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高頻寬電源模組消除高壓線路紋波抑制干擾
[作者 陳雋恒]   2024年04月26日 星期五 瀏覽人次: [1542]

車廠從內燃機向純電動汽車轉型的過程中所面臨的一大挑戰,就是如何找到更好的解決方案來解決新舊電源的難題。對於實現高效的電磁干擾濾波,軟開關拓撲的高開關頻率至關重要。


汽車電汽化可能是我們這個時代影響最廣的電源挑戰。這是車廠在從內燃機向純電動汽車轉型的過程中面臨的一個全球性問題。各地的研發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,主要的設計考慮因素是配電與架構。當然,這些系統可能很複雜,其中整個車輛依靠電池(400V 或 800V)為低壓控制電子裝置(12V)提供了高壓直流,還有一個由 AC 電源供電的馬達。


在這種架構中,高壓母線上需要 DC-DC 轉換器來將電壓降至較低水準,以便為下游負載供電。這些轉換器依賴於數百K赫茲的高頻率開關。因此,它們是系統內常見的電磁干擾(EMI)源。為了抵消其產生 EMI,需要在 DC-DC 轉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雜訊。


電源架構中另一個不可或缺的元件是馬達驅動器,它是將電池的 DC 輸出轉換為 AC,為電動汽車馬達供電的必需品。在能量再生和推進過程中,馬達驅動器會在系統的高壓母線中產生多餘的高壓紋波。這種紋波給 DC-DC 轉換器及其相關濾波器的安全性、可靠性及使用壽命帶來了重大挑戰(圖一)。



圖一 : 馬達驅動器產生的紋波影響了電動汽車的高壓母線
圖一 : 馬達驅動器產生的紋波影響了電動汽車的高壓母線

紋波對 DC-DC 轉換器的危害

馬達驅動器開關工作產生的高壓紋波,會給 DC-DC 轉換器及其相關濾波器、甚至下游電子器件帶來不利影響。


觀察濾波器會發現,由紋波引起的電壓和電流會在濾波器元件之間引起自發熱


(PLOSS = I2rms ‧ RESR)。這種有害的發熱將導致元件退化和元件故障,最終會降低使用壽命及系統可靠性。在無阻尼濾波器設計中,這種損害會加劇,其中紋波雜訊可能會出現在 EMI 濾波器的諧振頻率上(圖二)。在這些情況下,過壓和過流會進一步損壞元件,導致運轉失靈和突發故障。如果管理不當,波紋雜訊就會給電動汽車帶來安全隱患。



圖二 : DC-DC 轉換器輸入濾波器設計用於衰減高頻率雜訊,而且可能具有與馬達驅動器頻率範圍重疊的諧振。
圖二 : DC-DC 轉換器輸入濾波器設計用於衰減高頻率雜訊,而且可能具有與馬達驅動器頻率範圍重疊的諧振。

除了對 EMI 濾波器造成損壞外,馬達驅動器紋波還會對 DC-DC 轉換器的輸出產生不良影響。


轉換器的閉環頻寬是衡量該單元在一定頻率下對波動作出回應的能力,可將它視為一個高通濾波器:如果雜訊發生的頻率高於閉環頻寬的頻率,則轉換器就無法將其濾除。


面臨的挑戰是,汽車 DC-DC 轉換器通常設計為僅幾千赫茲的閉環頻寬,而馬達驅動器紋波則發生在更高的頻率。同時作為低通的 EMI 濾波器截止頻率通常過高,無法衰減紋波雜訊。


最終的結果是閉環衰減不足以減弱透過低通濾波器的雜訊,而且雜訊在轉換器輸出端會變得清晰可見。這會導致下游低壓電子產品的損壞和故障,它們無法處理這類高壓紋波。


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題,但每種解決方案都有利弊。


看看馬達驅動器,我們會發現一些解決方案,包括增加 DC 鏈路電容、修改驅動器設定檔以及在馬達驅動器工作中實施「禁飛區」等。


增加DC鏈路電容並不理想,因為它需要較大的電容器,會占用更多空間並增加車輛重量。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」和修改驅動器設定檔都會增加控制系統的複雜性並減少驅動器選項。


