【導讀】對於 DC-DC 電源轉換器而言，使係統小型化並提高整體功率密度的一種顯著方法是通過更高頻率的開關。然而，盡管開關頻率超過 1.3 MHz 的係統具有潛在優勢，但迫於技術挑戰

，許多設計人員直到現在仍在使用較低的頻率，例如 100 kHz 或更低……。閱讀本文了解使用高密度電源模塊進行設計如何改變這一現狀。

對於 DC-DC 電源轉換器而言，使係統小型化並提高整體功率密度的一種顯著方法是通過更高頻率的開關。然而
，盡管開關頻率超過 1.3 MHz 的係統具有潛在優勢，但迫於技術挑戰，許多設計人員直到現在仍在使用較低的頻率，例如 100 kHz 或更低……。閱讀本文了解使用高密度電源模塊進行設計如何改變這一現狀。

談到電動汽車 (EV) 

，所有 OEM 廠商都希望設計更輕、更小
、更實惠的解決方案。此外，公用事業單位、監管機構和 OEM 廠商都在努力利用車輛與電網 (V2G) 的(de)連(lian)接(jie)實(shi)現(xian)與(yu)配(pei)電(dian)網(wang)絡(luo)的(de)能(neng)源(yuan)定(ding)期(qi)交(jiao)換(huan)。從(cong)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)的(de)角(jiao)度(du)來(lai)看(kan)，這(zhe)一(yi)努(nu)力(li)不(bu)僅(jin)需(xu)要(yao)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)更(geng)大(da)的(de)電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)電(dian)路(lu)
，而(er)且(qie)還(hai)必(bi)須(xu)滿(man)足(zu)將(jiang)車(che)輛(liang)與(yu)電(dian)網(wang)相(xiang)連(lian)的(de)需(xu)求(qiu)。

對於 DC-DC 電源轉換器而言，使係統小型化並提高整體功率密度的一種顯著方法是通過更高頻率的開關。然而，盡管開關頻率超過 1.3MHz 的係統具有潛在優勢，但迫於技術挑戰，許多設計人員仍在使用較低的頻率，例如 100kHz 或更低。

設想一下，有一種 DC-DC 電源轉換解決方案能夠利用高頻率開關的優勢，而且不會產生傳統的缺點。這將大大有助於 OEM 廠商實現更小

、更輕量級 EV 電源設計目標，同時增加 V2G 功能。

高頻率 DC-DC 電源轉換的優勢

在追求更輕、更小
、更實惠的汽車係統的過程中，高頻率電源轉換可提供一種很有前景的解決方案。

采用更高頻率的電源轉換係統的主要優勢是可為物理器件和支持性輸入輸出 EMI 濾lv波bo器qi縮suo小xiao組zu件jian尺chi寸cun。轉zhuan換huan器qi本ben身shen最zui耗hao費fei空kong間jian的de組zu件jian是shi無wu源yuan器qi件jian
，例li如ru電dian感gan器qi和he電dian容rong器qi。電dian感gan器qi和he電dian容rong器qi在zai每mei個ge開kai關guan周zhou期qi中zhong存cun儲chu和he釋shi放fang能neng量liang，使shi電dian流liu和he電dian壓ya波bo形xing流liu暢chang。轉zhuan換huan器qi的de開kai關guan頻pin率lv越yue高gao，這zhe些xie組zu件jian每mei個ge周zhou期qi存cun儲chu的de能neng量liang就jiu越yue少shao，允yun許xu使shi用yong較jiao小xiao值zhi的de組zu件jian從cong而er縮suo小xiao整zheng體ti係xi統tong尺chi寸cun，還hai可ke針zhen對dui相xiang同tong功gong率lv級ji目mu標biao實shi現xian更geng高gao功gong率lv密mi度du的de係xi統tong。

除轉換器之外，相關的輸入 EMI 濾波器也是與 DC-DC 轉換相關的空間占用大戶。DC-DC 轉換器會因電流及電壓的快速開關而產生 EMI，這會在開關頻率及其諧波下產生噪聲。為了減輕這種噪聲
，EMI 濾波器會部署在輸入端
，截止頻率通常取決於功率級需求（圖 1）

此外，這些濾波器還依賴於無源組件，其尺寸與開關頻率直接相關。將轉換器的開關頻率轉換為 MHz 量級，可增加所需的 EMI 濾波器截止頻率。使用更高的截止頻率，設計人員可縮小 EMI 濾波器中的無源組件
，從而可在提高係統功率密度的同時縮小整體係統的尺寸並減輕重量。

采用更高頻率的 DC-DC 轉換
，不僅可減小組件尺寸和重量
，還可實現瞬態響應更快的係統。在 DC-DC 轉(zhuan)換(huan)器(qi)中(zhong)，控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)帶(dai)寬(kuan)通(tong)常(chang)是(shi)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)的(de)一(yi)個(ge)小(xiao)部(bu)分(fen)。更(geng)高(gao)的(de)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)可(ke)實(shi)現(xian)更(geng)高(gao)的(de)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)帶(dai)寬(kuan)
，這(zhe)樣(yang)反(fan)饋(kui)環(huan)路(lu)就(jiu)能(neng)更(geng)快(kuai)響(xiang)應(ying)擾(rao)動(dong)。更(geng)高(gao)的(de)帶(dai)寬(kuan)使(shi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)能(neng)更(geng)快(kuai)糾(jiu)正(zheng)輸(shu)出(chu)偏(pian)差(cha)
，確(que)保(bao)即(ji)使(shi)在(zai)負(fu)載(zai)或(huo)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)突(tu)然(ran)變(bian)化(hua)時(shi)，輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)也(ye)能(neng)保(bao)持(chi)穩(wen)定(ding)。

