电动汽车电源网络（PDN）的高压总线转换器48V电源模块

电气化带来的经济利益和生活质量改善已促进了许多市场中高压（HV）到48V DC-DC转换技术的应用。随着电池电压的增加，包括48V转换中高压的电源模块在电动汽车和其他应用中变得越来越普遍。了解总线转换器模块的双向固定比率如何在这些系统中进行优化。双向DC-DC转换器密度的高强度是机器电气化为许多行业带来的新且具有挑战性的使用条款的理想解决方案。本文介绍了固定比率DC-DC转换器模块如何支持瞬态负载恢复，而无需昂贵且复杂的液体冷却系统。电气化，从化石燃料驱动的机器转移到电力的整个社会，在航空航天/防御中扫荡所有行业，车辆和设备。经济和邪教推动这一趋势的乌拉尔因素是众所周知的，并且普遍认可。电气化具有相同的环境优势（例如减少相关性相关的相关性），并且为改善性能带来了基本好处，例如高音摩托车可以改善加速电动车辆的性能。电气设备和电动车辆通常使用高压直流从270 V到1000 V，以减少电源和装载之间的电源损失或电缆（包括线性/旋转摩托车，执行器，执行器，传感器，处理器和低电压调节器到倾斜点-Point -point -pointoad等）。高伏特系统还可以实现高水平的机械力转化，包括线性消除和消除。 DC-DC转换在将高压转换为低压，支撑孤立或不可分割的，调节和反向操作方面起着重要作用，并广泛用于电动车辆，数据中心，通信系统A各种行业设备。这些功率转换器可以使用离散组件或模块化软件包实现。本文重点介绍了DC-DC转换器功率模块。以前，主要的DC子系统电源网络（PDN）电压为12 V.，在过去的10年中，包括攀登负载功率需求以及遵守48 V（数据中心54 V）的需求，在48 VDC Converters处诞生了高电压。虽然子系统电源网络（PDN）的电压的演变开始采用以48 V为中心的DC-DC转换器功率模块。这些模块具有许多优势，包括易用性，高强度强度，可扩展性强度和轻量级强度和轻量级设计和能量恢复（供电能源恢复到电力的主要供应））。 1高??压直流在工业设备，自动化和基础设施电池中加速应用，使用各种化学技术，通常用作高压和LOW电压电源显然是移动（非束缚）和手持式应用程序的理想选择。从铅酸电池到最新的钠和石墨电池，以及现代的超级电容器，大多数类型的电池都可以充电，从而支持能源再生系统，这些系统有望在全球范围内实现大量的能源节省。当前，DE电动车辆中常用电池组的标称电压为400VDC和800VDC。将来，由于能量密度增加的增加，800V电池组可能会占主导地位。小型混合动力汽车通常使用48VDC电池，而一些制造商选择12VDC多电池电池组。电动车辆不仅包括乘用车，还包括工业和农业车辆（包括挖掘机和拖拉机等工程车辆）和各种车辆平台（例如个人供水，四个NA Tire Drive越野车，雪地车，摩托车，摩托车， ETC。）。除了没有有限的发病率和延长的充电时间外，这些类型的车辆倾向于在用户完成经验（例如加速性能，扭矩输出和骑行质量）方面错过内部发动机燃烧模型。 2为什么48VDC电源取代12VDC电源？较高的电压可以在下波中输出相同的强度。由于分布功率的损失（通常使用铜或铝用总线或电缆）与电流的平方（P =I2R）成正比，因此在高电力应用中，可以通过使用较高的分配电压来降低由总线和电缆电阻造成的大量传导损失。母线和电缆线仪表基于当前的载荷（安培容量）。电压增加了4次，电流减少了4次，对尺寸，重量和成本产生了重大影响。例如，要进行200A，电流是铜总线NE的横截面区域ED将近0.0625平方英寸；要执行电流的800A，电线的横截面面积需要达到约0.3125平方英寸，相差五倍。在48VDC电源网络上使用的公共汽车和电缆比12VDC电源网络上使用的公共汽车更薄，更轻，因此成本较低。 3探索固定比率转换器模块的使用以实现从高压到48V的转换。高级48V电源模块在其技术能力中开放了新的效率和性能水平。 Halimbawa，Vicor BCM6135是一系列固定比率（4242 V）的总线功率模块，其中包括磁性组件，设计具有双向转换功能，以支持再生电池应用。该系列由一个模块组成，其稳定状态功率为2.5 kW，其“ k因子”比率（相当于变压器转弯比）为1/16，用于将标称800 V电压转换为50V。该模块使用高级电路TOPOLOGY和零电压移动（ZVS）技术，效率高达97.3％，意味着输入强度的2.7只被转换为热损耗（大约2.7％x 2.5 kW的热功率）。