(fù)雜度一起壓縮；同時(shí)用平面變壓器/PCB 繞組把電磁參數(shù)、熱路徑和制造一致性"做進(jìn)工藝"，為高頻化和高功率密度提供可量產(chǎn)的落點(diǎn)。

但是，如果想省掉"大件"和"緩沖"，系統(tǒng)就很難"做穩(wěn)"。單級(jí)拓?fù)錄](méi)有中間 DC-Link 電解電容兜底，能量緩沖更依賴磁能與調(diào)制；開(kāi)關(guān)頻率抬到 >150kHz，EMI、寄生、驅(qū)動(dòng)與隔離邊界會(huì)被放大；再疊加雙向/V2L 和 48V 冗余供電，系統(tǒng)不只是更集成，而是"耦合更強(qiáng)"。那么，Tesla 到底是靠什么把這套看起來(lái)更激進(jìn)的方案做成一個(gè)可復(fù)制的平臺(tái)呢？

今天開(kāi)始，我們將圍繞Cybertruck PCS 2.0 的系統(tǒng)定位、單級(jí)拓?fù)涞哪芰柯窂?、關(guān)鍵功率器件與驅(qū)動(dòng)隔離組織方式、平面磁件與熱路徑設(shè)計(jì)邏輯、48V 冗余供電的實(shí)現(xiàn)思路，逐層拆解，重點(diǎn)回答：

1）為什么一定要走"平臺(tái)化集成"，它解決的工程矛盾是什么？

2）“單級(jí)拓?fù)洹钡降资〉袅耸裁床考渴〉舻谋澈笠馕吨男┦找媾c代價(jià)？

3）直接矩陣變換器鏈路的關(guān)鍵分區(qū)、關(guān)鍵器件組織方式是什么？

4）48V 冗余供電為何要雙路？與功能安全/關(guān)鍵執(zhí)行器有什么關(guān)系？

5）在板級(jí)集成條件下，驅(qū)動(dòng)、隔離、偏置供電、EMI 與熱路徑如何協(xié)同落地？

|SysPro備注：完整內(nèi)容會(huì)在電力電子知識(shí)星球中連載

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目錄

01 PCS2.0方案背景與系統(tǒng)定位

1.1 800V + 48V 雙電壓體系下的系統(tǒng)角色

1.2 功能清單與對(duì)外能力邊界

1.3 單級(jí)拓?fù)涞墓こ潭x：省掉什么、換來(lái)什么?

02 總體結(jié)構(gòu)與物理集成

2.1 結(jié)構(gòu)分層：殼體、主板、磁件、冷卻與屏蔽

2.2 同板多功能設(shè)計(jì)：OBC + 多路 DC/DC 的集成方式

2.3 SMD與連接器：制造一致性與可靠性邏輯

03 單級(jí) AC/HVDC：直接矩陣變換器功率鏈路深解

3.1 "單級(jí)"減少了哪些傳統(tǒng)部件與級(jí)數(shù)?(★)

3.2 雙模塊并聯(lián)與單/三相適配背后的原因?(★)

3.3 AC 輸入：EMI 濾波與浪涌防護(hù)的秘密(★)

3.4 主功率器件：共漏背靠背到底解決什么問(wèn)題？(★)

3.5 平面磁件與 PCB ：為什么是高頻化與量產(chǎn)一致性的關(guān)鍵?(★)

3.6 次級(jí)整流與輸出濾波：隔離驅(qū)動(dòng)、器件電壓等級(jí)分工與電流測(cè)量(★)

3.7 指標(biāo)與約束匯總：11.5kW、110A、>150kHz 的工程含義(★)

04 48V 相關(guān) DC/DC：高壓到 48V 的板級(jí)實(shí)現(xiàn)

4.1 雙路 48V DC/DC：與線控轉(zhuǎn)向失效安全的關(guān)系(★)

