【导读】当前电动汽车主辅体系均趋势高压成长，焦点驱动力是晋升效率与功率电子密度以减重。主体系从400V转向800V、辅助体系从12V集中架构转向48V区域架构，虽上风显著，却给高压至安全特低电压转换带来难题。本文聚焦这一焦点痛点，梳理出电压调治、安全断绝等八年夜常见挑战，并以正弦振幅转换器（SAC）电源模块为焦点，一一给出高效解决方案，为相干工程师提供技能参考。
采用高压电源的驱动因素是甚么？
当前电动汽车架构的趋向是主体系及辅助体系均向更高电压成长。于这两个方面，驱动因素均为晋升整车效率并经由过程提高功率电子密度来减轻重量。
以主体系为例，从 400V 电池转向 800V 电池，于不异功率输出下可降低电流（P = IV）。是以，OEM 厂商可以或许减小解决方案中利用的电缆线径，从而实现体系减重并晋升总体效率。辅助体系则正从集中式 12V 配电架构转向区域架构，即从多个节点提供 48V 电源，每一个节点配备用在 12V 电压调治的板载 DC-DC 转换。与 800V 转型近似，48V 区域架构也使 OEM 厂商可以或许削减铜材利用并简化布线。
这两种改变都为电动汽车体系带来了显著上风，但同时也给从事高压至安全特低电压转换的汽车及电源工程师带来了诸多紧急的技能挑战。如下列出了八年夜最多见的挑战：
高压至安全特低电压转换的八年夜挑战与电源模块解决方案
1.电压调治与效率
已往，内燃机汽车中利用的交流发机电提供不变的输出电压，为体系电子装备供电。而电动汽车利用电池为体系供电，但因为压降及充电放电状况等因素，其输出电压其实不不变。
由德国汽车工业协会（VDA）制订的 VDA320 规范建议 48V 体系的事情电压规模为 36V 至 52V。确保所提供电压不凌驾该规模的一种方式是采用稳压 DC-DC 转换器。年夜大都尺度的高压至 48V 转换器于抱负前提下可实现 95% – 97% 的峰值效率，但现实运行中全数满意这些前提的环境很少，而且年夜大都转换器于实际运行中处置惩罚的部门负载会降低效率。
正弦振幅转换器（SAC）电源模块可用在替换通例稳压 DC-DC 转换器。SAC 模块以固定比例转换输入电压，如 2:一、4:一、6:一、16:1 及 32:1。以 16:1 比率为例，800V 电池输出电压规模为 576V 至 832V（于电池的预期变化规模内）时，可转换为 VDA320 界说的 36V 至 52V 输出规模。
SAC 模块比稳压 DC-DC 转换器更高效，于情况温度为 25°C 时可实现 98% – 99% 的峰值效率，且其效率曲线于 50% 输出负载四周到达最优（见图 1）。半负载是电动汽车配电（非同时运行的负载）现实平均利用的抱负点，是以是体系优化的抱负运行前提。
图 1：正弦振幅转换器（SAC）电源模块（如BCM6135）可用在替换稳压 DC-DC 转换器，以减小尺寸并提高效率。BCM6135 于 25°C 下的实测效率显示，半负载时的峰值效率约为 97.5%。
2. 更高电压下的安全与断绝
跟着电压升高，安全性成为更要害的设计考量。因为跨越 60VDC（安全特低电压阈值）即被视为具备致命危害，800V 体系对于用户及技能职员组成显著安全隐患。是以，于高压至安全特低电压转换设计中，断绝尤为要害。
基在开关拓扑的分立式设计于实现高断绝等级方面存于局限，缘故原由包括组件间的寄生电容、爬电间隔与电气间隙不足，以和于连结断绝层绝缘完备性的同时难以同步高速开关操作。
采用正弦振幅转换器拓扑的电源模块可经由过程零电压及零电流开关技能实现极高的电压断绝等级。这些软开关技能能削减电磁滋扰（EMI），最年夜限度地减轻断绝樊篱双侧的电压应力，从而答应于不降低绝缘机能的条件下采用紧凑的磁性布局。是以，电源模块可集成高断绝等级变压器，即便于分立式解决方案凡是难以应答的高密度、高压情况中也能连结高效运行。
3.高压下的爬电与间隙限定
遗憾的是，跟着电压晋升，体系安全性与（结构）面积成了一对于不成和谐的抵牾。体系电压越高，导体之间所需的最小间距也越年夜，包括空气间隙（电气间隙）及绝缘外貌间距（爬电间隔）。这些增长的间距要求限定了结构自由度，并增年夜了高压电动汽车体系的外壳尺寸。
是以，新兴的 800V 体系需更年夜的物理间距以满意爬电与间隙要求，从而避免电弧击穿。于分立式设计中，为满意安全性而增长的物理间距象征着占用更多空间，限定汽车体系的功率密度。此外，塑料老化与外貌污染会于体系生命周期内增长组件掉效的危害，凡是需经由过程增长间距及质料用量来应答。
与采用分立式组件的设计差别，电源模块可于包管安全的同时不捐躯功率密度。电源模块可将多种组件高密度集成在更小的空间内，采用包覆成型（overmolding）等工艺举行掩护，既可避免电弧击穿，又能提供防尘防水能力，防止导电粉尘与潮气降低介电强度。
4.封装与功率密度
OEM 厂商连续寻求更高的功率密度，由于体系重量的减轻及体积的减小有助在晋升效率，并为结构更多电池单位腾出空间。传统的分立式转换器需包罗输出调治与滤波功效，于 4kW 功率下体积可能跨越 2 升，重量跨越 2 公斤。于汽车或者电动出行运用中，空间与重量至关主要，这类方案其实不抱负。
