從電網到汽車，需要怎樣的DC/DC轉換器？

（本文編譯自Electronic Design）

無論是以可再生能源為主的電網，還是人工智能數據中心，各類場景的電力需求均在持續攀升，同時對“更小空間實現更高性能”的要求日益嚴苛，這使得電力電子設備面臨的技術壓力與日俱增。

電力傳輸需經過復雜的DC/DC轉換環節：從電網中的高壓電開始，逐步降壓至高端處理器所需的毫伏級電壓。為應對這一系列挑戰，一類新型DC/DC轉換器應運而生，其將帶來多維度技術突破，具體包括：

• 適用于直流微電網的新型拓撲結構，可實現靈活的功率流控制；

• 基于碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）的新型功率開關，能為電動汽車提供緊湊、高頻的開關功能；

• 磁性元件與無源集成領域的創新技術，可有效降低服務器機柜內部的能量損耗。

適用于直流微電網的特殊DC/DC功率轉換器

隨著太陽能、風能等可再生能源以及儲能系統（ESS）大量接入電網，乃至接入更多本地化的直流微電網，負責在不同設備/系統間進行電能轉換的電力電子器件，正面臨前所未有的運行壓力。

針對這一問題，三有源橋（TAB）DC/DC轉換器成為潛在解決方案。該拓撲結構是雙有源橋（DAB）技術的延伸，能夠在保持高效率的同時，實現對多種功率流的協同管理。圖1展示了一個使用標準雙端口DC/DC轉換器的直流微電網，每個直流單元需通過一個獨立的DC/DC轉換器才能與電網連接；而三有源橋（TAB）DC/DC轉換器可同時將多個能源接入電網，大幅簡化了系統設計與機械集成流程。

圖1：采用傳統雙端口DC/DC轉換器的直流微電網系統（圖a）；采用三端口DC/DC轉換器的直流微電網系統（圖b）。

值得關注的是，三有源橋支持雙向功率流，且所有端口通過變壓器實現磁耦合。該變壓器不僅能提供所需的電氣隔離，還可通過調整各端口的匝數比，來幫助調節不同的電壓等級。

三有源橋拓撲結構之所以受到行業關注，核心原因在于其能夠減小儲能系統中大型復雜DC/DC轉換器的體積，同時還可利用零電壓開關（ZVS），這對于實現更高頻率的運行至關重要。

然而，該拓撲也存在一些缺點：其儲能端口（通常連接大型電池組）即便在未使用狀態，仍不可避免地會產生環流。這一現象由三有源橋轉換器的結構本身所導致，會降低能量轉換效率。

另一個問題是，三有源橋轉換器中某一個端口的功率變化會對另一個端口產生影響。當系統出現暫態過程時，這種相互作用會導致無關端口產生多余功率；這是因為根據以下公式1、公式2和公式3，每個端口的功率均為?12和?13的函數：

此外，該DC/DC轉換器還需配備功率耦合控制功能，以消除各端口間的功率關聯性。但即便如此，即便儲能系統端口未投入使用，這種控制方法仍會在該端口內誘發環流，進而增加控制復雜度。

基于GaN的DC/DC轉換器可提升電動汽車功率密度

雙向DC/DC轉換器同樣應用于電動汽車領域，在該場景中，高功率密度與高效率是不可或缺的核心要求。這類轉換器負責實現高壓電池組與車內其他系統（包括牽引逆變器的高壓直流母線）之間的接口連接。

雙向DC/DC轉換器扮演著“能量調節器”的角色：不僅能將電池輸出的電流輸送至電動汽車的其他部件，還能在制動能量回收過程中，將回收的能量回傳至電池儲存。

由于不同類型電池的輸出電壓可能存在不穩定性，因此需要DC/DC轉換器臨時儲存能量，并將不穩定的輸入電壓升壓至更高的穩定水平，以滿足電動汽車的功率需求。通過這一過程，直流母線電壓不會受到電池電壓波動的影響，從而使電機與逆變器均可按最優方案設計（見圖2）。