4.2 HV→48V 轉(zhuǎn)換級(jí)：堆疊半橋結(jié)構(gòu)的原因與收益(★)

4.3 傳感與接口：電壓采樣點(diǎn)、HV 電流測(cè)量與低壓數(shù)據(jù)通道(★)

05 控制、驅(qū)動(dòng)、隔離與偏置供電：讓單級(jí)拓?fù)浞€(wěn)定工作的底座

5.1 單控制器策略與中性線參考的秘密(★)

5.2 隔離柵極驅(qū)動(dòng)器與數(shù)字隔離器體系(★)

5.3 柵極供電數(shù)量與分配的原則(★)

5.4 偏置電源鏈路：從 48V 升壓到多路隔離供電的組織方式(★)

5.5 EMI/寄生/熱：板級(jí)集成下三者如何互相牽制(★)

06 關(guān)鍵設(shè)計(jì)特征的“背后思考”總表

6.1 設(shè)計(jì)特征—直接收益—隱藏代價(jià)—對(duì)策(★)

6.2 對(duì)行業(yè)的可復(fù)用啟示(★)

7. 總結(jié)(★)

|SysPro備注：本篇節(jié)選，完整解析在EE知識(shí)星球中發(fā)布(★)

01

PCS2.0 方案背景與系統(tǒng)定位

1.1 800V + 48V 雙電壓體系下的系統(tǒng)角色

開(kāi)始前，我們先聊聊Tesla Cybertruck對(duì)這套系的定位。

我們知道，800V 高壓平臺(tái)的主要目標(biāo)：在相同功率下電流更小，線束與母線銅耗更低，充電功率與驅(qū)動(dòng)功率都更容易往上走。與此同時(shí)，48V 低壓架構(gòu)的目標(biāo)也很明確：把原來(lái) 12V 域"電流越來(lái)越大、線束越來(lái)越粗、壓降越來(lái)越難管、熱風(fēng)險(xiǎn)"的矛盾一次性緩解。

這個(gè)是什么意思呢？通俗點(diǎn)來(lái)說(shuō)：通過(guò)雙電壓體系，整車(chē)從此不再是一個(gè)高壓系統(tǒng) + 一個(gè) 12V 輔助電池這么簡(jiǎn)單，而是變成了800V高壓能量主干 + 48V 執(zhí)行器主干 + 若干關(guān)鍵冗余供電鏈路的組合體。

圖片來(lái)源：SysPro

Tesla Cybertruck的PCS2.的核心設(shè)計(jì)理念也是如此。

PCS 作為Power Conversion System，本體包含OBC，同時(shí)還包含多路 DC/DC 功能，并呈現(xiàn)出明顯的平臺(tái)化組織方式。|SysPro備注：后面我們?cè)趯?shí)物中標(biāo)記HV/HV 、HV/MV 、 DC/DC 的組合

可以感受到，TESLA對(duì)PCS 2.0的定位，不僅僅是"一個(gè)充電功能盒子"，而是電能入口與電能路由平臺(tái)：既要把交流輸入高效地送入高壓母線，又要把高壓能量穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換給 48V 域，并能支撐關(guān)鍵系統(tǒng)的安全目標(biāo)。

以上我們知道了 PCS 2.0 的系統(tǒng)位置，下面我們聊聊TA的功能邊界：哪些能力在它里面完成，哪些能力在系統(tǒng)外部完成？

圖片來(lái)源：SysPro

1.2 功能清單與對(duì)外能力邊界

從能力邊界來(lái)看，簡(jiǎn)單理解，PCS 2.0 的功能可以分成三類(lèi)：

OBC 能力：11.5 kW 級(jí)車(chē)載充電；并具備110 A 量級(jí)浪涌承受能力（更偏向工程魯棒性與輸入異常工況耐受）

HV→48V 低壓供電：高壓到 48V 的供電能力，并采用雙路 48V DC/DC以支撐關(guān)鍵執(zhí)行器的失效安全目標(biāo)。

對(duì)外能力：支持雙向充電口與 V2L（一個(gè) 240V + 四個(gè) 120V 插座），意味著輸出端接口、濾波與保護(hù)需要從"整車(chē)內(nèi)部"擴(kuò)展到"用戶外部"

