用并聯(lián)48V DC－DC穩(wěn)壓器提高自主駕駛車輛的功率

隨著包括主動懸掛、轉(zhuǎn)向、氣候控制、電動座椅和電動車窗以及高級信息娛樂系統(tǒng)在內(nèi)的電氣系統(tǒng)數(shù)量的增多，對電源的需求也在日益增加，進而推動了汽車電源系統(tǒng)從 12 V 向 48 V 的轉(zhuǎn)變。事實證明，48 V 電源是有效提供大量電能的最佳選擇，而 12 V 系統(tǒng)則需要昂貴的元器件和大量的布線工作，否則就無法滿足基于 12 V 系統(tǒng)的嚴格的安全和性能標(biāo)準。

隨著包括主動懸掛、轉(zhuǎn)向、氣候控制、電動座椅和電動車窗以及高級信息娛樂系統(tǒng)在內(nèi)的電氣系統(tǒng)數(shù)量的增多，對電源的需求也在日益增加，進而推動了汽車電源系統(tǒng)從 12 V 向 48 V 的轉(zhuǎn)變。事實證明，48 V 電源是有效提供大量電能的最佳選擇，而 12 V 系統(tǒng)則需要昂貴的元器件和大量的布線工作，否則就無法滿足基于 12 V 系統(tǒng)的嚴格的安全和性能標(biāo)準。
此外，隨著內(nèi)燃機 (ICE) 車隊被電動汽車 (EV) 取代，48 V 系統(tǒng)的采用速度也將加快。雖然電動汽車使用 400 V，甚至是 800 V 系統(tǒng)來驅(qū)動車輪，但多家制造商，尤其是擁有 CyberTruck 技術(shù)的 Tesla 已經(jīng)利用設(shè)計全新汽車的機會，將 48 V 作為汽車其他電氣系統(tǒng)的標(biāo)準電壓。
功率越高，阻性損耗越低
但為什么要放棄成熟且經(jīng)過驗證的 12 V 技術(shù)呢？畢竟，幾十年來 12 V 系統(tǒng)一直表現(xiàn)良好，而且仍然擁有龐大的元器件供應(yīng)鏈和成熟產(chǎn)品。答案很簡單，因為以前的普通汽車需要為車內(nèi)照明、收音機和點煙器（沒錯，那時的汽車有內(nèi)置點煙器）提供電源，而電動轉(zhuǎn)向、GPS 和座椅加熱則是汽車設(shè)計師夢寐以求的功能。除了標(biāo)準的 12 V 電壓外，根本不需要任何額外的電源。此外，鉛酸電池每節(jié)可提供約 2 V 的電壓，因此六節(jié)標(biāo)準電池可提供所需的 12 V 電壓，并具有非?；厩伊畠r的穩(wěn)壓功能。
但是，上一代汽車設(shè)計師的夢想今天已成為現(xiàn)實，所有類型的汽車，無論是傳統(tǒng)汽車、軟混動汽車、混合電動汽車 (HEV) 還是純電動汽車，都需要更多的電源。功率 (P)（單位：W）= 電壓 x 電流（單位：A）。這個簡單的等式告訴我們，提高電壓或電流（或者同時提高）可獲得更高的功率。但我們也知道，P = A2 x 電阻（單位：歐姆 (Ω)）。也就是說，僅僅通過增加電流來實現(xiàn)提高功率，會使阻性損耗成倍增加，并造成更多的熱管理方面的挑戰(zhàn)。
最好的辦法是提高電壓，以獲得更大的功率。例如，假設(shè)我們需要從 12 V 電源提供 75 W 的功率。這需要 75/12 = 6.25 A 的電流。但是，如果我們將電源電壓提高到 48 V，75/48 = 1.6 A 的電流就可以獲得相同的功率。電流減少 75% 意味著汽車設(shè)計師可以使用更輕的導(dǎo)線，從而減小重量并降低成本（圖 2）。