圖2：雙向DC/DC轉換器拓撲結構（圖a）；最常用的雙向DC/DC轉換器三維模型（圖b）。

氮化鎵在這類DC/DC轉換器中發揮著關鍵作用，可從系統層面提升功率密度與效率。氮化鎵功率場效應晶體管（GaN power FET）能以極高的開關頻率工作，該頻率可提升至100kHz以上，部分場景下甚至能超過1MHz。這使得即使在硬開關拓撲結構中，也能實現極低的開關損耗，從而降低系統功率損耗并減少熱量產生。

采用氮化鎵功率場效應晶體管后，DC/DC轉換器通常可采用被動散熱方式，此舉能降低系統總體成本并減小占用面積。氮化鎵還有助于簡化轉換器設計與機械集成過程，因此，DC/DC轉換器可在車輛內靈活布置，減輕制造商的工作量。

此外，氮化鎵技術可將轉換器功率提升至千瓦（kW）級別，并提高功率密度。同時，相較于液冷式轉換器，其常規效率可超過90%，散熱性能也更優。

在兩相配置中，可將DC/DC轉換器的兩個相位組合，以最大化輸出功率。在部分負載工況下，還可關閉其中一個相位，并使兩個相位的開關頻率交錯。通過將兩個相位的輸入串聯切換，DC/DC轉換器可實現800V架構，且不會超過氮化鎵場效應晶體管的最大阻斷電壓。

由于電動汽車及其他系統的空間有限，功率密度成為這類雙向DC/DC轉換器的核心指標之一，另一核心要求則是高效率。電容器、電感器等無源元件會限制總功率密度，此外，它們也是功率損耗的重要來源。影響系統中無源元件總體體積的因素包括：

• 開關頻率：提高開關頻率可減小無源元件體積，但開關頻率會受到所需效率的限制。

• 濾波電感：小型濾波器可能有助于減小電感器尺寸，但需配備大型濾波電容器以濾除大電流紋波。

基于圖3所示的無源元件及圖4所示的功率轉換效率可知：當開關頻率高于20kHz時，無源元件體積幾乎不會隨頻率升高而減小，但功率轉換器的效率會顯著下降。因此，設計時需重點關注功率密度與效率之間的權衡關系。

圖3：不同開關頻率下無源元件的預估體積。

圖4：不同電池電壓下的理論效率與開關頻率的關系（直流母線電壓Vbus=600伏，功率P=40千瓦）。

集成磁性元件的單級48伏至1伏DC/DC轉換器

為電路板及系統級芯片（SoC）提供大電流的DC/DC轉換器也在快速發展。

在數據中心領域，單級DC/DC轉換器正逐漸得到應用，其核心優勢在于減少電能轉換環節的數量。例如，美國弗吉尼亞理工大學電力電子系統中心（CPES）設計的一款基于氮化鎵（GaN）的非穩壓DC/DC轉換器，可直接將48伏母線電壓降壓至1伏。該高效降壓轉換器通過采用印刷電路板（PCB）繞組電感器來集成磁性元件，在為負載提供大功率輸出的同時，實現了對輸出電壓的精準調節。

人工智能（AI）技術的快速普及，推動了美國數據中心需求的激增。據麥肯錫（McKinsey）預測，若要維持當前的技術發展速度，到本十年末（2030年），數據中心的電力需求將增長至現有容量的近3倍。這意味著數據中心的能耗占比將發生顯著變化。

現代數據中心的供電架構通常采用48伏母線,相較于此前使用的12伏母線，48伏母線的優勢在于能降低電阻損耗（見圖5）。在實際應用中，48伏母線電壓通常先降壓至12伏，再進一步降至系統級芯片（SoC）的核心電壓（通常低于1伏）。

圖5：數據中心配電系統：傳統交流配電（圖a）；48伏母線直流配電（ b）。

傳統上，每一次電壓轉換都需要一個獨立的功率轉換器，而每個轉換環節都會產生功率損耗，這些損耗累加起來可能超過10%。這些功率損耗以熱量形式存在，必須通過某種方式散發出去。

通過采用單級高效轉換器，數據中心有望大幅降低功率損耗，同時也能簡化系統復雜度。

歸根結底，從電網（或微電網）到為電動汽車、人工智能數據中心等各類設備供電的系統級芯片的核心電路，對更高功率密度與更高效率的需求將持續攀升。