這里面我們需要關(guān)注的重點(diǎn)是：PCS 2.0 的雙向/V2L功能會(huì)反向決定了拓?fù)渑c驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。換句話說(shuō)，如果我們一開(kāi)始就把雙向與對(duì)外供電當(dāng)成系統(tǒng)目標(biāo)，那么功率器件組織方式、隔離與保護(hù)策略就必須從第一天按雙向工況設(shè)計(jì)。

圖片來(lái)源：SysPro

1.3 單級(jí)拓?fù)涞墓こ桃饬x(省掉什么、換來(lái)什么)

導(dǎo)語(yǔ)中我們提到，Cybertruck PCS2.0一個(gè)核心特點(diǎn)是選用了單機(jī)拓?fù)洹?/p>

為什么選用單級(jí)拓?fù)洌科鋵?shí)這一點(diǎn)我們?cè)谥暗南盗形恼轮幸惨烟徇^(guò)：OBC架構(gòu)演進(jìn)與拓?fù)湓O(shè)計(jì)全局解析：?jiǎn)蜗騼杉?jí)→高效兩級(jí)→雙向與集成→單級(jí)拓?fù)?>去 OBC化。這里再?gòu)?qiáng)調(diào)下：?jiǎn)渭?jí)路線的本質(zhì)是把功能收斂進(jìn)一個(gè)功率級(jí)，以換取更好的體積重量與壽命結(jié)構(gòu)。

PCS2.0的單級(jí)拓?fù)涞脑?，?jiǎn)單來(lái)講是：通過(guò)雙向開(kāi)關(guān) + 高頻變壓器的一體化控制，直接完成AC輸入→高頻 AC→整流濾波輸出目標(biāo) DC，從結(jié)構(gòu)上拿掉對(duì)中間 DC 母線電解電容的依賴。

可以把單級(jí) OBC 的工作機(jī)理概括為四段閉環(huán)鏈路：

工頻 AC經(jīng)過(guò)輸入濾波與保護(hù)進(jìn)入功率級(jí)

雙向開(kāi)關(guān)在 >150kHz 的高頻下把能量變換成可控的高頻 AC，同時(shí)實(shí)現(xiàn) PFC 與穩(wěn)壓目標(biāo)

高頻變壓器完成能量傳遞與電氣隔離

次級(jí)側(cè)整流與濾波輸出穩(wěn)定 DC（高壓電池側(cè)與低壓側(cè)各自組織）。

圖片來(lái)源：TI

所以，我們可以看到，這一過(guò)程：

省掉的：大容量電解電容、傳統(tǒng) PFC 大電感/扼流圈、第二級(jí)功率變換級(jí)

換來(lái)的：體積/重量/壽命結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)（電解電容往往是壽命短板），以及更高的板級(jí)集成空間

付出的代價(jià)：控制策略復(fù)雜度顯著上升，尤其需要在無(wú)中間母線緩沖條件下處理伏秒平衡、PFC、穩(wěn)壓與保護(hù)的耦合；同時(shí) EMI/寄生敏感性更高。

圖片來(lái)源：SysPro

在后面的介紹中，你會(huì)進(jìn)一步看到看到 PCS 2.0 的"系統(tǒng)工程補(bǔ)償"非常明確：雙模塊并行分?jǐn)傠娏髋c熱；兩級(jí) EMI 濾波與浪涌防護(hù)保證傳導(dǎo)邊界；強(qiáng)化隔離驅(qū)動(dòng)與多傳感閉環(huán)把高頻/高密度系統(tǒng)做穩(wěn)。

以上我們知道了單級(jí)要解決什么矛盾，那么它在物理形態(tài)上是怎么被裝進(jìn)一個(gè)盒子，并在熱、電磁與裝配層面可落地的呢？下面進(jìn)入02章節(jié)：總體結(jié)構(gòu)與物理集成。

02 總體結(jié)構(gòu)與物理集成

2.1 結(jié)構(gòu)分層：殼體、主板、磁件、冷卻與屏蔽

(知識(shí)星球發(fā)布)

下面我們來(lái)看看 PCS 2.0整體的結(jié)構(gòu)布局，從上至下分5層來(lái)講一下：...

