高帶寬電源模塊消除高壓線(xiàn)路紋波抑制干擾

Warning: getimagesize(http://editerupload.eepw.com.cn/202405/1714903826488358.jpg): failed to open stream: HTTP request failed! HTTP/1.1 504 Gateway Time-out in /var/www/html/www.edw.com.cn/www/rootapp/controllerssitemanage/ManagecmsController.php on line 2060

車(chē)廠(chǎng)從內燃機向純電動(dòng)汽車(chē)轉型的過(guò)程中所面臨的一大挑戰，就是如何找到更好的解決方案來(lái)解決新舊電源的難題。對于實(shí)現高效的電磁干擾濾波，軟開(kāi)關(guān)拓撲的高開(kāi)關(guān)頻率至關(guān)重要。

汽車(chē)電汽化可能是我們這個(gè)時(shí)代影響最廣的電源挑戰。這是車(chē)廠(chǎng)在從內燃機向純電動(dòng)汽車(chē)轉型的過(guò)程中面臨的一個(gè)全球性問(wèn)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(lái)解決新舊電源的難題。

在標準電動(dòng)汽車(chē)（EV）中，主要的設計考慮因素是配電與架構。當然，這些系統可能很復雜，其中整個(gè)車(chē)輛依靠電池（400V 或 800V）為低壓控制電子裝置（12V）提供了高壓直流，還有一個(gè)由 AC 電源供電的馬達。

在這種架構中，高壓母線(xiàn)上需要 DC-DC 轉換器來(lái)將電壓降至較低水平，以便為下游負載供電。這些轉換器依賴(lài)于數百K赫茲的高頻率開(kāi)關(guān)。因此，它們是系統內常見(jiàn)的電磁干擾（EMI）源。為了抵消其產(chǎn)生 EMI，需要在 DC-DC 轉換器輸入端部署專(zhuān)用 EMI 濾波器，將其作為低通濾波器，衰減超過(guò)截止頻率的噪聲。

電源架構中另一個(gè)不可或缺的組件是馬達驅動(dòng)器，它是將電池的 DC 輸出轉換為 AC，為電動(dòng)汽車(chē)馬達供電的必需品。在能量再生和推進(jìn)過(guò)程中，馬達驅動(dòng)器會(huì )在系統的高壓母線(xiàn)中產(chǎn)生多余的高壓紋波。這種紋波給 DC-DC 轉換器及其相關(guān)濾波器的安全性、可靠性及使用壽命帶來(lái)了重大挑戰（圖一）。

圖一 : 馬達驅動(dòng)器產(chǎn)生的紋波影響了電動(dòng)汽車(chē)的高壓母線(xiàn)

紋波對 DC-DC 轉換器的危害

馬達驅動(dòng)器開(kāi)關(guān)工作產(chǎn)生的高壓紋波，會(huì )給 DC-DC 轉換器及其相關(guān)濾波器、甚至下游電子器件帶來(lái)不利影響。

觀(guān)察濾波器會(huì )發(fā)現，由紋波引起的電壓和電流會(huì )在濾波器組件之間引起自發(fā)熱

（PLOSS = I2rms ? RESR）。這種有害的發(fā)熱將導致組件退化和組件故障，最終會(huì )降低使用壽命及系統可靠性。在無(wú)阻尼濾波器設計中，這種損害會(huì )加劇，其中紋波噪聲可能會(huì )出現在 EMI 濾波器的諧振頻率上（圖二）。在這些情況下，過(guò)壓和過(guò)流會(huì )進(jìn)一步損壞組件，導致運轉失靈和突發(fā)故障。如果管理不當，波紋噪聲就會(huì )給電動(dòng)汽車(chē)帶來(lái)安全隱患。

圖二 : DC-DC 轉換器輸入濾波器設計用于衰減高頻率噪聲，而且可能具有與馬達驅動(dòng)器頻率范圍重迭的諧振。

除了對 EMI 濾波器造成損壞外，馬達驅動(dòng)器紋波還會(huì )對 DC-DC 轉換器的輸出產(chǎn)生不良影響。

轉換器的死循環(huán)帶寬是衡量該單元在一定頻率下對波動(dòng)作出響應的能力，可將它視為一個(gè)高通濾波器：如果噪聲發(fā)生的頻率高于死循環(huán)帶寬的頻率，則轉換器就無(wú)法將其濾除。

面臨的挑戰是，汽車(chē) DC-DC 轉換器通常設計為僅幾千赫茲的死循環(huán)帶寬，而馬達驅動(dòng)器紋波則發(fā)生在更高的頻率。同時(shí)作為低通的 EMI 濾波器截止頻率通常過(guò)高，無(wú)法衰減紋波噪聲。

最終的結果是死循環(huán)衰減不足以減弱透過(guò)低通濾波器的噪聲，而且噪聲在轉換器輸出端會(huì )變得清晰可見(jiàn)。這會(huì )導致下游低壓電子產(chǎn)品的損壞和故障，它們無(wú)法處理這類(lèi)高壓紋波。

