在當今多個行業中，機器電氣化催生了全新且具有挑戰性的使用場景，而高功率密度的雙向 DC - DC 轉換器成為了理想的解決方案。本文將深入探討高效的固定比率 DC - DC 轉換器模塊如何支持瞬態回收負載，且無需昂貴又復雜的液冷系統。

電氣化這一趨勢正席卷所有工業、車輛以及航空航天 / 國防設備領域，它是指全社會從化石燃料驅動的機器轉向電力驅動。推動這一趨勢的經濟和文化因素廣泛為人所知且被普遍認可。從環保角度來看，電氣化能減少相關的碳排放；從性能提升方面而言，大扭矩電機可顯著提升電動汽車的加速性能。

電氣設備和電動汽車通常采用從 270V 到高達 1000V 的高壓直流電，這樣做的目的是減少電源與負載（如線性 / 旋轉電機、執行器、傳感器、處理器以及負載點低壓穩壓器等）間母線或線纜的功率損耗。同時，高壓系統還能實現高水平的機械力轉換，包括線性位移和旋轉位移。

DC - DC 轉換器在將高壓轉換為低壓的過程中起著關鍵作用，它支持隔離或非隔離、穩壓及反向操作，廣泛應用于電動汽車、數據中心、通信系統及各類工業設備中。這些電源轉換器既可以通過分立式元件實現，也能采用模塊化封裝形式，本文著重討論 DC - DC 轉換器電源模塊。

過去，占主導地位的直流子系統供電網絡（PDN）電壓為 12V。但在過去約 10 年里，隨著負載功率需求的急劇增加以及遵從安全特低電壓（SELV）安全標準的必要性，整個行業開始向 48V（數據中心中為 54V）過渡，從而催生了高壓至 48VDC 轉換器。與此同時，業界開始采用以 48V 為中心的 DC - DC 轉換器電源模塊，這些模塊具有易用性、高功率密度、功率可擴展性和輕量化設計等諸多優勢，還支持能量回收（將能量回饋至主電源）。

高壓直流電在工業設備、汽車和基礎設施中的應用日益加速。電解電池采用快速迭代的多種化學技術，常被用作高壓與低壓直流電源，是移動（非系留）和手持應用的理想選擇。從鉛酸電池到的鈉離子和石墨烯電池，再到現代器，大多數類型的電池均可充電，支持再生能量系統，預計將在范圍內實現巨大的節能效益。目前，電動汽車中常用電池組的標稱電壓為 400VDC 和 800VDC，未來，在能量密度不斷提高的趨勢推動下，800V 電池組可能會占據主導地位。輕度混合動力汽車通常使用 48VDC 電池，部分廠商則選用 12VDC 多電芯電池組。電動汽車不僅包括乘用車，還涵蓋工業和農用車輛（如挖掘機和拖拉機等工程車輛）以及各類休閑載具平臺（如個人水上交通工具、四驅越野車、雪地摩托、摩托車等）。盡管這些車輛的電動版本存在續航里程有限和充電所需時間較長等劣勢，但在終用戶體驗（如加速性能、扭矩輸出和駕乘品質）方面往往優于內燃機車型。

為什么 48VDC 電源正逐漸取代 12VDC 電源呢？更高的電壓能夠以較低的電流輸出相同的功率。由于配電功率損耗（通常使用銅或鋁母線或）與電流的平方成正比（P = I2R），因此在高功率應用中，使用更高的配電電壓可以減少由母線和電纜電阻引起的大量傳導損耗。母線和電纜的線規是根據電流承載能力（安培容量）確定的。電壓提高 4 倍，電流減小 4 倍，這對尺寸、重量和成本有顯著影響。例如，要傳導 200A 的電流，銅母線的橫截面積需要達到大約 0.0625 平方英寸；而要傳導 800A 的電流，導線的橫截面積需要達到大約 0.3125 平方英寸，相差五倍。所以，48VDC 供電網絡中使用的母線和電纜比 12VDC 供電網絡中所用的線纜更細、更輕，成本也更低。

接下來探索使用固定比率轉換器模塊實現從高壓到 48V 的轉換。先進的 48V 電源模塊憑借其技術能力，正在解鎖新的效率和性能水平。以 Vicor BCM6135 為例，它是一個固定比率隔離式（4242V）母線轉換器電源模塊系列，集成了磁性元件，設計本身具有雙向轉換功能，支持再生電池應用。該系列包含一種額定穩態功率為 2.5kW 的模塊，其比率轉換 “K 因子”（相當于變壓器的匝數比）為 1/16，用于將標稱 800V 的電壓轉換為 50V。該模塊采用先進的電路拓撲和零電壓開關（ZVS）及零電流開關（VCS）技術，其峰值效率高達 97.3%，意味著輸入功率中只有 2.7% 轉化為熱損耗（約 2.7% x 2.5kW 的熱功率）。在峰值功率為 3.1kW 且設備外殼溫度（TCASE）保持在 70°C 時，這些熱量需要通過適當的熱管理進行散熱。它的體積功率密度高達 159kW/L（模塊尺寸為 61.3mm x 35.4mm x 7.3mm）；模塊重量為 58g，連續質量功率密度為 43.1W/g。

