高带宽电源模块消除高压线路纹波抑制的干扰

高带宽和软开关拓扑是应对当前苛刻的电动汽车电源电子技术挑战的理想解决方案

陈隽恆 VICOR中国汽车业务开发部高级经理

汽车电气化可能是我们这个时代影响最广的电源挑战。这是汽车 OEM 厂商在从内燃机向纯电动汽车转型的过程中面临的一个全球性问题。各地的研发团队都在探索新的方法，试图找到更好的解决方案来解决新旧电源的难题。

在标准电动汽车 (EV) 中，主要的设计考虑因素是配电与架构。当然，这些系统可能很复杂，其中整个车辆依靠电池（400V 或 800V）为低压控制电子设备 (12V)提供了高压直流， 还有一个由 AC 电源供电的电机。

在这种框架中，高压母线上需要 DC-DC 转换器来将电压降至较低水平，以便为下游负载供电。这些转换器依赖于数百K赫兹的高频率开关。因此，它们是系统内常见的电磁干扰 (EMI) 源。为了抵消其产生 EMI ，需要在 DC-DC 转换器输入端部署专用 EMI 滤波器，将其作为低通滤波器，衰减超过截止频率的噪声。

电源架构中另一个不可或缺的组件是电机驱动器，它是将电池的 DC 输出转换为 AC ，为电动汽车电机供电的必需品。在能量再生和推进过程中，电机驱动器会在系统的高压母线中产生多余的高压纹波。这种纹波给 DC-DC 转换器及其相关滤波器的安全性、可靠性及使用寿命带来了重大挑战（图 1）。

图 1：电机驱动器产生的纹波影响了电动汽车的高压母线。

纹波对 DC-DC 转换器的危害

电机驱动器开关工作产生的高压纹波会给 DC-DC 转换器及其相关滤波器甚至下游电子器件带来不利影响。

观察滤波器会发现，由纹波引起的电压和电流会在滤波器组件之间引起自发热
(P_LOSS = I²_rms • R_ESR)。这种有害的发热将导致组件退化和组件故障，最终会降低使用寿命及系统可靠性。在无阻尼滤波器设计中，这种损害会加剧，其中纹波噪声可能会出现在 EMI 滤波器的谐振频率上（图 2）。在这些情况下，过压和过流会进一步损坏组件，导致运转失灵和突发故障。如果管理不当，波纹噪声就会给电动汽车带来安全隐患。

图 2：DC-DC 转换器输入滤波器设计用于衰减高频率噪声，而且可能具有与电机驱动器频率范围重叠的谐振。

除了对 EMI 滤波器造成损坏外，电机驱动器纹波还会对 DC-DC 转换器的输出产生不良影响。

转换器的闭环带宽是衡量该单元在一定频率下对波动作出响应的能力。可将它视为一个高通滤波器：如果噪声发生的频率高于闭环带宽的频率，则转换器就无法将其滤除。

面临的挑战是，汽车 DC-DC 转换器通常设计为仅几千赫兹的闭环带宽，而电机驱动器纹波则发生在更高的频率。同时，作为低通的 EMI 滤波器，其截止频率通常过高，无法衰减纹波噪声。

最终的结果是，闭环衰减不足以减弱通过低通滤波器的噪声，而且噪声在转换器输出端会变得清晰可见。这会导致下游低压电子产品的损坏和故障，它们无法处理这类高压纹波。

传统解决方案的弊端

虽然有几种常规解决方案可以解决这些问题，但每种解决方案都有利弊。

看看电机驱动器，我们会发现一些方案，包括增加 DC 链路电容、修改驱动器配置文件以及在电机驱动器工作中实施“禁飞区”等。 

增加 DC 链路电容并不理想，因为它需要较大的电容器，会占用更多空间并增加车辆重量。在空间和重量都很重要的电动汽车中，这种解决方案没有任何吸引力。替代方案“禁飞区”和修改驱动器配置文件都会增加控制系统的复杂性并减少驱动器选项。

