高密度电源转换延长运行时间

通过高密度电源转换扩展运行时 引言 这本电子书提供了一份指南，教你如何开发更优秀的电源网络，以提高电子移动产品的性能、效率和可靠性。传统的离散电源方案往往难以满足紧凑尺寸、高效率和热管理等严苛要求。你将学习如何利用高性能电源模块来克服设计挑战并缩短上市时间。 内容 3 简介 用于48V电力传输的高性能功率模块 7 案例研究 电动汽车赛车：闪电摩托车加速进入电动汽车赛车纪录大全燃料电池eVTOL：为轻型电动飞机的辅助系统提供千瓦级动力自动驾驶电动巴士：先进电源模块封装优化可用功率、可靠性和安全性 13 产品 用于eMobility电力传输网络的产品 14篇文章 模块化方法解决48V电源架构电气化挑战 用于48V电力传输的高性能功率模块 一个小空间里的千瓦功率 高级电源架构 通过采用模块化方法，功率模块可以并联或互换，使设计能够适应新的负载或电力变化。这使得能够轻松扩展以满足不同的电力需求，而无需完全重新设计，从而允许轻松地进行车辆定制和售后市场添加。 维科高性能功率模块所需的体积远小于传统的分立式电源解决方案，同时提供高效率和高功率密度。这使得娱乐车辆更长的运行时间，并提高商用车辆的生产力，而无需牺牲任何功能。 快速瞬态响应 快速实现一个电源解决方案 快速响应不断变化的负载需求在电动汽车中至关重要，尤其是在加速、制动和其他动态行驶条件下。Vicor模块在这方面表现出色，确保电源传输平稳高效，优化能源使用。 维科提供经过测试和认证的电源模块，用于构建可快速设计且无需花费大量时间和精力测试和认证新分立设计的电源传输网络。这使我们客户能够更快地进入市场，从而在竞争中获得独特的优势。 维科模块的优势 电力传输网络 隔离式、高密度BCM固定比转换器安全可靠地将高压输入转换为标准安全超低电压（SELV）48Vbus输出电压，为48V负载供电。BCM可并联实现支持所有车辆附件负载所需的功率等级。Vicor DCM4623 DC-DC转换器模块将高压电池转换为高效为ABS等12V车辆负载供电。Vicor功率模块在效率和功率密度方面表现出色，这对最大化电动轻便车（LEV）续航里程和最小化充电时间至关重要。它们紧凑的占位面积使车辆有限空间内的优化布局成为可能，而其高可靠性确保了长期性能和耐用性。它们的软开关拓扑结构允许在不产生谐波（通常很难滤波的高频分量）的情况下进行DC-DC电压转换。此外，高频运行允许减小EMI滤波器元件的尺寸。 案例研究：闪电摩托车电动自行车 创造全球影响力，设定电动车速度纪录 摩托车电动化面临着100英里最低续航里程和70英里续航里程充电时间少于1小时的标准要求。电动摩托车需要一个极其功率密集且可靠的电力输送网络，该网络能够抑制电气噪声（EMI），管理广泛的电池电压，同时应对严苛、不可预测的环境。其关键目标在于闪电摩托车是： 显著延长续航里程并缩短充电时间紧凑轻便解决方案能够处理不同电池化学成分的不同电压输入范围 客户的挑战 为了实现世界级电动摩托车的峰值运营性能，闪电（Lightning）转向Vicor寻求最小型、最高功率密度且输入范围最宽的解决方案，该方案提供了在磷酸铁锂电池包（提供200-400V）和镍锰钴或镍钴铝氧化物化学体系（通常范围为250-420V）之间切换的灵活性。主要优势包括： 安全地将高压电（400V）转换为SELV（12V）DCM™顶级功率密度集成模块包装提供了一种更健壮的解决方案，可以处理极端环境条件 维科解决方案 高功率密度和紧凑型电源模块安全地将高压转换为12V电源 维科 DCM™ 功率模块将高压电池降压至 12V，为自行车的控制电子设备供电，包括仪表仪器、照明和传感器。DCM4623 是一款高功率密度、轻量化和高性价比的 DC-DC 转换器，可从非常宽的高压输入范围内产生纯净的 12V 电源。DCM4623 的输入范围足够宽，可以支持常用电池化学体系的不同电压。 