文章

基于 MHz 开关频率的器件助力实现 DC-DC 转换器和 EMI 滤波器的小型化

对于 DC-DC 电源转换器而言，使系统小型化并提高整体功率密度的一种显著方法是通过更高频率的开关。然而，尽管开关频率超过 1.3 MHz 的系统具有潜在优势，但迫于技术挑战，许多设计人员直到现在仍在使用较低的频率，例如 100 kHz 或更低……。阅读本文了解使用高密度电源模块进行设计如何改变这一现状。

作者：Nicola Rosano，高级战略现场应用/系统工程师

谈到电动汽车 (EV) ，所有 OEM 厂商都希望设计更轻、更小、更实惠的解决方案。此外，公用事业单位、监管机构和 OEM 厂商都在努力利用车辆与电网 (V2G) 的连接实现与配电网络的能源定期交换。从电力电子的角度来看，这一努力不仅需要功率密度更大的电源转换电路，而且还必须满足将车辆与电网相连的需求。

对于 DC-DC 电源转换器而言，使系统小型化并提高整体功率密度的一种显著方法是通过更高频率的开关。然而，尽管开关频率超过 1.3MHz 的系统具有潜在优势，但迫于技术挑战，许多设计人员仍在使用较低的频率，例如 100kHz 或更低。

设想一下，有一种 DC-DC 电源转换解决方案能够利用高频率开关的优势，而且不会产生传统的缺点。这将大大有助于 OEM 厂商实现更小、更轻量级 EV 电源设计目标，同时增加 V2G 功能。

高频率 DC-DC 电源转换的优势

在追求更轻、更小、更实惠的汽车系统的过程中，高频率电源转换可提供一种很有前景的解决方案。

采用更高频率的电源转换系统的主要优势是可为物理器件和支持性输入输出 EMI 滤波器缩小组件尺寸。转换器本身最耗费空间的组件是无源器件，例如电感器和电容器。电感器和电容器在每个开关周期中存储和释放能量，使电流和电压波形流畅。转换器的开关频率越高，这些组件每个周期存储的能量就越少，允许使用较小值的组件从而缩小整体系统尺寸，还可针对相同功率级目标实现更高功率密度的系统。

除转换器之外，相关的输入 EMI 滤波器也是与 DC-DC 转换相关的空间占用大户。DC-DC 转换器会因电流及电压的快速开关而产生 EMI，这会在开关频率及其谐波下产生噪声。为了减轻这种噪声，EMI 滤波器会部署在输入端，截止频率通常取决于功率级需求（图 1）

此外，这些滤波器还依赖于无源组件，其尺寸与开关频率直接相关。将转换器的开关频率转换为 MHz 量级，可增加所需的 EMI 滤波器截止频率。使用更高的截止频率，设计人员可缩小 EMI 滤波器中的无源组件，从而可在提高系统功率密度的同时缩小整体系统的尺寸并减轻重量。

采用更高频率的 DC-DC 转换，不仅可减小组件尺寸和重量，还可实现瞬态响应更快的系统。在 DC-DC 转换器中，控制环路带宽通常是开关频率的一个小部分。更高的开关频率可实现更高的控制环路带宽，这样反馈环路就能更快响应扰动。更高的带宽使转换器能更快纠正输出偏差，确保即使在负载或输入电压突然变化时，输出电压也能保持稳定。

EMI filter (labeled QPI) is often employed at the input of a DC-DC converter, with its cutoff frequency determined by the switching frequency of the converter image

图1：有源 EMI 滤波器（标记为 QPI）通常用于 DC-DC 转换器的输入端，其截止频率由转换器的开关频率决定。

高频率 DC-DC 电源转换面临的常规挑战

尽管采用更高频率的 DC-DC 转换能带来大量切实的好处，但许多技术挑战过去一直阻碍着对这一应用的实行。

首先，转向更高频率的工作可能会阻碍实现 EMC 合规。对于传导发射标准，如 CISPR32（V2G 应用需要），该标准评估的频率范围为 150kHz 至 30MHz。在更高基本频率下工作，例如超过 1MHz，会在所关注的频率范围内产生最大的谐波，进而带来不合规的风险。出于这个原因，许多电源转换器设计人员选择较低的工作频率（例如 100kHz），确保其一次谐波低于所关注的频率范围。如果要求功率级符合 CISPR25 参考标准，也会出现同样的问题。

此外，担心损耗增加是使用高频率开关转换器时的另一个潜在弊端。MOSFET 等开关在导通状态和关断状态之间转换时，就会出现开关损耗。这些损耗很明显，因为在转换期间，开关两端的电压以及通过开关的电流都不是零（图 2）。