濾波器層面的通用解決方案可能會是重新設計濾波器,使其具有較低的截止頻率。由於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器工作有關的雜訊。


這裡的問題是截止頻率很低的濾波器需要大型濾波器元件(即電感器和電容器)。這些大型元件會占用系統空間並增加系統重量,這在尋求優化功率密度的電動汽車設計中不可取。導致這個問題更複雜的是,在設定頻率範圍內具有更大輸出阻抗(即更大濾波器衰減)的濾波器會導致更大的功耗和濾波器的發熱(圖三)。


因此,使用截止頻率較低的濾波器則需要為濾波器元件提供較大的散熱器,這將進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元件(圖四),進而需要對系統重量和尺寸進行權衡。



圖三 : 濾波器輸出阻抗對濾波器內部損耗產生直接影響。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。
圖三 : 濾波器輸出阻抗對濾波器內部損耗產生直接影響。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元件。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。
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元件。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。

使用高頻寬電源模組解決紋波抑制問題

一種更有效的解決方案是將高開關頻率與軟開關拓撲相結合的 DC-DC 轉換器。任何數量的 Vicor 高密度電源模組均可實現紋波抑制。Vicor DCM、BCM和ZVS穩壓器模組均採用高頻率,使轉換器具有更大的閉環頻寬。這些更大的頻寬可直接轉化為更顯著的紋波抑制,因為系統可以更好地處理更寬頻率範圍內的雜訊,包括與馬達驅動器工作有關的頻率(圖五)。



圖五 : 高頻寬 DC-DC 轉換器從輸入到輸出的頻率回應(即衰減)。在本實例中,Vicor 高頻寬轉換器可將高達 20kHz 的頻率衰減至少 65dB。
圖五 : 高頻寬 DC-DC 轉換器從輸入到輸出的頻率回應(即衰減)。在本實例中,Vicor 高頻寬轉換器可將高達 20kHz 的頻率衰減至少 65dB。

另外一個優勢是,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。由於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現更小的濾波器元件,進而實現更高功率密度的系統。


同樣重要的是要注意,更高的開關頻率並不一定意味著更糟糕的 EMI 足跡。使用適當的軟開關拓撲和控制器,不僅可保持低雜訊量級,而且還可簡化對其的衰減,因為 EMI 濾波器可從寄生參數中解放出來。


透過這種方式,Vicor 高頻寬電源模組可?明汽車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 轉換器將高頻寬與軟開關拓撲相結合,比傳統解決方案更有效地解決了電動汽車中與紋波抑制相關的難題。
圖六 : Vicor DC-DC 轉換器將高頻寬與軟開關拓撲相結合,比傳統解決方案更有效地解決了電動汽車中與紋波抑制相關的難題。

改善汽車供電網路

由於馬達驅動器運行產生的高壓紋波影響,設計可靠的高功率密度汽車系統極具挑戰性。許多人試圖透過增加 DC-DC 轉換器濾波器的元件尺寸來解決這個問題,結果導致系統變得更龐大、更重。鑒於系統重量會直接影響行駛里程,因此汽車供電網路(PDN)不適合使用更大、更重的電源元件。


相反,透過具有高頻寬和軟開關拓撲獨特組合的緊湊型 DC-DC 電源模組,遊刃有餘地解決了這些問題。Vicor 模組化解決方案可帶來更穩健可靠、功率密度更高的 PDN。Vicor 電源模組易於散熱,效率高,並可簡化電源系統設計。並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,是當前動態 xEV 的理想解決方案。


汽車 PDN 從未在如此短的時間內經歷如此極端的變革。隨著車廠減少對內燃機的投資,研發團隊面臨無數的電源電子技術挑戰,朝向 48V 母線的過渡使其更加複雜。在有限的空間內工作時,紋波抑制是更複雜的電源挑戰之一。而Vicor 緊湊型電源模組(DC-DC 轉換器)系列採用高頻和軟開關拓撲,能夠應對當前苛刻的電動汽車電源電子技術挑戰。


(本文作者陳雋恒為 Vicor中國汽車業務開發部高級經理)


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