BCM6135 支持瞬時雙向啟動和穩態運行。此外，它可用作電容倍增器，將高壓（HI）母線上的大容量電容按 K 因子的平方（162 = 256）縮放到低壓（LO）母線，這一特性節省了低壓母線上原本所需的旁路電容或大容量電容的成本、重量和空間。而且，該 BCM 的高開關頻率使其具備極快的負載階躍瞬態性能（di/dt），達到 8 MA/s，因此可以替代輔助電池和超級電容器，可在高性能計算和電動汽車等苛刻應用中支持瞬態負載階躍。該 BCM 具有很寬的輸入電壓范圍（520V 至 920V），可以支持廣泛的直流電壓配電標準。寬輸入電壓范圍是 BCM 中采用的專有正弦振幅轉換器（SAC）拓撲的特性之一。寬輸入電壓范圍的意義重大，這在德國汽車工業協會（VDA）的推薦中得到了很好的闡釋。VDA 320《機動車電氣和電子元件 - 48V - 要求與測試》（2025 年 1 月 20 日版），也稱為 LV 148，由奧迪、寶馬、戴姆勒、保時捷和大眾等汽車 OEM 共同制定，作為 48VDC 電壓范圍元件的通用 OEM 標準。該指南建議，電池在 36V 至 52V 之間應支持無限的工作電壓范圍，在 24V 至 54V 之間應支持有限的工作模式。

圖 2:VDA 320 48VDC 電壓范圍推薦 (圖片VDA)

薄型（7.3mm）BCM6135 模塊系列采用覆模和電鍍工藝以提升熱敏捷性，并通過表面貼裝端子或通孔引腳進行屏蔽和互連，其三維互連（3DI）ChiP 封裝具有低熱阻和高熱適應性，包括連接散熱器和冷板的共面熱接口。

在無需主動冷卻的能量回收主動懸掛方面，在 70°C 的高溫環境中，輸出電流為 50A、輸出電壓為 48V 的情況下，BCM6135 的轉換效率通常為 97.3%。這種高壓至 48 V 電源轉換模塊常用于持續負載應用，但也非常適合瞬態脈沖負載應用，而且根據負載的脈沖占空比，有可能使用被動冷卻（無需強制風冷或液冷）。再生電動汽車主動懸掛（可與主動防側傾控制結合）是一個具有瞬態特性的典型雙向使用場景。驅動主動懸掛的線性電機僅在遇到顛簸和坑洼時才被激活。這種系統應用使用峰值功率轉換指標來建模和描述。過去的事實證明，由于尺寸、重量和成本限制，12VDC 不足以驅動主動懸掛電機。需要注意的是，電動汽車的 800VDC 主電池可用于為主動懸掛子系統供電，但將 800VDC 電源連接到車輛外圍會降低安全性，對參加事故救援的急救人員而言尤其如此。這款 BCM6135 型號的保證峰值額定功率為 3.1kW，持續時間為 20ms，占空比 25%，適用于其工作電壓范圍的低端（即低線運行；完整持續工作范圍為 17V 至 57.5V）。和預期的一樣，峰值功率輸出在瞬態需求持續較長時間內會降低。為主動懸掛開發應用級峰值功率規格是一項非常復雜的工作，因為壞情況下的路況、冷卻方法、尺寸、重量和成本限制目標的變化可能非常大。然而，為了盡可能減小尺寸、減輕重量和降低成本，汽車廠商通常傾向于使用被動散熱方法（即傳導 / 對流散熱器，但無風扇強制風冷或循環液冷板）來為主動懸掛 DC - DC 轉換器子系統散熱。要使設計滿足這些約束條件，挑戰在于驗證電源轉換器模塊能夠滿足峰值瞬態負載需求，而不會因過熱而導致模塊關閉。BCM6135 的兩面均經過電鍍處理，理想情況下散熱器應同時接觸封裝的兩面。該模塊的封裝熱容為 44.5 J/K，配備有一個內部溫度傳感器，結合雙面熱模型，可估算內部 MOSFET 的 “結” 溫。

圖 3: 基于電路元件等效法的 BCM6135 雙面冷卻熱阻模型

圖 4:BCM6135 雙面注釋熱阻模型及其元件值注釋

內部模塊溫度分布估算方面，熱容用于計算模塊在瞬態熱事件期間的熱時間常數。該時間常數是熱容與熱阻的乘積。產品數據手冊中給出的熱容值是一個計算值，假設產品在瞬態熱事件期間內部（整個模塊）始終保持均勻的溫度。這是一種線性化的簡化，但它使產品設計師能夠在產品設計周期的早期快速估算產品溫度隨時間變化的行為。內部溫度均勻的簡化處理還意味著，當使用散熱器對 48V 電源模塊進行雙面冷卻時，熱時間常數能更好地反映實際產品性能。例如，圖 5 顯示了模擬 BCM6135 熱阻的等效電路。電阻器類似于熱阻，單位為攝氏度每瓦 [°C/W]；電流源類似于熱源，單位為瓦 [W]；電壓源在此電路模型中類似于溫度源，單位為攝氏度 [°C]。

