在當(dāng)今多個(gè)行業(yè)中，機(jī)器電氣化催生了全新且具有挑戰(zhàn)性的使用場(chǎng)景，而高功率密度的雙向 DC - DC 轉(zhuǎn)換器成為了理想的解決方案。本文將深入探討高效的固定比率 DC - DC 轉(zhuǎn)換器模塊如何支持瞬態(tài)回收負(fù)載，且無(wú)需昂貴又復(fù)雜的液冷系統(tǒng)。

電氣化這一趨勢(shì)正席卷所有工業(yè)、車輛以及航空航天 / 國(guó)防設(shè)備領(lǐng)域，它是指全社會(huì)從化石燃料驅(qū)動(dòng)的機(jī)器轉(zhuǎn)向電力驅(qū)動(dòng)。推動(dòng)這一趨勢(shì)的經(jīng)濟(jì)和文化因素廣泛為人所知且被普遍認(rèn)可。從環(huán)保角度來(lái)看，電氣化能減少相關(guān)的碳排放；從性能提升方面而言，大扭矩電機(jī)可顯著提升電動(dòng)汽車的加速性能。

電氣設(shè)備和電動(dòng)汽車通常采用從 270V 到高達(dá) 1000V 的高壓直流電，這樣做的目的是減少電源與負(fù)載（如線性 / 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。同時(shí)，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)換為低壓的過(guò)程中起著關(guān)鍵作用，它支持隔離或非隔離、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)換器既可以通過(guò)分立式元件實(shí)現(xiàn)，也能采用模塊化封裝形式，本文著重討論 DC - DC 轉(zhuǎn)換器電源模塊。

過(guò)去，占主導(dǎo)地位的直流子系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）電壓為 12V。但在過(guò)去約 10 年里，隨著負(fù)載功率需求的急劇增加以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(guò)渡，從而催生了高壓至 48VDC 轉(zhuǎn)換器。與此同時(shí)，業(yè)界開始采用以 48V 為中心的 DC - DC 轉(zhuǎn)換器電源模塊，這些模塊具有易用性、高功率密度、功率可擴(kuò)展性和輕量化設(shè)計(jì)等諸多優(yōu)勢(shì)，還支持能量回收（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)施中的應(yīng)用日益加速。電解電池采用快速迭代的多種化學(xué)技術(shù)，常被用作高壓與低壓直流電源，是移動(dòng)（非系留）和手持應(yīng)用的理想選擇。從鉛酸電池到的鈉離子和石墨烯電池，再到現(xiàn)代超級(jí)電容器，大多數(shù)類型的電池均可充電，支持再生能量系統(tǒng)，預(yù)計(jì)將在范圍內(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，未來(lái)，在能量密度不斷提高的趨勢(shì)推動(dòng)下，800V 電池組可能會(huì)占據(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（如挖掘機(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）。盡管這些車輛的電動(dòng)版本存在續(xù)航里程有限和充電所需時(shí)間較長(zhǎng)等劣勢(shì)，但在終用戶體驗(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 電源正逐漸取代 12VDC 電源呢？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，使用更高的配電電壓可以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，這對(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。所以，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，成本也更低。

接下來(lái)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。以 Vicor BCM6135 為例，它是一個(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(guò)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。

BCM6135 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，這一特性節(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。而且，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?。寬輸入電壓范圍的意義重大，這在德國(guó)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(cè)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(wú)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。

圖 2:VDA 320 48VDC 電壓范圍推薦 (圖片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(guò)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。

在無(wú)需主動(dòng)冷卻的能量回收主動(dòng)懸掛方面，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(wú)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(chǎng)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)用使用峰值功率轉(zhuǎn)換指標(biāo)來(lái)建模和描述。過(guò)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(zhǎng)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)閴那闆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(wú)風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷或循環(huán)液冷板）來(lái)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(guò)熱而導(dǎo)致模塊關(guān)閉。BCM6135 的兩面均經(jīng)過(guò)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 “結(jié)” 溫。

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方面，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(jiǎn)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(jiǎn)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)果顯示，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）。在個(gè)功率脈沖期間，內(nèi)部溫度升高至約 90°C；下一個(gè)脈沖顯示內(nèi)部溫度升高至約 115°C；重復(fù)脈沖顯示內(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。個(gè)功率脈沖顯示內(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(cè)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(cè)試結(jié)果表明，BCM6135 本身具有雙向轉(zhuǎn)換功能，可瞬時(shí)切換工作方向，且無(wú)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(lái)源，懸掛驅(qū)動(dòng)電機(jī)為 48V 負(fù)載；當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)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(wú)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(guò)其電池管理系統(tǒng)電路充電來(lái)恢復(fù)電能?？油萋范我鸬奈灰葡撕螅妇€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(wú)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(wú)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(guò)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。

圖 7: 母線轉(zhuǎn)換器雙向電流流動(dòng)示波器屏幕截圖：通過(guò)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(cè)試中，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(cè)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)載下具有的熱穩(wěn)定性

在第二次實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，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(cè)試過(guò)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)低于允許的結(jié)溫 125°C。測(cè)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。