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基於 MHz 開關頻率的器件助力實現 DC-DC 轉換器和 EMI 濾波器的小型化

對於 DC-DC 電源轉換器而言，使系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，儘管開關頻率超過 1.3 MHz 的系統具有潜在優勢，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……。閱讀本文瞭解使用高密度電源模組進行設計如何改變這一現狀。

作者： Nicola Rosano，高級戰略現場應用/系統工程師

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、監管機构和 OEM 廠商都在努力利用車輛與電網（V2G）的連接實現與配電網路的能源定期交換。從電力電子的角度來看，這一努力不僅需要功率密度更大的電源轉換電路，而且還必須滿足將車輛與電網相連的需求。

對於 DC-DC 電源轉換器而言，使系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，儘管開關頻率超過 1.3MHz 的系統具有潜在優勢，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够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、更羽量級 EV 電源設計目標，同時新增 V2G 功能。

高頻率 DC-DC 電源轉換的優勢

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

採用更高頻率的電源轉換系統的主要優勢是可為物理器件和支持性輸入輸出 EMI 濾波器縮小組件尺寸。轉換器本身最耗費空間的組件是無源器件，例如電感器和電容器。電感器和電容器在每個開關週期中存儲和釋放能量，使電流和電壓波形流暢。轉換器的開關頻率越高，這些組件每個週期存儲的能量就越少，允許使用較小值的組件從而縮小整體系統尺寸，還可針對相同功率級目標實現更高功率密度的系統。

除轉換器之外，相關的輸入 EMI 濾波器也是與 DC-DC 轉換相關的空間佔用大戶。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雜訊。為了減輕這種雜訊，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，可新增所需的 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，從而可在提高系統功率密度的同時縮小整體系統的尺寸並減輕重量。

採用更高頻率的 DC-DC 轉換，不僅可减小組件尺寸和重量，還可實現瞬態回應更快的系統。在 DC-DC 轉換器中，控制環路頻寬通常是開關頻率的一個小部分。更高的開關頻率可實現更高的控制環路頻寬，這樣迴響環路就能更快響應擾動。更高的頻寬使轉換器能更快糾正輸出偏差，確保即使在負載或輸入電壓突然變化時，輸出電壓也能保持穩定。

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

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决定。

高頻率 DC-DC 電源轉換面臨的常規挑戰

儘管採用更高頻率的 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，擔心損耗新增是使用高頻率開關轉換器時的另一個潜在弊端。MOSFET 等開關在導通狀態和關斷狀態之間轉換時，就會出現開關損耗。這些損耗很明顯，因為在轉換期間，開關兩端的電壓以及通過開關的電流都不是零（圖 2）。

在其它條件都相同的情况下，更高的開關頻率會導致組織時間內的轉換更頻繁，這會新增開關損耗。每個開關事件所消耗的能量與交叉時間以及電壓和電流的乘積成正比，因此新增頻率就代表這些能耗會更快地累積。

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。

最後，在高頻率工作期間會出現與無源組件的自諧振有關的問題。自諧振是電力組件因其寄生内容而表現出諧振行為的現象。這會導致不可預測的行為、阻抗峰值、效率損耗和信號完整性問題。在較高的開關頻率下，自諧振會成為一個重大問題，因為這些頻率接近組件的自諧振頻率，不僅會放大雜訊和 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。

解决高頻率電源轉換問題

憑藉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，可在無負面影響的情况下，充分利用高頻率轉換的所有優勢。具體來說，Vicor NBM™ 系列非隔離母線轉換器模組能够在 1.3MHz 以上的頻率下成功切換。

在效率方面，NBM™ 系列產品通過零電壓開關（ZVS）及零電流開關（ZCS）技術，可在高頻率下實現最小的功耗。零電壓開關的工作原理是仔細定時開關的操作，在開關兩端的電壓為零時進行開關操作。同樣，零電流開關的工作原理也是定時開關工作，使其在通過開關的電流為零時工作（圖 3）。

圖 4:NBM9280 新增專用 PI 濾波器後通過了傳導發射合規性測試。

Vicor ZVS 和 ZCS 是通過在脈寬調製（PWM）時序中引入單獨相位來實現的。利用新增的相位，這些解決方案使用鉗位開關和電路諧振，通過軟開關高效運行高側及同步 MOSFET，從而可避免在常規 PWM 硬開關工作及定時過程中產生的損耗。得益於ZVS 和 ZCS，NBM 系列 DC-DC 轉換器等產品不僅可在 1.5 至 1.7MHz 的頻率下工作，同時仍能實現高達 99% 的峰值效率。高開關頻率和高效率的完美結合，使解決方案具有無與倫比的功率密度，高達 550kW/昇。

在 EMC 方面，即使在極高的頻率下，NBM™ 產品也能達到合規要求。最近的一組測試對 NBM9280 電源模組的傳導發射合規性進行了評估。

Vicor 的這款模組可轉換 37.5kW 的功率，功率密度為 550 kW/昇，適用於電動汽車應用。測試發現，即使在開關頻率為 1.3MHz 時，NBM9280 也可通過結合 Pi 濾波並在輸入電源線周圍引入鐵氧體磁芯來滿足 CISPR32 限制（圖 4）。最終的濾波組件比低頻率（即 100kHz）解決方案所需的組件小得多，但仍然實現了相同的合規性。

綜合考慮，汽車設計人員只要使用 NBM™ 系列產品替換其現有的 DC-DC 轉換系統，就可實現更小尺寸及更大功率密度的優勢，不會出現不合規或效率損失的風險。更高的頻率支持當前的 EV 需求期。

隨著向電動汽車的轉變，汽車行業需要更小、更輕、功率密度更高的解決方案，來支持車輛至電網的介面。對於電力電子設計人員來說，轉用更高頻率的 DC-DC 轉換解決方案是滿足這些需求的最佳途徑。

Vicor 現已能够開發出以高達 1.74MHz 的開關頻率運行的 DC-DC 轉換解決方案。而且不會出現傳統高開關頻率缺點。使用 NBM™ 系列 DC-DC 轉換器等產品，汽車設計人員可以實現汽車高效率、輕量化和高效能的未來，沒有設計複雜性，也不需要實現這些結果所需的專業技術。

本文最初由 Power Electronics Europe 發表。

Nicola Rosano 於 2022 年加入 Vicor，擔任歐洲、中東和非洲區的高級戰畧應用及系統工程師，主要為汽車電力系統提供技術支援和諮詢。在加入 Vicor 之前，Nicola Rosano 曾在泰雷茲阿萊尼亞宇航天公司（Thales Alenia Space）和空中客車防務與航太公司的軍事、國防和航太部門工作，並在 BorgWarner 和 Stellantis 的汽車業務部做過高級硬體電力系統工程師。他擁有多項專利，正在打造一個類比/電力電子教育 YouTube 頻道。他目前的研究重點有電力電子、電路與系統、電子儀錶以及工程教育等。Rosano 於 2010 年獲得電氣工程學士學位，並於 2013 年以優异的成績獲得電氣工程碩士學位。