特斯拉與 Vicor 討論如何在汽車電源系統設計中做出重要利弊權衡

隨著汽車電氣化程度的提高，電源系統設計的重視程度也得到了前所未有的提升。 一輛電動汽車的耗電量比傳統內燃機汽車高 20 倍。 這一功耗的增加，需要新增電源電子產品的相應尺寸和重量，這將限制汽車的行駛里程。 Vicor 高功率密度解決方案可通過使用緊湊型高功率密度模組，大幅降低電源電子產品的尺寸，使其比同類競爭產品小 60-70%，從而可為供電網路節省空間和重量。

在本次 Moore's Lobby 播客節目中，主持人 Dave Finch 與 Vicor 應用工程總監 Paul Yeaman 以及特斯拉工程師 Milovan Kovacevic 深入探討了電源系統設計注意事項，以及特斯拉在汽車電氣化方面所面臨的挑戰。

DAVE FINCH:    歡迎回到 The Lobby。 如果成功的汽車電源電子設計取決於電源質量、熱管理效能、雜訊特性和尺寸，可能就有必要瞭解電源模組的優缺點。 Vicor 應用工程總監 Paul Yeaman 針對高低壓汽車電子產品介紹了這些符合規範要求的高效率解決方案。

當我開始思考，假設我們通過一個電壓極高的電池開始啟動，我們要將電壓降壓轉換至每秒 48V，可能是 12V，然後繼續向下轉換，但我馬上開始意識到：天啊！ 每次這麼操作時，都會有損耗。 對於電動汽車應用，我開始考慮會導致汽車更短的行駛里程。 我也開始考慮額外的重量問題。 我注意到，你們的開關轉換器達到了 96%、97% 以上的效率。   

PAUL YEAMAN:    是的。 首先，使用更高電壓（48V，而不是 12V）的原因之一是為了限制配電損耗，即通過汽車底盤或任何類型的系統提供大電流而產生的電阻損耗。

改用更高電壓的問題是，你本質上需要降壓轉換至所需電壓，因此重要的是，你的轉換損耗必須小於在低壓、大電流的配電損耗。 這實際上代表了一種選擇，是在整個系統中使用 12V 的電壓，還是在 48V 儲能並降壓轉換為 12V。 也就是說，在什麼情况下一種管道比另一種管道更加合理。

再多聊一聊效率為 97-98% 的轉換器。 從根本上推動技術實現越來越高的效率，是其中的一種方法，這種方法更有利於轉換，而非配送更低電壓。 現在，在某些方面，電源轉換技術的有些東西是永遠也不會改變的。 其中一個就是銅箔。 沒有比銅效率更高的資料。

而有些產品正在迅速改變。 我認為 MOSFET 就屬於這一類。 如果以矽晶片 MOSFET 為例，然後看看一些後續幾代矽晶片 MOSFET，你會發現，它們一如既往地得到更低 Rd (on) 和更低柵極電荷，這就意味著在高效轉換方面有更高的靈敏度。

如果你再看看新興技術，比如碳化矽，你會發現這類新興寬帶隙器件在效能方面有顯著進步，我相信你已經聽說過很多了，而且我相信你已經邀請過播客嘉賓來討論了很多寬帶隙科技的優勢。 所以，在 MOSFET 方面，有很多的創新和發展。

Vicor 與之相匹配的地方，也就是 Vicor 研究創新的地方是在拓撲層面。 換句話說，我們將充分利用後續每一代更好的新興 MOSFET。 但我們也在研究如何更高效地將電力從一種電壓轉換為另一種電壓或對其進行穩壓。 我們在關注電源拓撲的控制，比如零電壓開關和零電流開關，這些都是控制技術，允許你在可最小化開關損耗的位置開啟和關閉 MOSFET。

類似銅箔和 MOSFET 的衝突，磁性材料也有這種問題。 有一些關於磁性材料的東西是不會改變的。 它們是原材料本身固有的。 但與此同時，在資料方面還有很大的創新空間，我們可以開發出更好的磁性材料，代表著更低損耗，或者可在更高開關頻率下提供更低損耗等等。   

DAVE FINCH:    是的，你提到了更高開關頻率，這很有趣，因為這也讓我想知道咱們是如何使用咱們的調製方法的，例如，從電路中收集某種反饋來做出非常及時的反應和調整。 只考慮組件的原始物理特性時，這類情况是否會起作用，還是說可以忽略不計？

