高帶寬電源模塊消除高壓線路紋波抑制的干擾

汽車電氣化可能是我們這個時代影響最廣的電源挑戰(zhàn)。這是汽車OEM廠商在從內(nèi)燃機向純電動汽車轉(zhuǎn)型的過程中面臨的一個全球性問題。各地的研發(fā)團隊都在探索新的方法，試圖找到更好的解決方案來解決新舊電源的難題。

在標準電動汽車(EV)中，主要的設(shè)計考慮因素是配電與架構(gòu)。當然，這些系統(tǒng)可能很復(fù)雜，其中整個車輛依靠電池（400V 或 800V）為低壓控制電子設(shè)備 (12V)提供了高壓直流， 還有一個由 AC 電源供電的電機。

在這種框架中，高壓母線上需要DC-DC轉(zhuǎn)換器來將電壓降至較低水平，以便為下游負載供電。這些轉(zhuǎn)換器依賴于數(shù)百K赫茲的高頻率開關(guān)。因此，它們是系統(tǒng)內(nèi)常見的電磁干擾(EMI)源。為了抵消其產(chǎn)生EMI ，需要在DC-DC轉(zhuǎn)換器輸入端部署專用EMI濾波器，將其作為低通濾波器，衰減超過截止頻率的噪聲。

電源架構(gòu)中另一個不可或缺的組件是電機驅(qū)動器，它是將電池的DC輸出轉(zhuǎn)換為AC ，為電動汽車電機供電的必需品。在能量再生和推進過程中，電機驅(qū)動器會在系統(tǒng)的高壓母線中產(chǎn)生多余的高壓紋波。這種紋波給DC-DC轉(zhuǎn)換器及其相關(guān)濾波器的安全性、可靠性及使用壽命帶來了重大挑戰(zhàn)（圖1）。

圖1 電機驅(qū)動器產(chǎn)生的紋波影響了電動汽車的高壓母線

紋波對DC-DC轉(zhuǎn)換器的危害

電機驅(qū)動器開關(guān)工作產(chǎn)生的高壓紋波會給 DC-DC 轉(zhuǎn)換器及其相關(guān)濾波器甚至下游電子器件帶來不利影響。

觀察濾波器會發(fā)現(xiàn)，由紋波引起的電壓和電流會在濾波器組件之間引起自發(fā)熱
(P_LOSS=I²_rms?R_ESR)。這種有害的發(fā)熱將導(dǎo)致組件退化和組件故障，最終會降低使用壽命及系統(tǒng)可靠性。在無阻尼濾波器設(shè)計中，這種損害會加劇，其中紋波噪聲可能會出現(xiàn)在EMI濾波器的諧振頻率上（圖 2）。在這些情況下，過壓和過流會進一步損壞組件，導(dǎo)致運轉(zhuǎn)失靈和突發(fā)故障。如果管理不當，波紋噪聲就會給電動汽車帶來安全隱患。

圖2 DC-DC轉(zhuǎn)換器輸入濾波器設(shè)計用于衰減高頻率噪聲，而且可能具有與電機驅(qū)動器頻率范圍重疊的諧振

除了對EMI濾波器造成損壞外，電機驅(qū)動器紋波還會對DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出產(chǎn)生不良影響。

轉(zhuǎn)換器的閉環(huán)帶寬是衡量該單元在一定頻率下對波動作出響應(yīng)的能力。可將它視為一個高通濾波器：如果噪聲發(fā)生的頻率高于閉環(huán)帶寬的頻率，則轉(zhuǎn)換器就無法將其濾除。

面臨的挑戰(zhàn)是，汽車DC-DC轉(zhuǎn)換器通常設(shè)計為僅幾千赫茲的閉環(huán)帶寬，而電機驅(qū)動器紋波則發(fā)生在更高的頻率。同時，作為低通的EMI濾波器，其截止頻率通常過高，無法衰減紋波噪聲。

最終的結(jié)果是，閉環(huán)衰減不足以減弱通過低通濾波器的噪聲，而且噪聲在轉(zhuǎn)換器輸出端會變得清晰可見。這會導(dǎo)致下游低壓電子產(chǎn)品的損壞和故障，它們無法處理這類高壓紋波。

傳統(tǒng)解決方案的弊端

雖然有幾種常規(guī)解決方案可以解決這些問題，但每種解決方案都有利弊。

看看電機驅(qū)動器，我們會發(fā)現(xiàn)一些方案，包括增加DC鏈路電容、修改驅(qū)動器配置文件以及在電機驅(qū)動器工作中實施“禁飛區(qū)”等。 

增加 DC 鏈路電容并不理想，因為它需要較大的電容器，會占用更多空間并增加車輛重量。在空間和重量都很重要的電動汽車中，這種解決方案沒有任何吸引力。替代方案“禁飛區(qū)”和修改驅(qū)動器配置文件都會增加控制系統(tǒng)的復(fù)雜性并減少驅(qū)動器選項。

濾波器層面的通用解決方案可能會是重新設(shè)計濾波器，使其具有較低的截止頻率。由于具有較低的截止頻率，濾波器就可以更好地衰減與電機驅(qū)動器工作有關(guān)的噪聲。

