未來汽車不再只有單一電壓軌，而是會同時包含 12V、48V 以及 400V 或 800V 左右的高壓電壓軌。DC-DC 轉換器對于在這些直流電壓軌之間高效轉換能量不可或缺。我們與 Vicor 歐洲、中東及非洲地區工程經理 Haris Muhedinovic 以及 Vicor 歐洲、中東及非洲地區銷售與市場副總裁 Andreas Wisser 進行了交流，話題涵蓋 SDV 電源、安全性、冗余、電池、DC-DC 轉換器等多個方面。
問：目前公司業務進展如何？
答：我們很滿意，因為我們與 OEM 廠商建立了牢固的合作與伙伴關系。我們的主要優勢之一是與 OEM 廠商保持著緊密聯系。同時，OEM 廠商也非常看重我們的靈活性。他們并不只是想要一套普通的 DC-DC 產品路線圖，而是會非常具體地告訴我們他們有哪些想法、需要什么。這正是我們的模塊化方法發揮作用的地方。
DC-DC 轉換器是區域架構的基礎
問：我們該如何為 SDV 供電？
答：DC-DC 轉換器是區域架構中供電的賦能者和基礎，而這種架構正是軟件定義汽車的支柱。每個區域控制器都需要一個 DC-DC 轉換器，因為每個控制器都需要由高壓直接轉換而來的電源。借助我們的技術，就能夠在非常小的空間實現供電。我們提供靈活的交鑰匙電源解決方案，OEM 廠商和一級供應商都可以信賴。
問：與傳統方法相比，你們的方法有何不同？例如在主動空氣懸架系統中？
答：傳統的主動空氣懸架系統采用 48V 電壓軌。除了 DC-DC 轉換器之外，這還需要一個超級電容和/或一個電池。我們的解決方案完全基于一個響應速度非常快的 DC-DC 轉換器，也就是說既不需要超級電容，也不需要單獨的電池。這樣就可以降低維護工作量，延長使用壽命，并消除與充電超級電容相關的問題。Vicor 的 DC-DC 轉換器可以將能量直接轉換至高壓電池，而超級電容可能已經處于滿電狀態。現在已經不再需要讓超級電容或 48V 電池保持在特定荷電水平，因為我們的 DC-DC 轉換器可以立即提供高達 3.5kW 甚至 5kW 的功率。憑借雙向模塊，我們可以支持 90% 以上的主動阻尼系統。
問：您提到了模塊化方法——這具體意味著什么？
答：對于關鍵領域，我們已經有合適的模塊，例如從高壓轉換到 48V 或 12V、從 48V 轉換到 12V、或者從 800V 轉換到 400V 的模塊。因此，OEM 廠商可以很容易地實現幾條主要電壓軌：高壓、48V 和 12V。如果 OEM 廠商希望保留現有的 48V 加熱系統、主動懸架或其他系統，同時將電池（包括牽引電壓）遷移到 800V，那么只需相對較少的工作量即可實現。其他電壓等級同樣可行。OEM 廠商可以實施高度靈活的雙向解決方案，從而覆蓋廣泛的供電網絡需求并快速完成實施。原則上，只需要一塊 800V 或 400V 的高壓電池。所有其他電壓軌，例如 48V 或 12V，都完全由快速 DC-DC 轉換器來處理。
現在車輛中有許多應用在 48V 下運行效率更高。使用適當的轉換器模塊，隔離供電的負載始終可以獲得所需的 48V 電源——要么來自高壓軌，要么來自 12V 電壓軌。例如，在 48V 轉向系統中，高壓軌可以通過適當的轉換器提供主電源，而 12V 電壓軌則作為備用。甚至可以通過 12V 點煙器插座維持混合動力汽車高壓電池的荷電水平；而 DC-DC 轉換器能夠做到這一點。
48V 將在未來車載電氣系統中發揮什么作用？
問：這將對車載供電網絡產生什么影響？
