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高频宽电源模组消除高压线路纹波抑制干扰
[作者 陳雋恒]   2024年04月26日 星期五 浏览人次: [1540]

车厂从内燃机向纯电动汽车转型的过程中所面临的一大挑战,就是如何找到更好的解决方案来解决新旧电源的难题。对於实现高效的电磁干扰滤波,软开关拓扑的高开关频率至关重要。


汽车电汽化可能是我们这个时代影响最广的电源挑战。这是车厂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)为低压控制电子装置(12V)提供了高压直流,还有一个由 AC 电源供电的马达。


在这种架构中,高压母线上需要 DC-DC 转换器来将电压降至较低水准,以便为下游负载供电。这些转换器依赖於数百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杂讯。


电源架构中另一个不可或缺的元件是马达驱动器,它是将电池的 DC 输出转换为 AC,为电动汽车马达供电的必需品。在能量再生和推进过程中,马达驱动器会在系统的高压母线中产生多馀的高压纹波。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(图一)。



图一 : 马达驱动器产生的纹波影响了电动汽车的高压母线
图一 : 马达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

马达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元件之间引起自发热


(PLOSS = I2rms · RESR)。这种有害的发热将导致元件退化和元件故障,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,其中纹波杂讯可能会出现在 EMI 滤波器的谐振频率上(图二)。在这些情况下,过压和过流会进一步损坏元件,导致运转失灵和突发故障。如果管理不当,波纹杂讯就会给电动汽车带来安全隐患。



图二 : DC-DC 转换器输入滤波器设计用於衰减高频率杂讯,而且可能具有与马达驱动器频率范围重叠的谐振。
图二 : DC-DC 转换器输入滤波器设计用於衰减高频率杂讯,而且可能具有与马达驱动器频率范围重叠的谐振。

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


转换器的闭环频宽是衡量该单元在一定频率下对波动作出回应的能力,可将它视为一个高通滤波器:如果杂讯发生的频率高於闭环频宽的频率,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频宽,而马达驱动器纹波则发生在更高的频率。同时作为低通的 EMI 滤波器截止频率通常过高,无法衰减纹波杂讯。


最终的结果是闭环衰减不足以减弱透过低通滤波器的杂讯,而且杂讯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。


看看马达驱动器,我们会发现一些解决方案,包括增加 DC 链路电容、修改驱动器设定档以及在马达驱动器工作中实施「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」和修改驱动器设定档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。由於具有较低的截止频率,滤波器就可以更好地衰减与马达驱动器工作有关的杂讯。


这里的问题是截止频率很低的滤波器需要大型滤波器元件(即电感器和电容器)。这些大型元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不可取。导致这个问题更复杂的是,在设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(图三)。


因此,使用截止频率较低的滤波器则需要为滤波器元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元件(图四),进而需要对系统重量和尺寸进行权衡。



图三 : 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。
图三 : 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。

图四 : 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元件。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。
图四 : 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元件。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。

使用高频宽电源模组解决纹波抑制问题

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 高密度电源模组均可实现纹波抑制。Vicor DCM、BCM和ZVS稳压器模组均采用高频率,使转换器具有更大的闭环频宽。这些更大的频宽可直接转化为更显着的纹波抑制,因为系统可以更好地处理更宽频率范围内的杂讯,包括与马达驱动器工作有关的频率(图五)。



图五 : 高频宽 DC-DC 转换器从输入到输出的频率回应(即衰减)。在本实例中,Vicor 高频宽转换器可将高达 20kHz 的频率衰减至少 65dB。
图五 : 高频宽 DC-DC 转换器从输入到输出的频率回应(即衰减)。在本实例中,Vicor 高频宽转换器可将高达 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。由於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元件,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,不仅可保持低杂讯量级,而且还可简化对其的衰减,因为 EMI 滤波器可从寄生叁数中解放出来。


透过这种方式,Vicor 高频宽电源模组可?明汽车系统提高纹波抑制能力、可靠性和功率密度(图六)。



图六 : Vicor DC-DC 转换器将高频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。
图六 : Vicor DC-DC 转换器将高频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。

改善汽车供电网路

由於马达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。许多人试图透过增加 DC-DC 转换器滤波器的元件尺寸来解决这个问题,结果导致系统变得更庞大、更重。鉴於系统重量会直接影响行驶里程,因此汽车供电网路(PDN)不适合使用更大、更重的电源元件。


相反,透过具有高频宽和软开关拓扑独特组合的紧凑型 DC-DC 电源模组,游刃有馀地解决了这些问题。Vicor 模组化解决方案可带来更稳健可靠、功率密度更高的 PDN。Vicor 电源模组易於散热,效率高,并可简化电源系统设计。并且是功率密度极高的转换器,具有高度的灵活性和可扩充性,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。随着车厂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,朝向 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。而Vicor 紧凑型电源模组(DC-DC 转换器)系列采用高频和软开关拓扑,能够应对当前苛刻的电动汽车电源电子技术挑战。


(本文作者陈隽??为 Vicor中国汽车业务开发部高级经理)


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