傳統的電子化采用一個高壓電池，電壓通常在300~400 V之間的，耦合至高性能電動機。這些“全混合動力”汽車可顯著提高燃油效率，但也會大大增加成本和車身重量。而“插電式”混合動力汽車，即電池通過交流電源插座充電，也具有類似的缺點。

 

一種替代方案是“輕度混合動力汽車”(MHEV)，它采用48 V小xiao型xing電dian池chi驅qu動dong電dian動dong機ji，既ji可ke以yi實shi現xian更geng快kuai的de加jia速su和he更geng大da的de低di端duan扭niu矩ju

，同tong時shi仍reng能neng提ti高gao燃ran油you經jing濟ji性xing
，並bing且qie隻zhi會hui適shi度du提ti高gao成cheng本ben和he複fu雜za度du。輕qing度du混hun合he動dong力li係xi統tong的de優you勢shi備bei受shou廣guang大da消xiao費fei者zhe的de青qing睞lai

，據juIHS Markit分析師預測

，到2025年，48 V輕度混合動力汽車將占據混合動力汽車銷量中的近50%。48 V係統的成本更低，因此也對汽車製造商極具吸引力。

 

增加了48 V鋰離子電池意味著MHEV為wei雙shuang電dian壓ya汽qi車che，這zhe也ye造zao成cheng了le其qi獨du有you的de設she計ji挑tiao戰zhan，主zhu要yao在zai如ru何he在zai管guan理li電dian池chi充chong放fang電dian循xun環huan的de同tong時shi維wei持chi係xi統tong效xiao率lv。在zai本ben文wen中zhong，我wo們men將jiang討tao論lun這zhe些xie挑tiao戰zhan，並bing探tan討tao使shi用yong汽qi車che功gong率lv模mo塊kuai以yi及ji基ji於yu寬kuan禁jin帶dai技ji術shu的de新xin型xing寬kuan帶dai隙xi晶jing體ti管guan能neng為wei功gong率lv轉換器帶來哪些益處。

 

48 V架構

 

最基本的混合動力係統（參見下方圖片）包括電池、集成起動發電機 (ISG) 、48 V至12 V轉換器以及1個或多個48 V負載，就如一個穩定係統。由於48 V輕度混合動力係統保留了12 V電池和多個12 V負載，所以這些係統將在可預見的未來繼續采用雙電壓架構。

 

48 V輕度混合動力係統

 

ISG負責車輛的動力供應、車輛啟動以及製動期間的能源回收。

 

除了沒有12 V交流發電機，係統的12 V電池部分保持原樣。由於ICE中沒有12 V電源發電機，因此需要使用雙向轉換器實現48 V係統與12 V係統之間的電源轉換。

 

MHEV雙向轉換器工

 

該雙向轉換器具有多種工作模式。在車輛啟動期間，ISG由48 V鋰離子電池供電。如果48 V電池電量不足或無法提供足夠的電力（例如，由於低溫），轉換器將在升壓模式下工作
，利用12 V電池提供額外的啟動電流。通常情況下

，發動機啟動/停止功能將被禁止，直至所有係統均達到正常的工作溫度，此時車輛將開始正常重新啟動。

 

當車輛達到正常溫度並正在行駛，但無需額外加速時，轉換器將在降壓模式下工作，以便使用48 V電池為12 V電池充電，並為12 V負載供電。當需要額外電力時，轉換器將再次切換至升壓模式，以便為ICE提供補充電力，降低燃油消耗和整體排放量。

 

轉換器拓撲結構

 

48 V至12 V轉換器通常具有(1~3) kW的寬功率範圍。為了在此範圍內保持高能效，多級交錯式降壓-升壓轉換器是最受歡迎的選擇。

 

降壓拓撲結構提供壓降，在本例中為48 V至12 V的壓降，而升壓拓撲結構提供相反的功率轉換。同步拓撲結構在2種模式下使電源開關在大部分時間內保持全開狀態
，從而提高轉換器的總體效率。

