車廠從內(nèi)燃機(jī)向純電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)型的過程中所面臨的一大挑戰(zhàn)，就是如何找到更好的解決方案來解決新舊電源的難題。對(duì)於實(shí)現(xiàn)高效的電磁干擾濾波，軟開關(guān)拓?fù)涞母唛_關(guān)頻率至關(guān)重要。

汽車電汽化可能是我們這個(gè)時(shí)代影響最廣的電源挑戰(zhàn)。這是車廠在從內(nèi)燃機(jī)向純電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)型的過程中面臨的一個(gè)全球性問題。各地的研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)汽車（EV）中，主要的設(shè)計(jì)考慮因素是配電與架構(gòu)。當(dāng)然，這些系統(tǒng)可能很複雜，其中整個(gè)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(gè)由 AC 電源供電的馬達(dá)。

在這種架構(gòu)中，高壓母線上需要 DC-DC 轉(zhuǎn)換器來將電壓降至較低水準(zhǔn)，以便為下游負(fù)載供電。這些轉(zhuǎn)換器依賴於數(shù)百K赫茲的高頻率開關(guān)。因此，它們是系統(tǒng)內(nèi)常見的電磁干擾（EMI）源。為了抵消其產(chǎn)生 EMI，需要在 DC-DC 轉(zhuǎn)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(gòu)中另一個(gè)不可或缺的元件是馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，它是將電池的 DC 輸出轉(zhuǎn)換為 AC，為電動(dòng)汽車馬達(dá)供電的必需品。在能量再生和推進(jìn)過程中，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器會(huì)在系統(tǒng)的高壓母線中產(chǎn)生多餘的高壓紋波。這種紋波給 DC-DC 轉(zhuǎn)換器及其相關(guān)濾波器的安全性、可靠性及使用壽命帶來了重大挑戰(zhàn)（圖一）。

圖一 : 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的紋波影響了電動(dòng)汽車的高壓母線

紋波對(duì) DC-DC 轉(zhuǎn)換器的危害

馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器開關(guān)工作產(chǎn)生的高壓紋波，會(huì)給 DC-DC 轉(zhuǎn)換器及其相關(guān)濾波器、甚至下游電子器件帶來不利影響。

觀察濾波器會(huì)發(fā)現(xiàn)，由紋波引起的電壓和電流會(huì)在濾波器元件之間引起自發(fā)熱

（P_LOSS = I²_rms ? R_ESR）。這種有害的發(fā)熱將導(dǎo)致元件退化和元件故障，最終會(huì)降低使用壽命及系統(tǒng)可靠性。在無阻尼濾波器設(shè)計(jì)中，這種損害會(huì)加劇，其中紋波雜訊可能會(huì)出現(xiàn)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(huì)進(jìn)一步損壞元件，導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)失靈和突發(fā)故障。如果管理不當(dāng)，波紋雜訊就會(huì)給電動(dòng)汽車帶來安全隱患。

圖二 : DC-DC 轉(zhuǎn)換器輸入濾波器設(shè)計(jì)用於衰減高頻率雜訊，而且可能具有與馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器頻率範(fàn)圍重疊的諧振。

除了對(duì) EMI 濾波器造成損壞外，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器紋波還會(huì)對(duì) DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸出產(chǎn)生不良影響。

轉(zhuǎn)換器的閉環(huán)頻寬是衡量該單元在一定頻率下對(duì)波動(dòng)作出回應(yīng)的能力，可將它視為一個(gè)高通濾波器：如果雜訊發(fā)生的頻率高於閉環(huán)頻寬的頻率，則轉(zhuǎn)換器就無法將其濾除。

面臨的挑戰(zhàn)是，汽車 DC-DC 轉(zhuǎn)換器通常設(shè)計(jì)為僅幾千赫茲的閉環(huán)頻寬，而馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器紋波則發(fā)生在更高的頻率。同時(shí)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(jié)果是閉環(huán)衰減不足以減弱透過低通濾波器的雜訊，而且雜訊在轉(zhuǎn)換器輸出端會(huì)變得清晰可見。這會(huì)導(dǎo)致下游低壓電子產(chǎn)品的損壞和故障，它們無法處理這類高壓紋波。

傳統(tǒng)解決方案的弊端

雖然有幾種常規(guī)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(dá)驅(qū)動(dòng)器，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一些解決方案，包括增加 DC 鏈路電容、修改驅(qū)動(dòng)器設(shè)定檔以及在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器工作中實(shí)施「禁飛區(qū)」等。