圖 5:BCM6135 熱模型等效電路假設封裝頂部和底部均進行冷卻，等效熱阻為 0.7°C/W，外殼溫度為 35°C

該等效電路假設封裝頂部和底部均進行冷卻，等效熱阻為 0.7°C/W，外殼溫度為 35°C，模塊的熱容為 44.5J/K，并且模塊在 30 秒開、30 秒關的持續重復脈沖期間耗散 130W 的功率。該電路的模擬結果顯示，運行條件如下：VHI 為 520，VLO 為 32.5，低側峰值輸出電流為 80A（峰值輸出功率為 2.6kW）。在個功率脈沖期間，內部溫度升高至約 90°C；下一個脈沖顯示內部溫度升高至約 115°C；重復脈沖顯示內部溫度保持在約 115°C 左右。

圖 6: 在以下運行條件下模擬的 BCM 脈沖功率熱力學：VHI 為 520，VLO 為 32.5，低側峰值輸出電流為 80A。個功率脈沖顯示內部溫度升高至約 90°C，隨后升高至約 115°C。重復脈沖顯示內部溫度限制在約 115°C

應始終對模塊進行應用測試，以驗證初始建模估算的瞬態性能，并正確設計被動對流散熱器。

實驗室測試結果表明，BCM6135 本身具有雙向轉換功能，可瞬時切換工作方向，且無論電流流向如何，模塊的轉換效率保持一致。在再生主動懸掛應用中，當車輛在平坦的路面上行駛時，800 V 電池作為電流來源，懸掛驅動電機為 48V 負載；當車輛經過坑洼路段時，懸掛系統中的電機暫時變為發電機（壓縮），BCM 低側的電壓升高到 800V 電池電壓除以轉換 K 因子（此應用中 K = 1/16）以上，這種電位差促使母線轉換器切換電流流動方向，而無需內部回路控制器干預；隨后，800V 電池暫時成為負載（回彈），通過其電池管理系統電路充電來恢復電能。坑洼路段引起的位移消退后，母線轉換器將再次將 800 V 電池降壓，并為懸掛系統的線性電機供電。所有這些操作均無需車輛的車載處理器進行干預。這些懸掛驅動器的頻率范圍約為 1Hz 至 10Hz。有趣的是，道路表面的起伏本質上類似于母線轉換器負載階躍響應的動態性。母線轉換器高側與低側之間的電位差決定電流幅度和方向。想象一下，低側的負載是無源負載（如電阻器），而高側有一個電勢為 800V 的電池。BCM 相當于一個 K = 1/16 的變壓器，在低側生成 50V 的電勢。電流將流經該電阻器，其大小由施加在電阻器上的電壓決定。如果在低側添加一個電勢為 51V 的電源并替換電阻器，則 BCM 輸出（50V）與該電源（51V）之間的電位差將變為負值（ - 1V），電流將開始反向流動。該電流的大小將由 BCM 內部和電池的總路徑電阻決定。這可以被直觀地理解為將 BCM 的高側連接到 800V 電源，將低側連接到一個雙向電源。通過使雙向電源的電壓變化 ±100mV，電流將在兩個方向上交替流動，峰值電流的大小為 100mV 除以 BCM 輸出電阻。在這些假設條件下，如果母線轉換器的輸出阻抗為 25mΩ，將產生約 4A 的雙向峰值電流。

圖 7: 母線轉換器雙向電流流動示波器屏幕截圖：通過使雙向電源的電壓變化 ±100mV，母線轉換器電流將在兩個方向上交替流動，峰值電流將為 100mV 除以 BCM 的輸出阻抗。母線轉換器的輸出阻抗典型值為 25mΩ，因此在這些假設條件下，可獲得約 4A 的雙向峰值電流

在實驗室測試中，BCM6135 的峰值功率為 4kW（50V 時 80A），持續 60ms，表明該模塊設計在動態負載下具有的熱穩定性。

圖 8: 示波器屏幕截圖：4kW 持續 60ms。實驗室測試中 BCM6135 展示的峰值功率為 4kW (50V 時 80A)，持續時間為 60ms，表明該模塊設計在動態負載下具有的熱穩定性

在第二次實驗室測試中，負載以脈沖形式從 16A 切換至 80A，占空比為 10%（900ms 為 16A，100ms 為 80A）。運行條件為 520VHI 和 32.5VLO，這是 BCM6135 支持的電壓范圍的低端。平均功率為 720W（32.5V 時 22A）。在 30 分鐘（1800 秒）的測試過程中，內部傳感器的 “讀取溫度”（結溫的替代指標）顯示穩態溫度約為 100°C，遠低于允許的結溫 125°C。測試設置采用單面散熱器被動冷卻方式，這進一步證明了目標被動冷卻應用的可行性。