這里的問題是截止頻率很低的濾波器需要大型濾波器組件（即電感器和電容器）。這些大型組件會占用系統(tǒng)空間并增加系統(tǒng)重量，這在尋求優(yōu)化功率密度的電動汽車設(shè)計中是不可取的。讓這個問題更復(fù)雜的是，在給定頻率范圍內(nèi)具有更大輸出阻抗（即更大濾波器衰減）的濾波器會導(dǎo)致更大的功耗和濾波器的發(fā)熱（圖 3）。因此，使用截止頻率較低的濾波器則需要為濾波器組件提供較大的散熱器，這將進一步增加系統(tǒng)尺寸和重量。雖然濾波器可設(shè)計成最大限度降低輸出阻抗和損耗，但這也需要更大的濾波器組件（圖 4），進而需要對系統(tǒng)重量和尺寸進行權(quán)衡。

圖3 濾波器輸出阻抗對濾波器內(nèi)部損耗產(chǎn)生直接影響。在本示例中，綠色波形表示輸出阻抗更高（即損耗更高）的濾波器，高達16kHz

圖4 濾波器可修改為最大限度降低輸出阻抗和損耗，但這需要更大的濾波器組件。在本示例中，L1 和 C4 分別變大 20 倍和 50 倍，以最大限度降低輸出阻抗

使用高帶寬電源模塊解決紋波抑制問題

一種更有效的解決方案是將高開關(guān)頻率與軟開關(guān)拓撲相結(jié)合的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。任何數(shù)量的 Vicor 高密度電源模塊均可實現(xiàn)紋波抑制。Vicor DCM?、BCM^?和ZVS穩(wěn)壓器模塊均采用高頻率，使轉(zhuǎn)換器具有更大的閉環(huán)帶寬。這些更大的帶寬可直接轉(zhuǎn)化為更顯著的紋波抑制，因為系統(tǒng)可以更好地處理更寬頻率范圍內(nèi)的噪聲，包括與電機驅(qū)動器工作有關(guān)的頻率（圖 5）。

圖5 高帶寬DC-DC轉(zhuǎn)換器從輸入到輸出的頻率響應(yīng)（即衰減）。在本實例中，Vicor高帶寬轉(zhuǎn)換器可將高達20kHz的頻率衰減至少65dB

另外一個優(yōu)勢是，使用高頻率DC-DC轉(zhuǎn)換器就能設(shè)計明顯更小的EMI濾波器，節(jié)省空間、減輕重量。由于濾波器不再需要適應(yīng)較低的頻率，因此我們可以將濾波器的截止頻率切換到更高頻率。這種更高頻率的工作可實現(xiàn)更小的濾波器組件，進而實現(xiàn)更高功率密度的系統(tǒng)。

同樣重要的是要注意，更高的開關(guān)頻率并不一定意味著更糟糕的EMI足跡。使用適當?shù)能涢_關(guān)拓撲和控制器，不僅可保持低噪聲量級，而且還可簡化對其的衰減，因為EMI濾波器可從寄生參數(shù)中解放出來。

通過這種方式，Vicor高帶寬電源模塊可幫助汽車系統(tǒng)提高紋波抑制能力、可靠性和功率密度（圖 6）。

圖6 Vicor DC-DC轉(zhuǎn)換器將高帶寬與軟開關(guān)拓撲相結(jié)合，比傳統(tǒng)解決方案更有效地解決了電動汽車中與紋波抑制相關(guān)的難題

改善汽車供電網(wǎng)絡(luò)

由于電機驅(qū)動器運行產(chǎn)生的高壓紋波影響，設(shè)計可靠的高功率密度汽車系統(tǒng)極具挑戰(zhàn)性。許多人試圖通過增加 DC-DC 轉(zhuǎn)換器濾波器的組件尺寸來解決這個問題，結(jié)果導(dǎo)致系統(tǒng)變得更龐大、更重。鑒于系統(tǒng)重量會直接影響行駛里程，因此汽車供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 不適合使用更大、更重的電源組件。

相反，Vicor 通過具有高帶寬和軟開關(guān)拓撲獨特組合的緊湊型 DC-DC 電源模塊，游刃有余地解決了這些問題。Vicor 模塊化解決方案可帶來更穩(wěn)健可靠、功率密度更高的 PDN。Vicor 電源模塊易于散熱，效率高，并可簡化電源系統(tǒng)設(shè)計。更重要的是，它們具有很高的功率密度、高度的靈活性和可擴展性，是當前動態(tài) xEV 的理想解決方案。

汽車 PDN 從未在如此短的時間內(nèi)經(jīng)歷如此極端的變革。隨著 OEM 廠商減少對內(nèi)燃機的投資，研發(fā)團隊面臨無數(shù)的電源電子技術(shù)挑戰(zhàn)，向48V母線的過渡使其更加復(fù)雜。在有限的空間內(nèi)工作時，紋波抑制是更復(fù)雜的電源挑戰(zhàn)之一。幸運的是，Vicor緊湊型電源模塊（DC-DC轉(zhuǎn)換器）系列采用高頻率和軟開關(guān)拓撲，是應(yīng)對當前苛刻的電動汽車電源電子技術(shù)挑戰(zhàn)的理想解決方案。