優化 DC-DC 轉換器穩定性:源阻抗效應的 AC 與瞬態模擬分析
探討如何通過頻域 AC 小訊號分析和時域瞬態分析來優化 DC‑DC 轉換器的穩定性
近年來,電氣化與電池驅動等新技術趨勢在工業設備市場中加速推進,這使 Vicor 在過去四、五年重點研發的高性能計算(HPC)及車載技術得以大展身手。
作者:David 與 Yuba Dozono
Vicor 作為電源解決方案領域的專家,目前正著眼於工業設備市場上的新商機。 近年來,電氣化與電池驅動等新技術趨勢在工業設備市場中加速推進,這使 Vicor 在過去四、五年重點研發的高性能計算(HPC)及車載技術得以大展身手。 今年八月初,Vicor 工業事業部兼企業行銷部副總裁 David Krakauer 先生到訪日本。我們就 Vicor 在工業設備市場的戰畧佈局,採訪了 Krakauer 先生以及 Vicor 日本子公司總裁 Yuba Dozono 先生。
Krakauer:我們注意到,電氣化已在各個領域拉開序幕並持續推進。 值得關注的是,不僅是電氣化本身,對電池驅動的需求也在日益增長。 除了汽車行業,重型機械、工程機械、農業機械、輕型電動車、電動摩托車、摩托艇等休閒設備等各領域,都正從傳統的內燃機驅動(即汽油或柴油發動機驅動)轉向電池驅動。 這一轉變已然開始。
Dozono:針對這些應用,為了盡可能延長運行時間,需要在增大電池組尺寸的同時實現控制端的小型化。Vicor 的電源模組具有節省空間、高功率密度和高效率的特性,恰好能在這些領域充分發揮其效能優勢。
Dozono:工業設備的電氣化行程將在未來進一步提速,而這一趨勢在汽車市場早已成為現實。
例如,在電動汽車(EV)中,需要將 400V/800V 的電池高壓降壓至 48V 或 12V 等系統運行電壓。同樣,這種在支持高壓供電的同時引入緊湊、高效電源系統的趨勢,正逐步延伸至工業設備市場。
自 2018 年進軍汽車領域以來,Vicor 便積極開發汽車產品,以順應高壓電池、小型化、高效率等趨勢。也就是說,我們可以將公司基於整體戰略投資研發的最新汽車技術與產品,直接應用到工業領域。 我們相信,這將有助於解决許多客戶在開發新一代電源系統時面臨的難題。
Krakauer:隨著電氣化行程的推進,這些面向工業市場的產品開發,也將推動我們拓展新的市場領域。事實上,我們已經與全球多家主要重型機械製造商展開了洽談。
對於需要大電流、大功率的應用,我們將開發採用優化設計的新產品。同時,我們也能運用引領行業前沿趨勢的最新技術,為特定市場開發新產品。
圖 1:BCM6135 是一款 DC-DC 隔離轉換器,最大轉換效率達 97.9%,具有固定的電壓轉換比。主機殼安裝型尺寸為 61.3 × 35.4 × 7.4mm,採用 68g 的 CM-CHiP 封裝。
Krakauer:設計電源系統時,首選方案是採用通用的現成電源。 但這類電源通常體積較大。 即便採用離散元件搭建,也會新增設計負擔,延長開發週期。 在 Vicor 的電源模組中,電源所需元件集成到一個小型封裝內。 此外,我們專有的分比式電源架構將穩壓、電壓轉換和隔離功能劃分到獨立的轉換器中,從而優化電源系統設計並提升效能。
此類產品的一個例子就是“BCM 系列”母線轉換器模組。 它是一款具有固定電壓轉換比、可雙向使用的 DC-DC 隔離轉換器。 該系列產品陣容強大,支持 48V 至 800V 的輸入電壓,轉換效率高達 97% 至99%。 由於 K 因數(即電壓轉換比)也有多種取值,因此適用於各類應用場景。
“DCM 系列”DC-DC 隔離轉換器模組也是我們的一款主力產品。 例如,我們的日本客戶 Fukaden 公司已在其繫留無人機搭載的電源中採用了 DCM 系列。 在該電源中,為減輕傳輸電纜重量,Fukaden 將電壓從傳統的 24V 升壓至 370V,同時採用一款 DC-DC 轉換器,將 370V 降壓以驅動系統。 常見的降壓 DC-DC 轉換器模組體積大、重量重。 而採用 Vicor 的 DCM 系列後,體積縮減至約四分之一,重量減輕至不到原來的一半。
Dozono:工業應用種類繁多,因此我們將其進一步細分為多個子領域,以便更靈活地響應客戶需求。 在日本市場,我們重點關注測試設備/電晶體製造設備、機器人及工廠自動化領域。 此外,我們也會關注汽車應用以外的其他領域,如電動自行車、叉車等電氣化發展迅速的領域。
我們的優勢在於擁有覆蓋升壓和降壓應用的豐富產品線。 特別是,日本客戶高度認可我們正在開發的一個產品系列,它們可以替代以往只能用離散元件搭建實現的方案。
此外,當市場趨勢或客戶需求變化導致設計變更時,通常會延長開發週期。然而,由於我們的電源解決方案採用模組化設計,即便需要重新設計,也只需少量改動,多數情况下開發週期只會略微延長。客戶需要快速回應市場需求。我認為,隨著響應速度的提升,對我們模組的需求也在同步增長。 Vicor 的優勢在於,我們能够持續提供電源系統優化與支持服務,包括此類設計變更。
在工業設備領域,採用離散元件設計電源系統是否仍是主流?
