用并联48V DC－DC稳压器提高自主驾驶车辆的功率

作者： Steven Keeping

随着包括主动悬挂、转向、气候控制、电动座椅和电动车窗以及高级信息娱乐系统在内的电气系统数量的增多，对电源的需求也在日益增加，进而推动了汽车电源系统从 12 V 向 48 V 的转变。事实证明，48 V 电源是有效提供大量电能的最佳选择，而 12 V 系统则需要昂贵的元器件和大量的布线工作，否则就无法满足基于 12 V 系统的严格的安全和性能标准。

此外，随着内燃机 (ICE) 车队被电动汽车 (EV) 取代，48 V 系统的采用速度也将加快。虽然电动汽车使用 400 V，甚至是 800 V 系统来驱动车轮，但多家制造商，尤其是拥有 CyberTruck 技术的 Tesla 已经利用设计全新汽车的机会，将 48 V 作为汽车其他电气系统的标准电压。

功率越高，阻性损耗越低

但为什么要放弃成熟且经过验证的 12 V 技术呢？毕竟，几十年来 12 V 系统一直表现良好，而且仍然拥有庞大的元器件供应链和成熟产品。答案很简单，因为以前的普通汽车需要为车内照明、收音机和点烟器（没错，那时的汽车有内置点烟器）提供电源，而电动转向、GPS 和座椅加热则是汽车设计师梦寐以求的功能。除了标准的 12 V 电压外，根本不需要任何额外的电源。此外，铅酸电池每节可提供约 2 V 的电压，因此六节标准电池可提供所需的 12 V 电压，并具有非常基本且廉价的稳压功能。

但是，上一代汽车设计师的梦想今天已成为现实，所有类型的汽车，无论是传统汽车、软混动汽车、混合电动汽车 (HEV) 还是纯电动汽车，都需要更多的电源。功率 (P)（单位：W）= 电压 x 电流（单位：A）。这个简单的等式告诉我们，提高电压或电流（或者同时提高）可获得更高的功率。但我们也知道，P = A2 x 电阻（单位：欧姆 (Ω)）。也就是说，仅仅通过增加电流来实现提高功率，会使阻性损耗成倍增加，并造成更多的热管理方面的挑战。

最好的办法是提高电压，以获得更大的功率。例如，假设我们需要从 12 V 电源提供 75 W 的功率。这需要 75/12 = 6.25 A 的电流。但是，如果我们将电源电压提高到 48 V，75/48 = 1.6 A 的电流就可以获得相同的功率。电流减少 75% 意味着汽车设计师可以使用更轻的导线，从而减小重量并降低成本（图 2）。

图 2：通过为关键系统提供 48 V 电源，汽车设计师可以减少线束的重量和成本。（图片来源：Vicor）

汽车以外的 48 V 电源

汽车并不是唯一能从 48 V 总线受益的轮式系统。例如，仓库机器人、轮椅、叉车和自动末端运送车辆都在利用 48 V 电源（图 3）。与汽车不同，这些车辆主要使用 48 V 电源为牵引电机供电；仓库机器人几乎不需要加热座椅或信息娱乐系统。

图 3：得益于为牵引电机提供 48 V 电源，自动末端运送车辆可以更快、更高效地到达目的地。（图片来源：Vicor）

在这些类型的产品中，12 V 铅酸电池正被由多个电池单元组成的 48 V 锂离子 (Li-ion) 电池所取代。作为工程师，我们知道此类电池的标称电压为 48 V，但随着放电，电压会下降。这意味着我们需要良好的稳压功能，以便在电池放电时保持电压稳定。

Vicor 提供隔离式（直流 3000 VDC）稳压式 DC-DC 转换器线路就是此类应用的理想之选。例如，DCM2322T72S53A0T60 转换器采用 14 V 至 72 V 输入电压，提供 48 V 稳压输出，电流高达 2.1 A，可实现 100 W 输出功率。该转换器采用高频零电压开关 (ZVS) 拓扑结构，效率高达 90.1%，可保持低温并延长电池寿命，同时达到每立方英寸 401 瓦 (in.3) 的高功率密度。

提升功率

DCM2322T72S53A0T60 是一款高能效稳压器，但在某些运行模式下，例如电动轮椅爬坡时，该应用可能需要 100 W 以上的功率。一种选择是指定输出功率更大的 48 V DC-DC 稳压器。例如，DCM2322TA5N53A2M60 可在 48 V 电压下从 43 V 至 154 V 电源提供最高 120 W 的功率。使用单个更高功率稳压器的代价是，峰值能效通常会有所下降，而且热管理变得更具挑战性。

另外，DCM2322T72S53A0T60 可作为模块阵列轻松部署，以提高功率输出。多达八个单元的阵列已通过认证，功率可达 800 W。好消息是，阵列的最大功率是单个模块最大功率的总和。阵列拓扑结构不会强制降额。更妙的是，必要时阵列中的每个模块都可以使用不同的输入电压供电，而在 48 V 电压下仍能提供高达 100 W 的功率。

在阵列模式下使用 DCM2322 模块时，需要在设计上进行权衡：用一个去耦网络来实现并联运行。实际上，这意味着每个 DCM2322 只需在输出被馈入公共总线之前安装一个输出电容器。即使所有模块共用一个输入电压源，每个 DCM2322 也需要一个单独的输入滤波器。滤波器用于限制每个模块反射的纹波电流，并协助抑制拍频电流的产生，当允许多个动力输入级直接相互作用时，可能会产生拍频电流（图 4）。

图 4：DCM2322 DC-DC 稳压转换器可以阵列方式布置，提供高达 800 W 的功率；原理图显示了高效、安静运行所需的输入滤波器和去耦网络。（图片来源：Vicor）

结束语

将 12 V 电源转换为 48 V 电源为仓库机器人、电动轮椅和自动末端运送车等应用带来了关键的系统优势。此类优势包括降低电流，从而能够使用重量更轻、成本更低的线束。

但是，随着这些终端产品复杂程度的提高，对电源的需求也在增加。您可以使用多个并联的 Vicor 高功率密度稳压式 DC-DC 电压转换器来相应地扩展您的电源系统。这样，就可以让 48 V 系统提供高达 800 W 或更高的功率。