在3.1 kW的峰值功率下，设备的壳体温度（TCASE）保持在70°C，这些供热对于通过适当的热管理散发热量是必要的。它的强度量高达159kW/L（模块尺寸为61.3mm x 35.4mm x 7.3mm）;该模块的重量为58G，质量强度的持续密度为43.1W/g。 BCM6135（如图1所示）支持稳定状态的直接双向启动和操作。此外，它可以用作电容乘数，在低压总线（LO）总线（LO）总线上通过K因子的平方（162= 256）缩放大容量。此功能可节省旁路电容器的成本，重量和空间或最初在低压总线上所需的大容量。图1 BCM6135总线转换器模块此外，BCM的这种高频转移提供了非常快速的加载步骤 - /dt）高达8 mA/s，因此它可以替换辅助电池和超级电容器，以支持瞬态步骤，以实现加载所需的应用程序，例如高性能计算和DE -Electrical车辆。 BCM具有广泛的输入电压（520V至920V），并且可以支持广泛的直流电压分布标准。广泛的输入电压是BCM中使用的正弦振幅转换器（SAC?）拓扑的正弦拓扑的特征之一。广泛的输入电压具有重要意义。这在德国汽车行业协会（VDA）的建议中得到了很好的解释。 VDA 320“机动车电气和电子组件-48V汽车电源 - 需求和测试”（2025年1月20日），也称为LV 148，与Audi，BMW，Daimler，Daimler，Porsche和Volkswagen等汽车OEM作为通用OEM标准，作为通用OEM标准，作为环球状况48VDC电压范围。该指南建议电池应支持36V和52V之间的无限制工作电压范围，并且在24V和54V之间的有限操作模式（如图2所示）。图2 VDA 320 48 VDC电压推荐（图像来源：VDA）薄（7.3mm）BCM6135模块系列使用过度和电镀过程，以提高热敏性和屏蔽性，并通过表面端子或通过孔孔相互关联。 3D互连（3DI）CHIP?封装具有低的热电阻和较高的热适应性，包括连接散热器和冷板的共面热界面。 4无主动冷却的能量回收在70°C的高环境温度，当前50A的输出和48 V的输出电压下，BCM6135转换转换的效率通常为97.3％。 48 V电源转换模块中的高压通常用于正在进行的加载应用中，但也是瞬态的理想选择脉冲加载应用，并取决于脉搏占空比，被动冷却（无强制空气或液体冷却）。再生电动车辆的主动悬浮液（可以与主动防倾机控制相结合）是瞬态特性的常用双向使用。只有在遇到颠簸和坑洼时，才能激活驱动驱动的线性电动机。这种系统应用是最佳模型，并使用峰值转换指标进行了描述。事实证明，过去的事实的大小，重量和成本限制为dahil12 VDC不足以驱动主动电机悬架。应当指出的是，电动汽车的800 VDC主电池可用于增强主动悬架子系统的能力，但是将800 VDC的功率连接到车辆的周边将降低安全性，尤其是对于参加事故救助的第一受访者。该BCM6135模型的峰值额定值为3.1 kW，持续时间为20 ms and占空比为25％，适用于其操作电压范围的低端（即低操作线；从17 V到57.5 V）的全部操作范围。如预期的那样，当瞬时需求继续持续时，峰值功率输出会在较长的时间内降低。应用水平的规格规格的开发限制暂停是一项非常复杂的任务，因为道路条件，冷却方法，尺寸，体重和成本的最坏情况可能会有所不同。但是，为了尽可能降低尺寸，重量和成本，通常首选使用被动散热技术（即传导/对流散热器，但无风扇的强迫空气冷却或循环液体冷却板）来损失热量，以便损失热量的热量，以进行主动的DC-DC转换液悬浮液。为了满足这些障碍的设计，挑战是证明功率转换器模块达到瞬态加载要求的峰值而不会导致模块关闭。两者sBCM6135的IDE是电镀的，并且散热器完全据称在包装的两侧同时。 The module has a wrapped heat capacity of 44.5 J/K and is equipped with an internal temperature sensor, combining a double thermal model to estimate the maximum "junction" temperature of the internal MOSFET, as shown in Figure 3 and 4. Figure 3 BCM6135 Double Singing Cooling Thermal Resist Method 4 BCM6135 Double -Sides Annotation Thermal Resistance Models Component Comment Value 5 The internal temperature of the temperature estimates the heat capacity is used to calculate瞬态热事件期间模块的热时间模块。