答：我們相信未來屬于 48V 電壓軌，48V 將成為車輛中主要的低壓等級。換句話說，48V 將成為新的 12V，盡管 12V 仍會繼續存在。從長遠來看，12V 電池將從車輛中消失，并被 48V 電池所取代。所有安全相關應用都將在 48V 下運行；并且從安全架構的角度來看，這些系統顯然需要冗余電源——要么使用 48V 電池，要么使用另一個從高壓到 48V 的 DC-DC 轉換器。由于剩余的 12V 用電負載將不再是安全關鍵負載，因此配備高壓電壓軌的車輛將不再需要專用的 12V 電池。屆時，DC-DC 轉換器將為特定子系統提供所需的 12V 電源。
問：12V 將在哪些領域繼續發揮作用？
答：有些系統仍會使用 12V 電源運行。這方面的典型例子包括車門模塊、車內照明以及其他功耗相對較低的負載。目前，傳統系統還不允許從 12V 全面過渡到 48V。然而，可以使用緊湊的 48V 轉 12V 穩壓器輕松提供這一電壓。這樣的轉換器可以放置在采用 12V 電源的傳統控制單元之前。即便在高性能應用中，我們也可以通過在負載點（PoL）直接從 48V 轉換到 1V 甚至 0.8V，以大電流方式高效地提供所需電壓。電流倍增器或正弦振幅轉換器（也稱為 SAC 或諧振轉換器）是首選方法。挑戰始終在于大電流，因為根據公式 P=I2×R，損耗與電流的平方成正比。因此，更好的做法是將較高的 48V 電壓一直分配到電子設備附近，然后在那里使用高效的 PoL 穩壓器。這個概念被稱為分比式電源架構（FPA）。“分比式”指固定轉換比率，例如 48V 與 12V 之間 4:1 的比率，或者從 48V 轉換到 1V 時 48:1 的比率。本質上，這些分比式固定比率轉換器的工作方式很像變壓器，后者同樣具有固定匝數比，因此也具有固定轉換比。簡單來說，可以將它們稱作 DC 變壓器。
問：為什么這些 DC 變壓器在目前的設計中使用得仍然很少？
答：傳統的轉換器需要相當大的空間，而且它們的效率并不總是最高的。
現在，Vicor 通過 BCM 系列改變了這一局面。盡管這些分比式固定比率轉換器的占用空間非常小，卻能提供高達 98% 的效率。我們的工程師與制造部門密切合作，因為要在如此小的封裝內管理 3.5kW 的功率并非易事。熱優化尤其重要，無論是在轉換器級別還是系統級別。然而，我們已經解決了這些挑戰，并且也很好地控制了寄生電感和寄生電容。我們的所有磁性元件都采用平面結構，這意味著我們可以通過 100% 的自動化來復現磁性參數。原邊和副邊之間，或各層之間的距離始終保持不變。由于不需要繞制線圈，典型的繞線相關挑戰也隨之消失。因此，我們能夠在電路板層面實現對設計的完全控制。
與數據中心的協同：
從 800V 經 48V 到低于 1V 的電壓等級
問：SiC 和 GaN 等寬禁帶半導體在這里發揮什么作用？
答：我們同時使用硅 MOSFET 和氮化鎵 MOSFET，并且目前正在開發屬于我們自己的全新技術。在數據中心，也出現了從 800V 直接轉換到 48V，甚至在接近負載點的位置轉換到更低電壓的趨勢。這與汽車領域之間存在哪些協同效應？
是的，在高性能計算領域，800V 似乎也正在成為主力電壓——想想英偉達正在推動的架構。從高壓等級開始，電力始終會經過一個 48V 的中間電壓級。單從高壓安全的角度考慮，就必須具備電氣隔離和接觸防護。即便如此，也完全可以在緊挨著的位置設置一個 48V 轉 0.9V 的轉換器。在這方面，我們正收到越來越多來自數據中心領域的咨詢。這不僅有利于高效的大批量制造，也是因為按照汽車質量標準開發的設計正在進入高性能計算領域。如果能在功耗達到兆瓦級的計算機機架中將效率提高幾個百分點，不僅可以降低服務器本身的電費；而且還可以節約冷卻成本，也就是廢熱排出成本，而這會產生非常大的影響。
