优化 DC-DC 转换器稳定性:源阻抗效应的 AC 与瞬态仿真分析
探讨如何通过频域 AC 小信号分析和时域瞬态分析来优化 DC‑DC 转换器的稳定性
近年来,电气化与电池驱动等新技术趋势在工业设备市场中加速推进,这使 Vicor 在过去四、五年重点研发的高性能计算(HPC)及车载技术得以大展身手。
作者:David 与 Yuba Dozono
Vicor 作为电源解决方案领域的专家,目前正着眼于工业设备市场上的新商机。近年来,电气化与电池驱动等新技术趋势在工业设备市场中加速推进,这使 Vicor 在过去四、五年重点研发的高性能计算(HPC)及车载技术得以大展身手。今年八月初,Vicor 工业事业部兼企业营销部副总裁 David Krakauer 先生到访日本。我们就 Vicor 在工业设备市场的战略布局,采访了 Krakauer 先生以及 Vicor 日本子公司总裁 Yuba Dozono 先生。
Krakauer:我们注意到,电气化已在各个领域拉开序幕并持续推进。值得关注的是,不仅是电气化本身,对电池驱动的需求也在日益增长。除了汽车行业,重型机械、工程机械、农业机械、轻型电动车、电动摩托车、摩托艇等休闲设备等各领域,都正从传统的内燃机驱动(即汽油或柴油发动机驱动)转向电池驱动。这一转变已然开始。
Dozono:针对这些应用,为了尽可能延长运行时间,需要在增大电池组尺寸的同时实现控制端的小型化。Vicor 的电源模块具有节省空间、高功率密度和高效率的特性,恰好能在这些领域充分发挥其性能优势。
Dozono:工业设备的电气化进程将在未来进一步提速,而这一趋势在汽车市场早已成为现实。
例如,在电动汽车(EV)中,需要将 400V/800V 的电池高压降压至 48V 或 12V 等系统运行电压。同样,这种在支持高压供电的同时引入紧凑、高效电源系统的趋势,正逐步延伸至工业设备市场。
自 2018 年进军汽车领域以来,Vicor 便积极开发汽车产品,以顺应高压电池、小型化、高效率等趋势。也就是说,我们可以将公司基于整体战略投资研发的最新汽车技术与产品,直接应用到工业领域。我们相信,这将有助于解决许多客户在开发新一代电源系统时面临的难题。
Krakauer:随着电气化进程的推进,这些面向工业市场的产品开发,也将推动我们拓展新的市场领域。事实上,我们已经与全球多家主要重型机械制造商展开了洽谈。
对于需要大电流、大功率的应用,我们将开发采用优化设计的新产品。同时,我们也能运用引领行业前沿趋势的最新技术,为特定市场开发新产品。
图 1:BCM6135 是一款 DC-DC 隔离转换器,最大转换效率达 97.9%,具有固定的电压转换比。机箱安装型尺寸为 61.3×35.4×7.4mm,采用 68g 的 CM-CHiP 封装。
Krakauer:设计电源系统时,首选方案是采用通用的现成电源。但这类电源通常体积较大。即便采用分立式元件搭建,也会增加设计负担,延长开发周期。在 Vicor 的电源模块中,电源所需元件集成到一个小型封装内。此外,我们专有的分比式电源架构将稳压、电压转换和隔离功能划分到独立的转换器中,从而优化电源系统设计并提升性能。
此类产品的一个例子就是“BCM 系列”母线转换器模块。它是一款具有固定电压转换比、可双向使用的 DC-DC 隔离转换器。该系列产品阵容强大,支持 48V 至 800V 的输入电压,转换效率高达 97% 至 99%。由于 K 因子(即电压转换比)也有多种取值,因此适用于各类应用场景。
“DCM 系列” DC-DC 隔离转换器模块也是我们的一款主力产品。例如,我们的日本客户 Fukaden 公司已在其系留无人机搭载的电源中采用了 DCM 系列。在该电源中,为减轻传输电缆重量,Fukaden 将电压从传统的 24V 升压至 370V,同时采用一款 DC-DC 转换器,将 370V 降压以驱动系统。常见的降压 DC-DC 转换器模块体积大、重量重。而采用 Vicor 的 DCM 系列后,体积缩减至约四分之一,重量减轻至不到原来的一半。
Dozono:工业应用种类繁多,因此我们将其进一步细分为多个子领域,以便更灵活地响应客户需求。在日本市场,我们重点关注测试设备/半导体制造设备、机器人及工厂自动化领域。此外,我们也会关注汽车应用以外的其他领域,如电动自行车、叉车等电气化发展迅速的领域。
我们的优势在于拥有覆盖升压和降压应用的丰富产品线。特别是,日本客户高度认可我们正在开发的一个产品系列,它们可以替代以往只能用分立式元件搭建实现的方案。
此外,当市场趋势或客户需求变化导致设计变更时,通常会延长开发周期。然而,由于我们的电源解决方案采用模块化设计,即便需要重新设计,也只需少量改动,多数情况下开发周期只会略微延长。客户需要快速响应市场需求。我认为,随着响应速度的提升,对我们模块的需求也在同步增长。Vicor 的优势在于,我们能够持续提供电源系统优化与支持服务,包括此类设计变更。
在工业设备领域,采用分立式元件设计电源系统是否仍是主流?