板上區(qū)域按功能分區(qū)組織,如下圖：...

圖片來(lái)源：Munro

2.3 全表貼化（SMD）技術(shù)路線和背后的思考

(知識(shí)星球發(fā)布)

在Cybertruck的PCS2.0平臺(tái)的物理集成中，SMD全表貼化的技術(shù)路線同樣是關(guān)鍵，這也符合馬斯克一管的"第一性原理"理念...

圖片來(lái)源：Vile

以上我們聊了聊總體結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)背后的故事，那么最核心的問(wèn)題來(lái)了：?jiǎn)渭?jí) AC/HVDC 的能量鏈路到底怎么實(shí)現(xiàn)？它為什么能省掉傳統(tǒng)大件？下面進(jìn)入第 3 章。

03

單級(jí) AC/HVDC：直接矩陣變換器功率鏈路深解

3.1 "單級(jí)"減少了哪些傳統(tǒng)部件與級(jí)數(shù)

(知識(shí)星球發(fā)布)

下面我們來(lái)對(duì)比分析下傳統(tǒng)兩級(jí) OBC 與單級(jí)路線的關(guān)鍵差異...

3.2 雙模塊并聯(lián)與單/三相適配背后的原因?

(知識(shí)星球發(fā)布)

在PCS2.0中，另一個(gè)顯著的特征是采用了雙模塊（Module x2）并聯(lián)，為什么？...

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3.3 AC 輸入：EMI 濾波與浪涌防護(hù)的秘密

(知識(shí)星球發(fā)布)

下面我們來(lái)看看AC輸入側(cè)。

這里可能會(huì)誤解：既然單級(jí)路線減少/取消了傳統(tǒng) PFC 扼流圈/電感，是不是 EMI 就更簡(jiǎn)單？恰恰相反：高頻化與緊湊化往往讓 EMI 更敏感，因此輸入側(cè)仍然需要系統(tǒng)化的 EMI 網(wǎng)絡(luò)與浪涌防護(hù)。具體而言...

3.4 主功率器件：共漏背靠背到底解決什么問(wèn)題？

(知識(shí)星球發(fā)布)

下面我們聊另一個(gè)有趣的特征：功率器件采用共漏背靠背（Common-Drain Back-to-Back）。為什么？它對(duì)驅(qū)動(dòng)與偏置供電意味著什么...

|SysPro備注：這里的關(guān)鍵點(diǎn)是伏秒平衡。解釋下：在單級(jí) OBC 里，沒(méi)有 DC-Link 電容兜底，變壓器磁芯的磁通管理就必須靠開(kāi)關(guān)調(diào)制來(lái)完成...

所以，單級(jí)拓?fù)淅?，伏秒平衡不?優(yōu)化項(xiàng)"，而是生存項(xiàng)。

圖片來(lái)源：TI

3.5平面變壓器與 PCB 繞組：?jiǎn)渭?jí)鏈路里"隔離+傳能"的承載件

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在上面的3.4中我們講了雙向開(kāi)關(guān)單元：它把工頻 AC 通過(guò)高頻 PWM 調(diào)制成高頻 AC，并在同一個(gè)功率級(jí)里兼顧 PFC、穩(wěn)壓與雙向能力。那問(wèn)題來(lái)了：高頻能量從原邊出來(lái)之后，靠什么部件完成隔離與電壓變比，再把能量可靠送到輸出側(cè)？……