高密度电源模块经由过程采用多层 PCB 实此刻 X、Y、Z 轴标的目的的紧凑组件集成，这是分立式方案难以实现的。例如，将滤波功效集成到转换器模块内部，可节省空间并经由过程省去粗笨的输出滤波器晋升功率密度。
此外，经由过程利用电源模块，设计职员可将转换解决方案直接置在电池壳体内。如许，OEM 厂商就可以使用现有的热治理与机械防护布局。经由过程省去零丁的外壳或者分外的冷却回路，还有可进一步节省重量与空间（见图 2）。
图 2：基在 SAC 的解决方案更紧凑，重量更轻，占用的空间更小。与同类方案比拟，其体积功率密度与重量功率密度均晋升近两倍。
5. 热治理瓶颈
很多设计职员认为，电源模块因其高功率密度和内部组件的慎密摆列而面对热治理挑战。然而，电源模块可于统一封装内集成多个功率 MOSFET、节制器和其他组件，而不会致使热量显著增长。例如，多级高频模块的热阻可低至 1.4°C/W（引脚与非引脚侧均云云），与单一分立式功率 MOSFET 的热体现相称（图 3）。
电源模块还有简化了散热设计。分立式解决方案包罗浩繁组件，为满意爬电与间隙要求需分离安插，因组件高度及位置纷歧而难以有用散热。相反，电源模块将所有组件集成到单一封装内，实现了基板直接冷却（direct-to-baseplate cooling），从而消弭了散热（heat spreading）或者外部散热孔的需求。
图 3：只管属在高度集成解决方案，电源模块的热机能与单个功率 MOSFET 相称。
6. 瞬态相应
电动汽车体系的机能与及时相应能力往往关乎生命安全。例如，转向及制动等子体系需要于毫秒级动态负载阶跃下当即得到供电，不然可能掉效并危和驾乘职员安全。
从某些方面讲，这是电池供电体系的固有局限：传统电动汽车电池的瞬态相应约为 250A/秒。当采用基在传统开关拓扑的分立式转换器方案举行电压调治时，其瞬态相应受限在转换器的开关频率，凡是不跨越 100kHz。
高密度电源模块不依靠传统开关拓扑，是以其瞬态相应不受转换器开关频率的限定。以是，基在正弦振幅转换器的电源模块可实现跨越 8,000,000A/s 的瞬态相应（di/dt）（见图 4）。该电源模块相应速率快（归功在其拓扑布局及无源组件的举动），是以高密度模块化实现要领还有可以消弭节制回路延迟，从而加速相应速率。
图 4：BCM 模块可以或许于输入电压（VIN）及输出电压（VOUT）之间提供彻底线性的转换瓜葛，可运送纯净、无噪声的电流，且无任何过冲或者振铃危害。
7. 48V 电池与超等电容
年夜大都尺度电动汽车架构需配置 48V 锂离子电池组或者超等电容阵列，以缓冲瞬态负载变化并维持不变性。这并不是抱负方案，由于电池、电容和相干电路会显著增长成本、重量及空间承担。
高密度电源模块移除了了 DCM/PRM 级，代之以单一高速、高效模块，从而解决了这一问题（见图 5）。基在正弦振幅转换器的模块瞬态相应速率较电池快 32,000 倍，可满意辅助体系的负载需求。
因为具有双向运行能力与低阻抗特征，电源模块还有可将电容性或者再素性负载的能量直接回馈至高压母线，而无需外部逻辑电路或者继电器。该模块具备零延迟极性反转功效，可消弭对于 MCU 治理的标的目的节制的需求，简化集成历程，无需分外开消，并确保运行始终既无源又对于称。
图 5：BCM 模块机能精彩，可彻底代替 48V 电池。
8. 峰值功率需求
传统分立式 DC-DC 转换器受功率限定，需配备电流限定等掩护功效，致使其没法于额定事情点以外运行。这种 DC-DC 转换器的典型峰值功率等在其持续功率，即若体系偶然需要 100A 的电流，转换器必需始终按 100A 的容量设计 —— 即便平均电流远低在此值。为应答瞬态事务而过分配置转换器，会致使成本、体积与热治理开消增长。
高密度电源模块受限在热机能而非功率，象征着可提供凌驾连续功率额定值的峰值功率。例如，若模块化 DC-DC 转换器的额定持续电流为 80A，它仍可于 20ms 时间内或者 25% 占空比前提下维持 100A 的峰值电流。
具有此类瞬态运行能力后，OEM 厂商可按平均电流而非峰值电流合理计划电源体系，从而显著降低整车成本与重量。这对于处置惩罚机电及履行器等电感性负载尤为主要，是以类负载常呈现启动浪涌(start-up surge)，特别于负载具备间歇性与非重合性特性的区域体系中。
SAC电源模块揭示出凸起上风，于效率、安全、功率密度等要害维度周全逾越传统分立式方案。其不仅能简化架构、降低成本与重量，还有能经由过程精彩的瞬态相应、双向运行等能力，优化整车机能。跟着这种模块化方案的普和，将有用鞭策电动汽车高压架构的成熟落地，为行业成长提供靠得住的电源技能支撑，助力实现更高效、安全的出行体验。
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