 

多相交錯式設計並聯連接幾個相同的轉換器相位（單相示例參見下方圖片“雙向轉換器-單項”），以yi此ci充chong當dang單dan個ge高gao功gong率lv轉zhuan換huan器qi。在zai重zhong載zai情qing況kuang下xia，所suo有you相xiang位wei都dou工gong作zuo
，但dan在zai輕qing載zai期qi間jian
，可ke使shi用yong電dian池chi斷duan路lu開kai關guan關guan閉bi一yi些xie負fu載zai，從cong而er降jiang低di損sun耗hao，提ti高gao效xiao率lv。每mei個ge相xiang位wei都dou會hui產chan生sheng相xiang位wei角jiao略lve有you不bu同tong的de輸shu出chu電dian流liu，從cong而er減jian少shao了le輸shu出chu電dian容rong的de紋wen波bo。使shi用yong交jiao錯cuo式shi轉zhuan換huan器qi，而er非fei單dan個ge大da型xing轉zhuan換huan器qi
，意yi味wei著zhe每mei個ge相xiang位wei的de電dian流liu都dou更geng小xiao
，從cong而er減jian少shao電dian源yuan開kai關guan

、導體和電感上的應力（參見下方圖片“配置中的多相降壓 - 升壓轉換器"）。

 

雙向轉換器 - 單相

 

交錯式配置中的多相降壓 - 升壓轉換器

 

此類轉換器中的主要模塊包括電源斷路開關、降壓-升壓半橋、電流感測級
、主電感和負載斷路開關。

 

同步降壓-升壓轉換器實際上是將兩個開關電路合並成單級電路。電源開關控製主能量轉換元件（電感）中的電流流動。電感電流是需要控製的主要變量，因為它對確保出色的係統精度至關重要。

 

電感電流的方向決定了電源電流方向，從而決定了接收電流的電池。係統控製器通過生成適當的開關模式來確定電流方向（參見下方圖片）。

 

基本的降壓-升壓轉換

 

轉換器設計

 

表1中概述了所需的主要電路元件。電源斷路級和負載斷路級都可使用分立式MOSFET或集成式MOSFET功率模塊。這些級的主要用途就是通過使用背靠背開關配置
，將每個交錯級的輸入和輸出分別與其他級以及48 V（源）和12 V（負載）電池隔離開來。由於這些MOSFET均在浮動電壓電勢下工作，每個器件均由具有高壓側驅動功能的柵極驅動器控製。MOSFET可能需要保持更長時間的導電性，因此必須能夠100%及時導電。

 

表1 適用於雙電壓MHEV係統的降壓-升壓轉換器主要功能模塊

 

降壓-升壓級是轉換器的核心，包含兩個采用半橋配置且連接至功率電感的MOSFET器件。這些MOSFET必須由可單獨封裝或聯合封裝至雙驅動器IC中的高壓側和低壓側柵極驅動器控製。或者，可使用小型汽車功率模塊 (APM) （參見下方圖片）實現該級。

 

基於汽車功率模塊的設計

 

安森美半導體的這款集成式功率模塊采用符合AEC要求的小型封裝，具有低熱阻、低內部電阻和更高的EMI性能。該實現中未使用電源斷路電路


；對於個別的相位隔離
，可以使用負載斷路電路。

 