PAUL YEAMAN:    好的，這個問題問得很好。 關於高開關頻率的問題是，高開關頻率實際上可以追溯到銅箔困境，對吧？ 同樣，我們不會提高銅箔的效率。 我們能否從根本上解决這一難題的關鍵是，我們能否構建一款電源轉換器，可使用較少的銅箔將電力從輸入端傳到輸出端。 我們能讓轉換器更小、更高效嗎？

因為如果你考慮，例如，一個纏繞著電感器或變壓器的線圈，線圈的整個長度都是銅的。 該線圈的長度與其將具有的電阻成正比，而且電阻實質上是一種我們無法改變的物理因素。 我們無法改變銅的電阻係數。 但如果我們能讓該電感器或變壓器變小，我們就能讓該長度（線圈的路徑長度）變短。 由此我們可以構建一款電阻損耗更低的系統，即使我們仍然使用相同的資料來傳輸電力也沒問題。

高開關頻率是構建更小轉換器的關鍵，因為如果使用更高的開關頻率，你的變壓器、電感器和任何保存感應能量的器件等儲能元件均可縮小，而且其中的電容器也可縮小。 開關頻率更高，而且能够縮小器件，這就意味著能够使它們更小，也就是說能够使用更少的銅箔並具有更低的電阻損耗。

更高的開關頻率帶來的問題是，開關頻率越高，產生的開關損耗就越多。 以更快的速度打開和關閉 MOSFET，如果系統中有大量開關損耗，你從更小部件獲得的任何增益都會快速被抵消。

這就是 Vicor 研究推動零電壓及零硬開關的控制技術與拓撲的原因，因為如果能限制或消除電源轉換器的開關損耗，就解决了開關頻率和開關損耗之間的衝突。 然後你就可以縮小產品尺寸，並獲得效率優勢。 在電源電子產品領域面臨這種問題時，這是一個完美的例子。

  
DAVE FINCH:    的確如此。 在不同的頻率下，你是否發現雜訊會在特定頻率範圍內放大或最小化，亦或者它只是不受頻率影響的開關雜訊？

  
PAUL YEAMAN:    所以某些類型的雜訊，例如，另一個表示零電壓和零硬開關的術語是軟開關，對吧？ 我想這背後的物理原因是，如果你採用的是硬開關，盡可能保持低開關損耗的方法就是儘快打開和關閉開關。

換句話說，如果你把 MOSFET 看作可變的電阻，當 MOSFET 完全打開時，電阻非常低，你的損耗也就非常低。 當 MOSFET 關閉時，沒有電流流過，電阻很高。 這裡的損耗為零。 在這段時間內，MOSFET 從一個電阻過渡到另一個電阻，就會出現大部分損耗。 所以，如果你對一個器件執行硬開關而且你沒有採用零電壓或零硬開關，就得儘快通過該區域。

任何時候你拿到一個帶電的東西，通過電路中的電感和寄生效應將電壓或電流快速從一個點發射到另一個點時，實際上就是將能量發射到系統的其它區域。 這實際上就是電磁干擾或傳導雜訊的起源。

根據定義，如果你硬開關某些器件，就會有更多與之相關的雜訊。在你對某個器件執行軟開關時，首先，如果其兩端的電壓為零，就不需要快速改變電壓或電流，因為本質上在那個點，在那個零電壓點上沒有電壓，沒有強制通過該可變電阻的電流。 這可能是一種比較簡化的理解方法，但我覺得其實還很貼切。

因此從根本上講，我們說的軟開關實際上就是討論慢開關的問題。 慢速開關時，就不會有寄生尖峰電壓或電流，它們不僅會噴射到系統的其它區域，而且還會引起雜訊。

這並不是說任何軟開關轉換器都完全沒有雜訊。 我是說還有其它雜訊來源。 但是如果你用一個硬開關轉換器和一個零電壓開關轉換器並比較這兩款轉換器的雜訊特徵，你會發現軟開關和硬開關帶來的結果會有很大的不同。

  
DAVE FINCH:    你在之前的交談中提到了一件事，那就是電源質量。 無論作為 Vicor 的員工，還是一名電源管理工程師，你在解决哪類電源品質問題？

  
PAUL YEAMAN:    是的，所以我認為有很多不同的東西適用於不同的行業。 我提到電源質量時，我實際上指的可能是很多不同的東西。

其中之一是 EMI，也就是說電源有多清潔？ 在你的電源轉換器工作時，有多少雜訊耦合在你的無線電中，或者有多少雜訊干擾了 Wi-Fi 訊號等，大家知道，這對系統其餘部分功能而言，真的是非常重要。