第 6 页，共 17 页 案例研究：燃料电池电动垂直起降飞行器 一种轻量级解决方案，为辅助系统提供千瓦级的功率 eVTOL可用于多种目的，例如城市空中交通、货物运输和应急响应。它们本质上是由电力驱动的车辆，但并不一定使用传统的电池：它们也可以使用燃料电池为飞机提供动力。这减少了整体重量，并允许更长的飞行时间。然而，推进燃料电池堆栈需要一个大的辅助动力系统，为泵、风扇、冷却风扇和其他需要千瓦级功率而不增加体积的控制提供动力。主要挑战是： 客户的挑战 快速简便地测试和实施电源解决方案，以抢占市场先机无需占用过多空间和重量，即可管理千瓦级的电力确保在极端工作条件下具有最高可靠性 维科高密度电源模块能够在有限的空间内有效管理千瓦级的功率。其轻量化设计减少了飞行所需的能量并优化了电池使用，为制造商在飞机设计时提供了更大的灵活性。电源模块便于快速测试和实施，并能轻松适应不断变化的电源需求，从而加速产品上市时间。关键优势包括： 一种使用功率模块的设计可以满足多样化的需求，或者可扩展以满足高功率需求，从而减少设计工作量紧凑型电源模块优化了车辆的空间和重量耐用的 高度集成式 功率模块 用于 高可靠性 维科解决方案 电源交付网络 通过利用冗余电池系统为40kW辅助电源供电，确保了关键辅助系统的连续运行。电源传输网络采用并联连接的Vicor DCM™ DC-DC转换器阵列，提供超过10kw的功率。两套输出30V的DCM串联连接用于更高功率的60V泵，对于大部分40kw的辅助电源，无论是24V、28V还是60V，都使用相同型号的产品。DCM具有高达97%的效率，显著降低发热量，从而改善热管理和可靠性。即使在连接不同输入电压时，它们也能保持完美的输出电流共享，确保负载均衡分配和最佳性能。另一台Vicor DCM为敏感的航空电子系统供电，提供稳定和受控的电源。 案例研究：自动驾驶电动巴士 先进功率模块封装优化了可用功率、可靠性和安全性 低压（48V）自动驾驶电 shuttles 拥有先进的自动驾驶系统，能够在复杂的城市环境中导航。GPU 和传感器是自动驾驶操作的关键组件，依赖于高性能 ATX 电源。这些电源必须紧凑轻便，以便安装在车辆中，高效运行以最大限度地减少热量，并保持卓越的可靠性。为了满足不断变化的需求，电源系统必须可扩展，以适应日益增长的 GPU 功率需求，并适应更高电压的电池。主要挑战是： 客户的挑战 避免过热并改善热管理高效为GPU供电，提升功能与安全性一个通用的可扩展解决方案，以适应不断变化的需求 维科高效能功率模块确保最小化散热，减少对复杂冷却解决方案的需求，并最大化功率。这转化为更高的可用功率和增加的系统可靠性，这对安全至关重要。维科模块的高功率密度节省空间和重量，以实现更长的车辆运行时间，并优化车上的空间以增加额外的GPU功率和功能。主要优势包括： 先进封装和高效率降低散热需求易于扩展的解决方案适用于不同车辆和平台高性能功率模块优化功耗，扩大使用范围并增加功能 维科解决方案 电源交付网络 一种Vicor PRM和NBM模块的组合——分解式电源架构——能高效地将36-75V输入降压至稳定的12V输出。该解决方案提供高达1,200瓦的可扩展性能，确保适应不断增长的、不断发展的处理器的需求。Vicor零电压开关（ZVS）降压转换器直接从电池转换高电流（10A+）至标准5V和3.3V逻辑轨。这种直接转换最小化损耗，并确保为关键系统组件提供可靠的电源。这种电源传输网络允许通过在PRM模块上游简单添加一个总线转换模块，使车辆能够加装400V电池。在PRM模块上游添加一个总线转换器模块。 第 10 页，共 17 页 用于eMobility电力传输网络的产品 DCM直流-直流转换器 As small as24.8 x 22.8 x 7.21mm As small as22.0 x 16.5 x 6.73mm vicorpower.com/dcm vicorpower.com/prm zvs降压调节器 NBM DC-DC转换器 本文最初由《电子产品世界》发布 模块化方法解决48V电源架构电气化挑战 第12页，共17页 特斯拉最近宣布，所有未来的电动汽车都将使用48V低压系统。