傳統解決方案的弊端

雖然有幾種常規解決方案可以解決這些問(wèn)題，但每種解決方案都有利弊。

看看馬達驅動(dòng)器，我們會(huì )發(fā)現一些解決方案，包括增加 DC 鏈路電容、修改驅動(dòng)器配置文件以及在馬達驅動(dòng)器工作中實(shí)施「禁飛區」等。

增加DC鏈路電容并不理想，因為它需要較大的電容器，會(huì )占用更多空間并增加車(chē)輛重量。在空間和重量都很重要的電動(dòng)汽車(chē)中，這種解決方案沒(méi)有任何吸引力。替代方案「禁飛區」和修改驅動(dòng)器配置文件都會(huì )增加控制系統的復雜性并減少驅動(dòng)器選項。

濾波器層面的通用解決方案可能會(huì )是重新設計濾波器，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馬達驅動(dòng)器工作有關(guān)的噪聲。

這里的問(wèn)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(huì )占用系統空間并增加系統重量，這在尋求優(yōu)化功率密度的電動(dòng)汽車(chē)設計中不可取。導致這個(gè)問(wèn)題更復雜的是，在設定頻率范圍內具有更大輸出阻抗（即更大濾波器衰減）的濾波器會(huì )導致更大的功耗和濾波器的發(fā)熱（圖三）。

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(jìn)一步增加系統尺寸和重量。雖然濾波器可設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（圖四），進(jìn)而需要對系統重量和尺寸進(jìn)行權衡。

圖三 : 濾波器輸出阻抗對濾波器內部損耗產(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。

圖四 : 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(wèn)題

一種更有效的解決方案是將高開(kāi)關(guān)頻率與軟開(kāi)關(guān)拓撲相結合的 DC-DC 轉換器。任何數量的 Vicor 高密度電源模塊均可實(shí)現紋波抑制。Vicor DCM、BCM和ZVS穩壓器模塊均采用高頻率，使轉換器具有更大的死循環(huán)帶寬。這些更大的帶寬可直接轉化為更顯著(zhù)的紋波抑制，因為系統可以更好地處理更寬帶率范圍內的噪聲，包括與馬達驅動(dòng)器工作有關(guān)的頻率（圖五）。

圖五 : 高帶寬 DC-DC 轉換器從輸入到輸出的頻率響應（即衰減）。在本實(shí)例中，Vicor 高帶寬轉換器可將高達 20kHz 的頻率衰減至少 65dB。

另外一個(gè)優(yōu)勢是，使用高頻率 DC-DC 轉換器就能設計明顯更小的 EMI 濾波器，節省空間、減輕重量。由于濾波器不再需要適應較低的頻率，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(shí)現更小的濾波器組件，進(jìn)而實(shí)現更高功率密度的系統。

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

透過(guò)這種方式，Vicor 高帶寬電源模塊可?明汽車(chē)系統提高紋波抑制能力、可靠性和功率密度（圖六）。

圖六 : Vicor DC-DC 轉換器將高帶寬與軟開(kāi)關(guān)拓撲相結合，比傳統解決方案更有效地解決了電動(dòng)汽車(chē)中與紋波抑制相關(guān)的難題。

改善汽車(chē)供電網(wǎng)絡(luò )

由于馬達驅動(dòng)器運行產(chǎn)生的高壓紋波影響，設計可靠的高功率密度汽車(chē)系統極具挑戰性。許多人試圖透過(guò)增加 DC-DC 轉換器濾波器的組件尺寸來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，結果導致系統變得更龐大、更重。鑒于系統重量會(huì )直接影響行駛里程，因此汽車(chē)供電網(wǎng)絡(luò )（PDN）不適合使用更大、更重的電源組件。

相反，透過(guò)具有高帶寬和軟開(kāi)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(wèn)題。Vicor 模塊化解決方案可帶來(lái)更穩健可靠、功率密度更高的 PDN。Vicor 電源模塊易于散熱，效率高，并可簡(jiǎn)化電源系統設計。并且是功率密度極高的轉換器，具有高度的靈活性和可擴充性，是當前動(dòng)態(tài) xEV 的理想解決方案。

汽車(chē) PDN 從未在如此短的時(shí)間內經(jīng)歷如此極端的變革。隨著(zhù)車(chē)廠(chǎng)減少對內燃機的投資，研發(fā)團隊面臨無(wú)數的電源電子技術(shù)挑戰，朝向 48V 母線(xiàn)的過(guò)渡使其更加復雜。在有限的空間內工作時(shí)，紋波抑制是更復雜的電源挑戰之一。而Vicor 緊湊型電源模塊（DC-DC 轉換器）系列采用高頻和軟開(kāi)關(guān)拓撲，能夠應對當前苛刻的電動(dòng)汽車(chē)電源電子技術(shù)挑戰。

（本文作者陳雋恒為 Vicor中國汽車(chē)業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)部高級經(jīng)理）