但我指的也是負載處理電壓變化的能力。 回到我們之前的話題，從 48V 到 12V 的降壓轉換與只在系統中使用 12V 配電之間的界線在哪裡，應該怎樣劃分？ 其中之一是，整個系統中配送的電流新增而電源質量降低時，能够提供抗干擾電壓就有很多優勢。 電源質量的一個關注點是能够開發一個可提供極具抗擾性電壓電源的系統，其可處理負載提供的任何類型的電壓轉換率。

例如，我們先暫停一會兒汽車的話題，瞭解一下電腦方面的事情，微處理器需要能在幾微秒內處理數萬安培電流變化的電壓源。 這種電壓轉換率要求在極高的頻率下提供極低的阻抗。 負載階躍 70mV 的電壓偏差與 75mV 之間的差异，可能就是正常工作的處理器與死機藍屏之間的差异。 在這種情況下，電源質量非常重要，你需要一個電源，既可為任何負載供電，也可為負載可能遇到的任何瞬態供電。

  
DAVE FINCH:    我接下來提出的問題是熱管理必須能够管理這樣的動態負載。 對於你們生產的模組來說，這又是一個很好的例子，比如，他們是如何把這麼高的效能塞到如此緊湊、輕量級的產品中，卻沒有帶來困擾大量系統的散熱問題？
  

PAUL YEAMAN:   好的，這個問題問得很好。 我認為這可能有兩個因素。 其中一個因素可歸結於尺寸。 你構建的器件越小，就可以把熱源放得離能够將這種熱量從器件中傳導出去的表面越近。 因此，你可以考慮將電源放在一個龐大盒子裏，MOSFET 埋在這個位於印刷電路板上的盒子中。 你需要將其連接在散熱片上，然後需要提供一款能讓氣流通過該散熱片的風扇，把 MOSFET 的熱量散發出去。 如果你看看 Vicor 是如何最大限度縮小電源組件尺寸的，你就會發現，現在我們在處理電源的 MOSFET 和我們的封裝或組件的表面之間有 1 毫米的間隔。

第二個是，我猜你會說，母性和蘋果派，也就是說，如果你做了一款更高效的電源轉換器，首先你需要去除的熱量就更少了。 這是另一種更直接解决熱問題的方法，一開始就降低損耗。

  
DAVE FINCH:    對的。 你知道，讓我震驚的是，使用像模組這樣的解決方案的真正强大之處在於，似乎你再也不用成為一個擁有終身專業科技的人，也能獲得抗擾度極高、響應性很强的極清潔電源。

不過第二點是，該解決方法必須獲得某些認證。 這似乎也是一種優勢。 如果你是一位設計工程師，你可買一款模組，所有這些設計專業科技的生命週期都融入到該模組中，而且經過認證。 （笑聲）所以一開始這看起來就像是一個極具誘惑力的提議。
  

PAUL YEAMAN:    是的。 我的意思是，我喜歡這樣看或者說我喜歡這樣想，那是我們客戶的工程師——我們並不是要搶他們的飯碗。 我們正在努力做的工作是，我們正在解决，並且非常有效地解决電源挑戰，否則他們就得隨時自行解决這些問題。 客戶不用白費力氣做重複工作，他們可專注於他們在其系統中遇到的獨特挑戰，而不必擔心這種可以解决的電源轉換，這些挑戰可以在全球範圍內解决並真正適用於各種系統。

你完全是對的，汽車電源與微處理器電源或工業機器人電源相比，需要達到不同的標準。 這些標準將各不相同，而且也是行業獨有的。 但從某種程度上講，所有這三個行業都需要電壓、電流以及一定程度的電源、電源質量和清潔度以及抗擾性，這樣才能讓我們解决整個電路板上這些全域性挑戰，因此，客戶才能集中精力解决對其系統及行業都非常特別的挑戰。

  
DAVE FINCH:    再次真誠地感謝我們的嘉賓 Milovan Kovacevic 和 Paul Yeaman，感謝你們本周從家裡的辦公室來到這裡，讓我對電源電子產品有了更多的認識。

本播客最初由 All About Circuits 發表。