Krakauer:在许多领域,分立式设计仍是主流方法。采用分立式元件搭建电源时,其优势在于可复用现有设计,因此产品上市周期短;但另一方面,其缺点也很明显:设计变更难度大。可以这么说,“设计不易变更”这一事实为工程师带来了诸多束缚。因此,当前现状是业界也在积极探索分立器件之外的替代方案。
Vicor 的电源模块不仅体积小巧、易于使用,还可通过并联支持不同的功率等级,从而轻松实现设计变更。
Vicor 在行业中地位独特,目前全球尚无其他厂商能提供与我们相同的电源模块。因此,在某些领域,电源模块的存在并不为人熟知,但不可否认的是,分立式设计仍是主流。换言之,创新空间依然存在。目前,我们正与多家公司开展合作开发,并聚焦特定细分市场领域。
Dozono:为跟上市场需求的变化,电源系统同样需要创新。我们与客户进行反复深入交流,往往能促成系统开发,从而最大限度地发挥 Vicor 电源模块的优势。我们挖掘客户的潜在需求,并将其转化为电源架构的创新动力。
Krakauer:过去几年,Vicor 大力拓展高性能计算(HPC)和汽车市场领域,但自创立以来,我们在航空航天/国防及工业设备领域也早已积累了丰富经验。为加大开拓这些市场领域的力度,公司近期实施了重大重组,专门设立了工业设备、航空航天/国防、计算及汽车四大业务部门。每个部门都深入了解各自市场的需求,并通过与 Vicor 全球各地子公司(销售与技术支持中心)紧密沟通,优化技术方案。
Dozono:这是全球供应商共同面临的局面,但正因如此,我们更加确信:与客户紧密协作、强化供应链体系以确保产品稳定供应才显得尤为重要。此外,随着新工厂将于今年年底全面投产,我们的供应链体系将得到进一步巩固。
图 2:Vicor “ChiP”封装电源模块新工厂。
Krakauer:该工厂专门生产 Vicor 独有的电源模块封装,即 ChiP(封装内转换器设计),我们将在美国本土实现可扩展的 ChiP 电源模块制造。
新工厂能够承接部分此前外包的制造工序,实现从接单、生产到出货的全制造流程的垂直整合。这将使我们更容易控制产能与成本,构建更稳健的供应链体系。
另一项优势在于制造团队与设计团队之间的沟通将更便捷。当制造与设计两支团队同处一地时,任何设计或生产制造问题都可迅速得到解决。新工厂的量产系统目前正处于启动阶段,预计在未来几个月内全面投入运营。
Krakauer 先生:此次日本之行,我有机会直接与日本客户面对面交流,收获了许多宝贵意见。我们将与 Dozono 先生及其他日本同仁通力合作,从总部提供全方位支持,助力客户解决棘手的电源设计难题。
Dozono 先生:工业设备市场对高性能电源的需求预计将日益增长,在这一背景下,Vicor 全体成员将全力以赴,为日本客户的电源创新与发展贡献力量。
本文最初由 EETImes Japan 发布。
David Krakauer,公司营销副总裁
Yuba Dozono,Vicor K.K 总裁和日本销售与市场副总裁
David Krakauer 与 Yuba Dozono
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