在其它条件都相同的情况下，更高的开关频率会导致单位时间内的转换更频繁，这会增加开关损耗。每个开关事件所消耗的能量与交叉时间以及电压和电流的乘积成正比，因此增加频率就代表这些能耗会更快地累积。

因此，开关引起的总功耗与开关频率成正比，工作频率越高，开关损耗就越大。

最后，在高频率工作期间会出现与无源组件的自谐振有关的问题。自谐振是电气组件因其寄生属性而表现出谐振行为的现象。这会导致不可预测的行为、阻抗峰值、效率损耗和信号完整性问题。在较高的开关频率下，自谐振会成为一个重大问题，因为这些频率接近组件的自谐振频率，不仅会放大噪声和 EMI，而且还会使电路设计复杂化。此外，在自谐振频率以外工作时，电感器将表现出电容器的行为，反之亦然，电容器表现得像电感器。

图2：开关损耗出现在“硬开关”过程中，其中电压和电流波形都不为零时，MOSFET 会转换。

图 3：零电流开关是通过一组专用电路实现的，通过特别定时的 MOSFET 转换避免高频率开关损耗。

解决高频率电源转换问题

凭借几十年的业界领先电力电子设计经验，Vicor 开发出了 DC-DC 转换解决方案，可在无负面影响的情况下，充分利用高频率转换的所有优势。具体来说，Vicor NBM™ 系列非隔离母线转换器模块能够在 1.3MHz 以上的频率下成功切换。

在效率方面，NBM™ 系列产品通过零电压开关 (ZVS) 及零电流开关 (ZCS) 技术，可在高频率下实现最小的功耗。零电压开关的工作原理是仔细定时开关的操作，在开关两端的电压为零时进行开关操作。同样，零电流开关的工作原理也是定时开关工作，使其在通过开关的电流为零时工作（图 3）。

图 4：NBM9280 增加专用 PI 滤波器后通过了传导发射合规性测试。

Vicor ZVS 和 ZCS 是通过在脉宽调制 (PWM) 时序中引入单独相位来实现的。利用增加的相位，这些解决方案使用钳位开关和电路谐振，通过软开关高效运行高侧及同步 MOSFET，从而可避免在常规 PWM 硬开关工作及定时过程中产生的损耗。得益于 ZVS 和 ZCS，NBM 系列 DC-DC 转换器等产品不仅可在 1.5 至 1.7MHz 的频率下工作，同时仍能实现高达 99% 的峰值效率。高开关频率和高效率的完美结合，使解决方案具有无与伦比的功率密度，高达 550kW/升。

在 EMC 方面，即使在极高的频率下，NBM™ 产品也能达到合规要求。最近的一组测试对 NBM9280 电源模块的传导发射合规性进行了评估。

Vicor 的这款模块可转换 37.5kW 的功率，功率密度为 550 kW/升，适用于电动汽车应用。测试发现，即使在开关频率为 1.3MHz 时，NBM9280 也可通过结合 Pi 滤波并在输入电源线周围引入铁氧体磁芯来满足 CISPR32 限制（图 4）。最终的滤波组件比低频率（即 100kHz）解决方案所需的组件小得多，但仍然实现了相同的合规性。

综合考虑，汽车设计人员只要使用 NBM™ 系列产品替换其现有的 DC-DC 转换系统，就可实现更小尺寸及更大功率密度的优势，不会出现不合规或效率损失的风险。更高的频率支持当前的 EV 需求期。

随着向电动汽车的转变，汽车行业需要更小、更轻、功率密度更高的解决方案，来支持车辆至电网的接口。对于电力电子设计人员来说，转用更高频率的 DC-DC 转换解决方案是满足这些需求的最佳途径。

Vicor 现已能够开发出以高达 1.74MHz 的开关频率运行的DC-DC 转换解决方案。而且不会出现传统高开关频率缺点。使用 NBM™ 系列 DC-DC 转换器等产品，汽车设计人员可以实现汽车高效率、轻量化和高性能的未来，没有设计复杂性，也不需要实现这些结果所需的专业技术。

本文最初由 Power Electronics Europe 发表。

Nicola Rosano 于 2022 年加入 Vicor，担任欧洲、中东和非洲区的高级战略应用及系统工程师，主要为汽车电力系统提供技术支持和咨询。在加入 Vicor 之前，Nicola Rosano 曾在泰雷兹阿莱尼亚宇航天公司（Thales Alenia Space）和空中客车防务与航天公司的军事、国防和航天部门工作，并在 BorgWarner 和 Stellantis 的汽车业务部做过高级硬件电力系统工程师。他拥有多项专利，正在打造一个模拟/电力电子教育 YouTube 频道。他目前的研究重点有电力电子、电路与系统、电子仪表以及工程教育等。Rosano 于 2010 年获得电气工程学士学位，并于 2013 年以优异的成绩获得电气工程硕士学位。