主(zhu)功(gong)率(lv)電(dian)感(gan)存(cun)儲(chu)每(mei)個(ge)轉(zhuan)換(huan)器(qi)相(xiang)位(wei)的(de)能(neng)量(liang)，並(bing)將(jiang)傳(chuan)輸(shu)至(zhi)任(ren)一(yi)電(dian)池(chi)。轉(zhuan)換(huan)器(qi)控(kong)製(zhi)器(qi)負(fu)責(ze)控(kong)製(zhi)兩(liang)個(ge)確(que)定(ding)電(dian)流(liu)方(fang)向(xiang)的(de)主(zhu)開(kai)關(guan)。為(wei)了(le)使(shi)該(gai)級(ji)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)，必(bi)須(xu)準(zhun)確(que)地(di)測(ce)量(liang)電(dian)流(liu)，以(yi)適(shi)當(dang)地(di)調(tiao)整(zheng)主(zhu)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)。最(zui)好(hao)使(shi)用(yong)基(ji)於(yu)分(fen)流(liu)電(dian)阻(zu)的(de)電(dian)流(liu)感(gan)應(ying)放(fang)大(da)器(qi)
，因(yin)為(wei)其(qi)誤(wu)差(cha)極(ji)低(di)。

 

通過使用高精度分流電阻，我們可以測量非常小的差分電壓，通常為幾十或幾百mV，而分流電壓本身可以在0~48 V對地電壓之間變化。這種巨大的差異意味著

，放大器必須放大較小的差分信號，並提供較高的共模電壓抑製比，同時能夠耐受高達80 V的瞬變電壓。因此，必須小心地選擇3個放大器規格：

 

●   共模電壓範圍（越寬越好）
；

●   輸入失調電壓（越小越好）

；

●   共模抑製比（越高越好）。

 

在傳統的運算放大器中，輸入端電壓限製在供電軌電壓±0.6 V的範圍內

，因此大大限製了共模電壓範圍。近年來，專用的電流感應放大器提供了更大的共模電壓範圍，高達80 V。它們還提供高精度
、低至10 µV的失調電壓，能支持準確度高且快速的電流監控係統。

 

使用寬禁帶的轉換器設計

 

隨著汽車應用對尺寸和效率的要求不斷提高，寬禁帶 (WBG) 器件（如安森美半導體的產品）成為標準矽器件的替代品。寬禁帶器件可以提高效率並縮小尺寸，同時降低係統總成本。

 

youyukuanjindaiqijiankeyixianzhujiangdikaiguansunhao
，yincishiyongkuanjindaidejiangyazhuanhuanqikeshixianshubeiyudianxingguigonglvjingtiguandezhuanhuansudu，congerzuidaxiandudijianshaolepinlvfanweineikenengyingxiangAM無線電接收的電磁幹擾。此外，寬禁帶晶體管不存在反向恢複損耗，因此不會在硬開關轉換期間出現大電流尖峰和功率損耗。

 

總結

 

隨著大量新型輕度混合動力汽車的普及
，越來越多的汽車配備了48 V電池子係統
，從而需要使用48 V至12 V轉換器。雖然可以使用許多不同的轉換器拓撲結構，但雙向交錯式同步降壓/升壓轉換器由於其簡單高效性而成為使用最廣泛的結構。

 

該拓撲結構也可以設計為多個交錯式相位，從而能夠在較大的工作範圍內實現高效率。這一點非常重要，因為12 V車(che)輛(liang)負(fu)載(zai)會(hui)隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)推(tui)移(yi)出(chu)現(xian)非(fei)常(chang)大(da)的(de)變(bian)化(hua)，即(ji)使(shi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)需(xu)要(yao)能(neng)夠(gou)在(zai)最(zui)大(da)負(fu)載(zai)條(tiao)件(jian)下(xia)工(gong)作(zuo)

，但(dan)它(ta)卻(que)很(hen)少(shao)長(chang)時(shi)間(jian)保(bao)持(chi)在(zai)此(ci)負(fu)載(zai)條(tiao)件(jian)下(xia)。當(dang)負(fu)載(zai)較(jiao)輕(qing)時(shi)，轉(zhuan)換(huan)器(qi)將(jiang)關(guan)閉(bi)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)交(jiao)錯(cuo)式(shi)相(xiang)位(wei)
，以(yi)降(jiang)低(di)損(sun)耗(hao)
，保(bao)持(chi)高(gao)效(xiao)。

 

作者：John Grabowski，安森美半導體電源方案部門 首席應用和市場工程師

 

 

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