这次具有与热容量和热电阻相同的产物。给出产品数据表的热容量的量是计算出的量，认为该产品在瞬态热事件（整个模块）期间保持相等的温度。这是一种线性的缓解，但它允许专业风管设计人员在早期产品设计周期开始时快速估计产品温度的变化。相同内部温度的简化过程还意味着，当使用散热器将48 V功率模块冷却到两侧时，将继续更好地反映产品的实际性能。例如，图5显示了模仿BCM6135热电阻的等效电路。电阻与热电阻相似，摄氏度为每瓦[°C/W]。当前的资源类似于瓦特的热源[W]。电压源类似于Circui模型中的温度资源，这是摄氏度[°C]。图5 BCM6135热模型相应的电路假设包装的顶部和底部是冷却的，热电阻为0.7°C/W，住房温度为35°C。相应的电路假设包装的顶部和底部都冷却，并具有等效的热抗药电阻。CE为0.7°C/W，温度为35°C。在35°C下，模块的热容量为44.5J/K，并且该模块在连续的30秒内和30秒的连续重复脉冲中释放了130W的功率。该电路的模拟结果如图6所示。操作条件如下：VHI为520，VLO为32.5，低端峰输出电流为80 A（峰值输出功率为2.6 kW）。在第一次电脉冲期间，最高内部温度上升到约90°C。下一个脉冲ay nagpapakita na na panloob na pagtaas ng pagtaas ng sa humigit -kumulang -kumulang -kumulang na 115°115°C。 thermodynamics na kunwa sa ilalim ng mga sumusunod na kondisyon ng operating: Ang VHI ay 520, ang VLO ay 32.5, at ang mababang bahagi ng peak output kasalukuyang ay 80 A. Ang unang pulso ng pulso ay Shows the maximum internal temperaTURE增加到约90°C，然后在约115°C处增加到大约115°C时的最大内部温度限制。必须始终应用模块以验证由初始建模估计的瞬态性能并正确设计HEAT 6实验室测试结果BCM6135本身具有伴随的转换功能，并且可以立即移动方向性。无论流动的电流方向如何，模块的转换效率保持恒定。在再生主动悬架应用中，800 V电池充当当前的资源，悬架电机悬架是车辆在平坦道路上行驶时的48 V装载。当车辆穿过坑洼截面时，悬架中的电动机暂时变成发电机（压缩），而BCM下部的电压上升到800 V电池电压以上除以转换k因子（该应用中的k = 1/16）。这种潜在的差异出口会导致总线转换器在当前流动方向上移动，而无需内部环路控制器干预。 800 V电池，然后临时其电池管理系统的电路。当坑洼部分逐渐消失时，总线转换器将再次降低800 V电池并激活悬架系统的线性电动机。所有这些操作都不需要车辆车载处理器的干预。这些悬架驱动器的频率范围为1 Hz至10 Hz。值得注意的是，道路表面的升高对于总线加载步骤的动态至关重要。高部分和总线转换器的低部分之间的电势差决定了电流的宽和方向。想象一下下部的负载是被动载荷（例如电阻器），而上部的电池电量为800V。BCM等于k = 1/16的变压器，在下部构成50 V的电势。 kasathe溪流WS对电阻，其尺寸由施加到电阻器的电压确定。如果将具有51 V电势的电源添加到下部并更换电阻器，则BCM输出（50 V）和电源（51 V）之间的电势差为负（-1 V），并且电流开始颠倒。该电流的大小将是BCM内部电池和总电池电阻。这可以直观地理解为将BCM的高部分连接到800 V电源和电源中的低部分。通过将双向电源电压更改±100 mV，电流是沿相同方向流动的替代，当前高潮除以100 mV的BCM输出电阻。