增加DC鏈路電容並不理想，因?yàn)樗枰^大的電容器，會(huì)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(dòng)汽車中，這種解決方案沒有任何吸引力。替代方案「禁飛區(qū)」和修改驅(qū)動(dòng)器設(shè)定檔都會(huì)增加控制系統(tǒng)的複雜性並減少驅(qū)動(dòng)器選項(xiàng)。

濾波器層面的通用解決方案可能會(huì)是重新設(shè)計(jì)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(dá)驅(qū)動(dòng)器工作有關(guān)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(huì)占用系統(tǒng)空間並增加系統(tǒng)重量，這在尋求優(yōu)化功率密度的電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)中不可取。導(dǎo)致這個(gè)問題更複雜的是，在設(shè)定頻率範(fàn)圍內(nèi)具有更大輸出阻抗（即更大濾波器衰減）的濾波器會(huì)導(dǎo)致更大的功耗和濾波器的發(fā)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(jìn)一步增加系統(tǒng)尺寸和重量。雖然濾波器可設(shè)計(jì)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(jìn)而需要對(duì)系統(tǒng)重量和尺寸進(jìn)行權(quán)衡。

圖三 : 濾波器輸出阻抗對(duì)濾波器內(nèi)部損耗產(chǎn)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(dá) 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。

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(guān)頻率與軟開關(guān)拓?fù)湎嘟Y(jié)合的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。任何數(shù)量的 Vicor 高密度電源模組均可實(shí)現(xiàn)紋波抑制。Vicor DCM、BCM和ZVS穩(wěn)壓器模組均採(cǎi)用高頻率，使轉(zhuǎn)換器具有更大的閉環(huán)頻寬。這些更大的頻寬可直接轉(zhuǎn)化為更顯著的紋波抑制，因?yàn)橄到y(tǒng)可以更好地處理更寬頻率範(fàn)圍內(nèi)的雜訊，包括與馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器工作有關(guān)的頻率（圖五）。

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

另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，使用高頻率 DC-DC 轉(zhuǎn)換器就能設(shè)計(jì)明顯更小的 EMI 濾波器，節(jié)省空間、減輕重量。由於濾波器不再需要適應(yīng)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(shí)現(xiàn)更小的濾波器元件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高功率密度的系統(tǒng)。

同樣重要的是要注意，更高的開關(guān)頻率並不一定意味著更糟糕的 EMI 足跡。使用適當(dāng)?shù)能涢_關(guān)拓?fù)浜涂刂破鳎粌H可保持低雜訊量級(jí)，而且還可簡(jiǎn)化對(duì)其的衰減，因?yàn)?EMI 濾波器可從寄生參數(shù)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(tǒng)提高紋波抑制能力、可靠性和功率密度（圖六）。

圖六 : Vicor DC-DC 轉(zhuǎn)換器將高頻寬與軟開關(guān)拓?fù)湎嘟Y(jié)合，比傳統(tǒng)解決方案更有效地解決了電動(dòng)汽車中與紋波抑制相關(guān)的難題。

改善汽車供電網(wǎng)路

由於馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行產(chǎn)生的高壓紋波影響，設(shè)計(jì)可靠的高功率密度汽車系統(tǒng)極具挑戰(zhàn)性。許多人試圖透過增加 DC-DC 轉(zhuǎn)換器濾波器的元件尺寸來解決這個(gè)問題，結(jié)果導(dǎo)致系統(tǒng)變得更龐大、更重。鑒於系統(tǒng)重量會(huì)直接影響行駛里程，因此汽車供電網(wǎng)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(guān)拓?fù)洫?dú)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(wěn)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(jiǎn)化電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。並且是功率密度極高的轉(zhuǎn)換器，具有高度的靈活性和可擴(kuò)充性，是當(dāng)前動(dòng)態(tài) xEV 的理想解決方案。

汽車 PDN 從未在如此短的時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷如此極端的變革。隨著車廠減少對(duì)內(nèi)燃機(jī)的投資，研發(fā)團(tuán)隊(duì)面臨無數(shù)的電源電子技術(shù)挑戰(zhàn)，朝向 48V 母線的過渡使其更加複雜。在有限的空間內(nèi)工作時(shí)，紋波抑制是更複雜的電源挑戰(zhàn)之一。而Vicor 緊湊型電源模組（DC-DC 轉(zhuǎn)換器）系列採(cǎi)用高頻和軟開關(guān)拓?fù)洌軌驊?yīng)對(duì)當(dāng)前苛刻的電動(dòng)汽車電源電子技術(shù)挑戰(zhàn)。

（本文作者陳雋恒為 Vicor中國(guó)汽車業(yè)務(wù)開發(fā)部高級(jí)經(jīng)理）