圖 2：通過為關(guān)鍵系統(tǒng)提供 48 V 電源，汽車設(shè)計師可以減少線束的重量和成本。（圖片來源：Vicor）

汽車以外的 48 V 電源
汽車并不是唯一能從 48 V 總線受益的輪式系統(tǒng)。例如，倉庫機器人、輪椅、叉車和自動末端運送車輛都在利用 48 V 電源（圖 3）。與汽車不同，這些車輛主要使用 48 V 電源為牽引電機供電；倉庫機器人幾乎不需要加熱座椅或信息娛樂系統(tǒng)。

圖 3：得益于為牽引電機提供 48 V 電源，自動末端運送車輛可以更快、更高效地到達目的地。（圖片來源：Vicor）

在這些類型的產(chǎn)品中，12 V 鉛酸電池正被由多個電池單元組成的 48 V 鋰離子 (Li-ion) 電池所取代。作為工程師，我們知道此類電池的標(biāo)稱電壓為 48 V，但隨著放電，電壓會下降。這意味著我們需要良好的穩(wěn)壓功能，以便在電池放電時保持電壓穩(wěn)定。
Vicor 提供隔離式（直流 3000 VDC）穩(wěn)壓式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器線路就是此類應(yīng)用的理想之選。例如，DCM2322T72S53A0T60 轉(zhuǎn)換器采用 14 V 至 72 V 輸入電壓，提供 48 V 穩(wěn)壓輸出，電流高達 2.1 A，可實現(xiàn) 100 W 輸出功率。該轉(zhuǎn)換器采用高頻零電壓開關(guān) (ZVS) 拓撲結(jié)構(gòu)，效率高達 90.1%，可保持低溫并延長電池壽命，同時達到每立方英寸 401 瓦 (in.3) 的高功率密度。
提升功率
DCM2322T72S53A0T60 是一款高能效穩(wěn)壓器，但在某些運行模式下，例如電動輪椅爬坡時，該應(yīng)用可能需要 100 W 以上的功率。一種選擇是指定輸出功率更大的 48 V DC-DC 穩(wěn)壓器。例如，DCM2322TA5N53A2M60 可在 48 V 電壓下從 43 V 至 154 V 電源提供最高 120 W 的功率。使用單個更高功率穩(wěn)壓器的代價是，峰值能效通常會有所下降，而且熱管理變得更具挑戰(zhàn)性。
另外，DCM2322T72S53A0T60 可作為模塊陣列輕松部署，以提高功率輸出。多達八個單元的陣列已通過認證，功率可達 800 W。好消息是，陣列的最大功率是單個模塊最大功率的總和。陣列拓撲結(jié)構(gòu)不會強制降額。更妙的是，必要時陣列中的每個模塊都可以使用不同的輸入電壓供電，而在 48 V 電壓下仍能提供高達 100 W 的功率。
在陣列模式下使用 DCM2322 模塊時，需要在設(shè)計上進行權(quán)衡：用一個去耦網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)并聯(lián)運行。實際上，這意味著每個 DCM2322 只需在輸出被饋入公共總線之前安裝一個輸出電容器。即使所有模塊共用一個輸入電壓源，每個 DCM2322 也需要一個單獨的輸入濾波器。濾波器用于限制每個模塊反射的紋波電流，并協(xié)助抑制拍頻電流的產(chǎn)生，當(dāng)允許多個動力輸入級直接相互作用時，可能會產(chǎn)生拍頻電流（圖 4）。

圖 4：DCM2322 DC-DC 穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器可以陣列方式布置，提供高達 800 W 的功率；原理圖顯示了高效、安靜運行所需的輸入濾波器和去耦網(wǎng)絡(luò)。（圖片來源：Vicor）

結(jié)束語
將 12 V 電源轉(zhuǎn)換為 48 V 電源為倉庫機器人、電動輪椅和自動末端運送車等應(yīng)用帶來了關(guān)鍵的系統(tǒng)優(yōu)勢。此類優(yōu)勢包括降低電流，從而能夠使用重量更輕、成本更低的線束。
但是，隨著這些終端產(chǎn)品復(fù)雜程度的提高，對電源的需求也在增加。您可以使用多個并聯(lián)的 Vicor 高功率密度穩(wěn)壓式 DC-DC 電壓轉(zhuǎn)換器來相應(yīng)地擴展您的電源系統(tǒng)。這樣，就可以讓 48 V 系統(tǒng)提供高達 800 W 或更高的功率。

(作者： Steven Keeping)