滤波器层面的通用解决方案可能会是重新设计滤波器，使其具有较低的截止频率。由于具有较低的截止频率，滤波器就可以更好地衰减与电机驱动器工作有关的噪声。

这里的问题是截止频率很低的滤波器需要大型滤波器组件（即电感器和电容器）。这些大型组件会占用系统空间并增加系统重量，这在寻求优化功率密度的电动汽车设计中是不可取的。让这个问题更复杂的是，在给定频率范围内具有更大输出阻抗（即更大滤波器衰减）的滤波器会导致更大的功耗和滤波器的发热（图 3）。因此，使用截止频率较低的滤波器则需要为滤波器组件提供较大的散热器，这将进一步增加系统尺寸和重量。虽然滤波器可设计成最大限度降低输出阻抗和损耗，但这也需要更大的滤波器组件（图 4），进而需要对系统重量和尺寸进行权衡。

图 3：滤波器输出阻抗对滤波器内部损耗产生直接影响。在本示例中，绿色波形表示输出阻抗更高（即损耗更高）的滤波器，高达 16kHz。

图 4：滤波器可修改为最大限度降低输出阻抗和损耗，但这需要更大的滤波器组件。在本示例中，L1 和 C4 分别变大 20 倍和 50 倍，以最大限度降低输出阻抗。

使用高带宽电源模块解决纹波抑制问题

一种更有效的解决方案是将高开关频率与软开关拓扑相结合的 DC-DC 转换器。任何数量的 Vicor 高密度电源模块均可实现纹波抑制。Vicor DCM™、BCM® 和 ZVS 稳压器模块均采用高频率，使转换器具有更大的闭环带宽。这些更大的带宽可直接转化为更显著的纹波抑制，因为系统可以更好地处理更宽频率范围内的噪声，包括与电机驱动器工作有关的频率（图 5）。

图 5：高带宽 DC-DC 转换器从输入到输出的频率响应（即衰减）。在本实例中，Vicor 高带宽转换器可将高达 20kHz 的频率衰减至少 65dB。

另外一个优势是，使用高频率 DC-DC 转换器就能设计明显更小的 EMI 滤波器，节省空间、减轻重量。由于滤波器不再需要适应较低的频率，因此我们可以将滤波器的截止频率切换到更高频率。这种更高频率的工作可实现更小的滤波器组件，进而实现更高功率密度的系统。

同样重要的是要注意，更高的开关频率并不一定意味着更糟糕的 EMI 足迹。使用适当的软开关拓扑和控制器，不仅可保持低噪声量级，而且还可简化对其的衰减，因为 EMI 滤波器可从寄生参数中解放出来。

通过这种方式，Vicor 高带宽电源模块可帮助汽车系统提高纹波抑制能力、可靠性和功率密度（图 6）。

图 6：Vicor DC-DC 转换器将高带宽与软开关拓扑相结合，比传统解决方案更有效地解决了电动汽车中与纹波抑制相关的难题。

改善汽车供电网络

由于电机驱动器运行产生的高压纹波影响，设计可靠的高功率密度汽车系统极具挑战性。许多人试图通过增加 DC-DC 转换器滤波器的组件尺寸来解决这个问题，结果导致系统变得更庞大、更重。鉴于系统重量会直接影响行驶里程，因此汽车供电网络 (PDN) 不适合使用更大、更重的电源组件。

相反，Vicor 通过具有高带宽和软开关拓扑独特组合的紧凑型 DC-DC 电源模块，游刃有余地解决了这些问题。Vicor 模块化解决方案可带来更稳健可靠、功率密度更高的 PDN。Vicor 电源模块易于散热，效率高，并可简化电源系统设计。更重要的是，它们具有很高的功率密度、高度的灵活性和可扩展性，是当前动态 xEV 的理想解决方案。

汽车 PDN 从未在如此短的时间内经历如此极端的变革。随着 OEM 厂商减少对内燃机的投资，研发团队面临无数的电源电子技术挑战，向 48V 母线的过渡使其更加复杂。在有限的空间内工作时，纹波抑制是更复杂的电源挑战之一。幸运的是，Vicor 紧凑型电源模块（DC-DC 转换器）系列采用高频率和软开关拓扑，是应对当前苛刻的电动汽车电源电子技术挑战的理想解决方案。