圖1：有源 EMI 濾波器（標記為 QPI）通常用於 DC-DC 轉換器的輸入端，其截止頻率由轉換器的開關頻率決定。

高頻率 DC-DC 電源轉換麵臨的常規挑戰

盡管采用更高頻率的 DC-DC 轉換能帶來大量切實的好處
，但許多技術挑戰過去一直阻礙著對這一應用的實行。

首先
，轉向更高頻率的工作可能會阻礙實現 EMC 合規。對於傳導發射標準，如 CISPR32（V2G 應用需要），該標準評估的頻率範圍為 150kHz 至 30MHz。在更高基本頻率下工作，例如超過 1MHz
，會在所關注的頻率範圍內產生最大的諧波，進而帶來不合規的風險。出於這個原因，許多電源轉換器設計人員選擇較低的工作頻率（例如 100kHz），確保其一次諧波低於所關注的頻率範圍。如果要求功率級符合 CISPR25 參考標準，也會出現同樣的問題。

此外
，擔心損耗增加是使用高頻率開關轉換器時的另一個潛在弊端。MOSFET 等(deng)開(kai)關(guan)在(zai)導(dao)通(tong)狀(zhuang)態(tai)和(he)關(guan)斷(duan)狀(zhuang)態(tai)之(zhi)間(jian)轉(zhuan)換(huan)時(shi)，就(jiu)會(hui)出(chu)現(xian)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)。這(zhe)些(xie)損(sun)耗(hao)很(hen)明(ming)顯(xian)，因(yin)為(wei)在(zai)轉(zhuan)換(huan)期(qi)間(jian)
，開(kai)關(guan)兩(liang)端(duan)的(de)電(dian)壓(ya)以(yi)及(ji)通(tong)過(guo)開(kai)關(guan)的(de)電(dian)流(liu)都(dou)不(bu)是(shi)零(ling)（圖 2）。

在(zai)其(qi)它(ta)條(tiao)件(jian)都(dou)相(xiang)同(tong)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，更(geng)高(gao)的(de)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)會(hui)導(dao)致(zhi)單(dan)位(wei)時(shi)間(jian)內(nei)的(de)轉(zhuan)換(huan)更(geng)頻(pin)繁(fan)，這(zhe)會(hui)增(zeng)加(jia)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)。每(mei)個(ge)開(kai)關(guan)事(shi)件(jian)所(suo)消(xiao)耗(hao)的(de)能(neng)量(liang)與(yu)交(jiao)叉(cha)時(shi)間(jian)以(yi)及(ji)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)流(liu)的(de)乘(cheng)積(ji)成(cheng)正(zheng)比(bi)，因(yin)此(ci)增(zeng)加(jia)頻(pin)率(lv)就(jiu)代(dai)表(biao)這(zhe)些(xie)能(neng)耗(hao)會(hui)更(geng)快(kuai)地(di)累(lei)積(ji)。

因此
，開關引起的總功耗與開關頻率成正比，工作頻率越高

，開關損耗就越大。

最zui後hou，在zai高gao頻pin率lv工gong作zuo期qi間jian會hui出chu現xian與yu無wu源yuan組zu件jian的de自zi諧xie振zhen有you關guan的de問wen題ti。自zi諧xie振zhen是shi電dian氣qi組zu件jian因yin其qi寄ji生sheng屬shu性xing而er表biao現xian出chu諧xie振zhen行xing為wei的de現xian象xiang。這zhe會hui導dao致zhi不bu可ke預yu測ce的de行xing為wei

、阻抗峰值、xiaolvsunhaohexinhaowanzhengxingwenti。zaijiaogaodekaiguanpinlvxia
，zixiezhenhuichengweiyigezhongdawenti，yinweizhexiepinlvjiejinzujiandezixiezhenpinlv

，bujinhuifangdazaoshenghe EMI，而且還會使電路設計複雜化。此外，在自諧振頻率以外工作時，電感器將表現出電容器的行為
，反之亦然
，電容器表現得像電感器。

圖2：開關損耗出現在“硬開關”過程中，其中電壓和電流波形都不為零時，MOSFET 會轉換。

圖 3：零電流開關是通過一組專用電路實現的，通過特別定時的 MOSFET 轉換避免高頻率開關損耗。

解決高頻率電源轉換問題

憑借幾十年的業界領先電力電子設計經驗，Vicor 開發出了 DC-DC 轉換解決方案，可在無負麵影響的情況下
，充分利用高頻率轉換的所有優勢。具體來說，Vicor NBM™ 係列非隔離母線轉換器模塊能夠在 1.3MHz 以上的頻率下成功切換。

在效率方麵，NBM™ 係列產品通過零電壓開關 (ZVS) 及零電流開關 (ZCS) 技(ji)術(shu)
，可(ke)在(zai)高(gao)頻(pin)率(lv)下(xia)實(shi)現(xian)最(zui)小(xiao)的(de)功(gong)耗(hao)。零(ling)電(dian)壓(ya)開(kai)關(guan)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)是(shi)仔(zai)細(xi)定(ding)時(shi)開(kai)關(guan)的(de)操(cao)作(zuo)
，在(zai)開(kai)關(guan)兩(liang)端(duan)的(de)電(dian)壓(ya)為(wei)零(ling)時(shi)進(jin)行(xing)開(kai)關(guan)操(cao)作(zuo)。同(tong)樣(yang)，零(ling)電(dian)流(liu)開(kai)關(guan)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)也(ye)是(shi)定(ding)時(shi)開(kai)關(guan)工(gong)作(zuo)，使(shi)其(qi)在(zai)通(tong)過(guo)開(kai)關(guan)的(de)電(dian)流(liu)為(wei)零(ling)時(shi)工(gong)作(zuo)（圖 3）。

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