随着行业朝着这个方向发展，这对原始设备制造商（OEM）和一级供应商来说既是机遇也是挑战，需要适应这一变化。采用在负载处将48V转换为12V的分散式区域架构，是构建这种系统的最高效方式。Vicor的小型、高功率密度模块简化了设计和构建支持电动汽车的区域架构。 汽车、卡车、公共汽车和摩托车制造商正迅速使他们的车辆电气化，以提高内燃机的燃油效率并减少二氧化碳排放。有许多电气化选择，但大多数选择48V轻度混合动力系统，而不是全混合动力系统。在轻度混合动力系统中，除了传统的12V电池外，还添加了一个48V电池。这通过4 x (P = V • I)增加了功率容量，可用于更重的负载，例如启动时的空调和催化转化器。为了提高车辆性能，48V系统可以为混合动力电机供电，该电机用于更快速、更平稳的加速，同时节省燃油。额外的功率还可以支持转向、制动和悬挂系统，以及新的安全、娱乐和舒适功能。48V轻度混合动力系统提供了一种快速推出排放更低、续航里程更长、油耗更高的新车辆的方法。它还提供了新的、令人兴奋的设计选择，以实现更高的性能和功能，同时仍然减少二氧化碳排放。 然而，对于长期存在的12V电源分配网络（PDN）进行修改普遍存在犹豫。变更通常需要新技术，这些新技术需要大量测试，并且可能需要能够满足汽车行业的高安全和高质量标准的新的供应商。 最大化一个48V PDN 在48V电池上为更重的动力系统和底盘系统负载供电，为工程师提供了选择。现在可以选择添加能够直接处理48V输入的系统，或者 保留传统的12V机电负载，如泵、风扇和电机，并通过稳压DC-DC转换器将48V转换为12V。为了管理变革和风险，现有的轻混动力电源输送系统正逐步增加48V负载，但仍然使用一个大型集中的多千瓦48V至12V转换器来为车辆供电12V。然而，这种集中式架构并未充分利用48V PDN的全部优势，也未利用可用的先进转换拓扑、控制系统和封装带来的好处。 这些集中的DC-DC转换器中绝大多数 （图1）体积庞大且重量重，因为它们使用了较旧的低频PWM开关拓扑。它们还对许多关键动力系统代表了一个故障点。 需要考虑的一种不同架构是分布式电源供电（图2），采用模块化电源组件。该电源供电架构使用体积更小、功耗更低的48至12V转换器，在车辆中分布放置，靠近12V负载。其简单的电源公式为 P = V • I 和 P = I2 R解释为什么48V比分配12V更高效。损失 对于一个给定的功率等级，在48V系统中的电流比在12V系统中低四倍，并且损耗低16倍 ( I2 R). 在当前电流的¼时，电缆和连接器可以更小、更轻、更便宜。分散式电源架构还具有显著的热管理和电源系统冗余优势（图4）。这是另一种在不增加传统DC-DC转换器的重量、热问题和体积的情况下，在车辆中传递千瓦级功率的方式。 面向去中心化或区域的架构的模块化 一种模块化的去中心化电力传输方法（图4）具有良好的可扩展性。 电池的48V输出分配给车辆中各种大功率负载，最大限度地利用了低电流（4x）和低损耗（16x）的优势，从而实现物理上更小、更轻的PDN。根据对各种分布式负载的功率分析，可以设计并认证合适的功率粒度和规模，在并联阵列中使用时，可向上扩展系统的功率级别。 在这个示例中，展示了一个2kW模块。如所注，粒度和可扩展性取决于系统。通过使用分布式模块而不是一个大型集中式DC-DC转换器，也可以以更低的成本实现N+1冗余。这种方法在车辆开发阶段负载功率变化时也很有优势。工程师们不必从头开始实施对整个定制电源的更改，而是可以添加或删除模块。此外，该模块已经获得批准和认证，减少了开发时间。 实施分布式或区域模块式 48V 架构 在纯