問：汽車制造商和一級供應商對 DC-DC 轉換器有什么要求？
答：我們與各種 OEM 廠商保持著非常緊密的合作伙伴關系。除了效率、熱管理和尺寸等硬性技術因素外，其他方面也同樣重要。例如，我們會幫助客戶盡可能減少模塊型號種類。借助我們的模塊化解決方案，OEM 廠商可以使用預定義的封裝尺寸，并選擇不同的功率等級，如 2kW、4kW、6kW 甚至 10kW，從而以通用基礎配置覆蓋不同產品細分市場，同時保持全面的軟件兼容性。OEM 廠商越來越希望在產品性能上實現差異化：從電機和牽引逆變器，到電池及其電池管理，再到各個 DC-DC 轉換器。他們想要的不僅僅是 COTS（商用現貨組件）——換句話說，不僅僅是標準組件。封裝空間同樣非常重要，因為空間有限，而且熱管理也是一項真正的挑戰。這正是我們解決方案的用武之地。在許多情況下，車輛設計需要很高的峰值功率，例如 5kW，但僅在最多 5% 的時間內需要。傳統上，這會導致兩種做法：要么使用一個明顯過大的轉換器，要么配置一個與之匹配的超級電容。借助新的模塊，這些功率峰值可以被更有效地承接。當然，模塊會升溫，但以我們的 3.5kW 模塊為例，其熱阻為 0.1K/W，因此可以在相當長的時間內提供峰值功率。在沒有散熱器的情況下，我們可以連續 6 分鐘提供 1.3kW 的功率，這意味著在很多情況下既不需要超級電容，也不需要緩沖電池。這些 BCM6135 DC-DC 轉換器最近已經在多款全新車型中投入量產。Vicor BCM6135 是目前用于將高壓轉換為 SELV（安全特低電壓，最高 60V）的最強大、最快速的 DC-DC 轉換器，并成為推動車輛電源系統創新的催化劑。
問：在量產方面，這些新解決方案的接受度如何？
答：在歐洲，商業框架條件通常意味著，在過渡到批量生產時，與現有解決方案相比，這些創新會被放棄。然而在亞洲，全新產品正在進入量產。這是典型的“中國模式”：先引入創新，之后再專注于成本優化。相比之下，歐洲承襲的是成本優化的供應商模式，通常只有當創新同時可帶來立竿見影的成本優勢時，才會接受。因此，目前歐洲無法像其他地區那樣快速實施創新。
問：談到為 SDV 供電，我們討論的是哪些技術規格？
答：一個關鍵因素是對電流變化的快速響應，因此通常需要約 500kA/s 的 di/dt 值。當我們的模塊以 1.3MHz 或 1.5MHz 的開關頻率工作時，實現這一點沒有問題。雙向轉換能力對于實現 12V 負載的能量回收也很重要。與 12V 電池不同，我們的轉換器不受溫度影響；即使在 ?20℃ 或 ?40℃ 到 +80℃ 的溫度范圍內，它們也能提供高達 8MA/s 的 di/dt 值。由于分比式電源架構采用固定轉換比，48V 電壓軌上的 1μF 電容在 12V 電壓軌上相當于 16μF，這有助于降低成本。如今，一款重量僅 65g、可將 800V 轉換為 48V 的 3.5kW 模塊，效率可超過 98%，即使在滿載時也仍能達到 97% 以上。當從整體系統架構出發、自上而下地審視這些方面時，各項技術參數就形成了一幅協調一致的圖景。歸根結底，電源設計絕不能成為未來性能升級的瓶頸。