在这些假设下，如果总线转换器的输出阻抗为25MΩ，则会形成约4A的双向峰值电流（如图7所示）。图7总线转换器示波器屏幕截图的双向电流流：通过更改TH的电压E双向电源为±100 mV，总线转换器电流显然在相同的方向上流动，峰值电流为100 mV除以BCM输出阻抗。总线转换器的输出阻抗通常为25MΩ，因此在这些假设下，双向峰值电流约为4 a。在实验室测试（如图8所示）中，BCM6135在60毫秒内记录为4 kW（80 a至50 v）的峰值，表明该模块的设计在动态载荷下具有出色的热稳定性。图8示波器屏幕截图：4kW需要60ms。 BCM6135是4kW功率（80A至50V）的峰值，实验室测试的持续时间为60 ms，这表明该模块的设计在动态载荷下具有出色的热稳定性。在第二次实验室测试（如图9所示）中，载荷从16 a移动到脉冲形式的80 a，其占空比为10％（16 a，为900 ms，为100 ms）。操作条件为520 VHI和32.5 VLO，WHICH是BCM6135支持的电压范围的低端。平均功率为720 W（22 a在32.5 V）。在30分钟（1800秒）的测试中，内部传感器的“温度读数”（连接温度的连接指标）显示出稳定的状态温度约为100°C，这小于最大允许的连接温度125°C的最大允许连接测试。ETTING测试采用了一种被动的方式，用于冷却一个散热器。它甚至显示了被动冷却目标应用的可行性。图9 10％占空比，16A至80A负载步骤，在第三次实验室测试（如图10所示）中，读取稳定状态的温度为100°C（使用单侧热锌），平均功率增加到1.1 kW（22 a at 50 v）。该测试的工作条件为800 VHI和50 VLO；这是BCM6135支持的电压范围的高端。负载从17.5 a到70 a，其占空比为10％（17.5 a为900毫秒，70 a为100 ms）。在7.5分钟的测试小时内，通过传感器IS100°C测量的内部温度仍会上升（无法达到稳定的estado）。但是7.5分钟（450秒）的持续时间超过20秒，因此这是一个正信号，表明BCM6135可以满足主动悬架的一些设计要求。图10平均输出功率为1.1kW，450秒后的状态温度不稳定为100°C（使用单个侧面散热器）。最后，实验结果表明，BCM6135可以在30秒内支持1.3kW的平均功率，同时在密封壳的工作温度范围内使用被动冷却散热器。主动悬架的设计目标包括关于道路条件的假设（可以减少的颠簸和坑洼的幅度和持续时间）。这些假设直接影响DC-DC转换器所需的峰值功能能力。线性摩托车的电磁特性将ALSo影响DC-DC转换的要求。但是，BCM6135是当今主动悬架，主动抗管控制DC-DC转换器子系统中必不可少的总线转换器模块。 7结论电气化具有明显的经济性和改善生活质量的好处，并促进了全球所有类型设备的48V DC-DC转换中的高压使用。随着电池电压的增加和48 V低压总线的受欢迎程度，48 V电源模块中的集成高压越来越多地用于电动车辆（EV）和混合动力汽车（HEV）。下一代双向固定比率总线转换器模块具有出色的电性能和热耗散，并且可以满足瞬时再生应用（例如车辆悬架系统）必不可少的需求。随着行业加速采用液体冷却的更昂贵的电源系统，被动冷却研究的结果本文中的盖舞具有重要意义。认识到那些设定的人在写作过程中非常感谢Vicor的同事的帮助，尤其是Haris Muhedinovic，Lap Nguyen和Alexander Parady。 M. H. Ahmed，F。C。Lee，Q。Li和M. d。 Rooij，通过双阶段48V VRM的集成磁性组件优化非标准LLC转换器的设计，2019 IEEE ENEE ENEER CONSPUSION CONCESS and EXPO（ECCE），巴尔的摩，马里兰州，美国，美国，2019年，2019年，第521-528页，DOI：10.1109/ecce.2011912.8919.898989898989898989898985。关键字：{崇拜-Notation;矩阵线输送方法；矩阵转换器；周期性结构；电容器；电流密度；宏伟的成分； LLC; 48V VRM;合并的磁成分；矩阵变压器} p。 Xu和F. C. Lee，“使用新的集成磁性Componentaheim，NYA，2001年，第262-267页，第1卷，DOI：10.1109/apec.2001.911658。关键字：{电压调节器；磁性组合；电路的拓扑；