Krakauer:在許多領域,離散設計仍是主流方法。 採用離散元件搭建電源時,其優勢在於可複用現有設計,因此產品上市週期短; 但另一方面,其缺點也很明顯:設計變更難度大。 可以這麼說,“設計不易變更”這一事實為工程師帶來了諸多束縛。 因此,當前現狀是業界也在積極探索分立器件之外的替代方案。
Vicor 的電源模組不僅體積小巧、易於使用,還可通過並聯支持不同的功率等級,從而輕鬆實現設計變更。
Vicor 在行業中地位獨特,現時全球尚無其他廠商能提供與我們相同的電源模組。因此,在某些領域,電源模組的存在並不為人熟知,但不可否認的是,分立式設計仍是主流。 換言之,創新空間依然存在。 目前,我們正與多家公司開展合作開發,並聚焦特定細分市場領域。
Dozono:為跟上市場需求的變化,電源系統同樣需要創新。 我們與客戶進行反復深入交流,往往能促成系統開發,從而最大限度地發揮 Vicor 電源模組的優勢。 我們挖掘客戶的潜在需求,並將其轉化為電源架構的創新動力。
Krakauer:過去幾年,Vicor 大力拓展高性能計算(HPC)和汽車市場領域,但自創立以來,我們在航空航太/國防及工業設備領域也早已積累了豐富經驗。 為加大開拓這些市場領域的力度,公司近期實施了重大重組,專門設立了工業設備、航空航太/國防、計算及汽車四大業務部門。 每個部門都深入瞭解各自市場的需求,並通過與 Vicor 全球各地子公司(銷售與技術支援中心)緊密溝通,優化技術方案。
Dozono:這是全球供應商共同面臨的局面,但正因如此,我們更加確信:與客戶緊密合作、强化供應鏈體系以確保產品穩定供應才顯得尤為重要。此外,隨著新工廠將於今年年底全面投產,我們的供應鏈體系將得到進一步鞏固。
圖 2:Vicor“ChiP”封裝電源模組新工廠。
Krakauer:該工廠專門生產 Vicor 獨有的電源模組封裝,即 ChiP(封裝內轉換器設計),我們將在美國本土實現可擴充的 ChiP 電源模組製造。
新工廠能够承接部分此前外包的製造工序,實現從接單、生產到出貨的全製造流程的垂直整合。 這將使我們更容易控制產能與成本,構建更穩健的供應鏈體系。
另一項優勢在於製造團隊與設計團隊之間的溝通將更便捷。當製造與設計兩支團隊同處一地時,任何設計或生產製造問題都可迅速得到解决。新工廠的量產系統現時正處於啟動階段,預計在未來幾個月內全面投入運營。
Krakauer 先生:此次日本之行,我有機會直接與日本客戶面對面交流,收穫了許多寶貴意見。我們將與 Dozono 先生及其他日本同仁通力合作,從總部提供全方位支持,助力客戶解决棘手的電源設計難題。
Dozono 先生:工業設備市場對高性能電源的需求預計將日益增長,在這一背景下,Vicor 全體成員將全力以赴,為日本客戶的電源創新與發展貢獻力量。
本文最初由 EETImes Japan 發佈。
David Krakauer, 公司營銷副總裁
Yuba Dozono,Vicor K.K 總裁和日本營銷與市場副總裁
David Krakauer 與 Yuba Dozono
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