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3.6 次級(jí)整流與輸出濾波：把"高頻 AC"變成可控的 800V 直流

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上一節(jié)我們講了平面變壓器：它把原邊高頻能量"穿過(guò)隔離邊界"，并把電壓等級(jí)帶到副邊。那接下來(lái)要解決的問(wèn)題是：副邊出來(lái)的是高頻交流，電池需要的是穩(wěn)定直流，這一步怎么落地？……

3.7 指標(biāo)與約束匯總：11.5kW、110A、>150kHz 的工程含義

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到這里，第 3 章的主鏈路已經(jīng)閉環(huán)了：輸入側(cè)要扛住 EMI 與浪涌，主功率級(jí)要完成單級(jí)變換與隔離傳能，次級(jí)側(cè)要把高頻 AC 變成可控的高壓直流。下面我們把幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)轉(zhuǎn)換為工程約束指標(biāo)，來(lái)看看TA們是如何牽引結(jié)構(gòu)、器件、控制與驗(yàn)證策略的？

圖片來(lái)源：SysPro

以上我們把指標(biāo)對(duì)應(yīng)的工程含義講清了，下一章就把視角轉(zhuǎn)到 HV→48V 與雙路冗余，看看：功能安全目標(biāo)如何反向牽引 DC/DC 的結(jié)構(gòu)與策略？

04

48V 相關(guān) DC/DC：高壓-->48V 的板級(jí)實(shí)現(xiàn)

Cybertruck的48V架構(gòu)系統(tǒng)我們層系統(tǒng)性的講解過(guò)，上次我們是從整車(chē)的視角看待這個(gè)問(wèn)題，今天我們站在能量轉(zhuǎn)換和實(shí)現(xiàn)角度進(jìn)一步深度解析下其在板級(jí)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑。相關(guān)閱讀：Cybertruck 48V全域低壓平臺(tái)架構(gòu)揭秘 2.0

4.1 雙路 48V DC/DC：與線控轉(zhuǎn)向失效安全的關(guān)系

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首先，我們先聊一下：為什么PCS 2.0拓?fù)渲?8V為雙路DCDC?

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05

控制、驅(qū)動(dòng)、隔離與偏置供電：讓單級(jí)拓?fù)浞€(wěn)定工作的底座

5.1 單控制器策略與"中性線參考"：為什么這樣選接地參考

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5.2 隔離柵極驅(qū)動(dòng)器與數(shù)字隔離器體系

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5.3 柵極供電數(shù)量與分配原則

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...

5.4 偏置電源鏈路：從 48V 升壓到多路隔離供電的組織方式

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...

5.5 EMI/寄生/熱：板級(jí)集成下如何協(xié)同

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...

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06

基于PCS2.0的《工程設(shè)計(jì)與決策清單》

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到此為止，我們對(duì)于Cybertruck PCS2.0的解讀基本結(jié)束了，下面我們把前面所有信息收斂成一張工程設(shè)計(jì)與決策指南，以作為我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)踐的參考。

...

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07 總結(jié)

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以上是關(guān)于 Tesla Cybertruck PCS 2.0 單級(jí)拓?fù)?OBC&DCDC 技術(shù)方案的深度解析，最后，我們總結(jié)下、做個(gè)閉環(huán)...

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單級(jí)功率級(jí)的關(guān)鍵約束（伏秒平衡/雙向開(kāi)關(guān)）如何被控制策略落實(shí)...輸入/輸出側(cè)濾波如何與板級(jí)結(jié)構(gòu)分區(qū)協(xié)同......隔離域、柵極驅(qū)動(dòng)與偏置供電如何按模塊分組形成體系......以及在高功率密度目標(biāo)下，平面磁件與全表貼化如何共同支撐制造一致性......

我們只有把這些鏈條建立起來(lái)，才意味著單級(jí)路線的優(yōu)勢(shì)能夠從"樣機(jī)"變成"可復(fù)制交付"。感謝你的閱讀，希望有所幫助！