随着电气化进程的加速，高压（HV）至 48V DC - DC 转换技术凭借其显著的经济效益和生活质量提升优势，在众多市场中得到了广泛应用。特别是在电动汽车领域，随着电池电压的不断升高，集成高压至 48V 转换功能的电源模块变得愈发普遍。双向固定比率母线转换器模块在优化这些系统的供电方面发挥着重要作用。
在多个行业的机器电气化进程中，高功率密度的双向 DC - DC 转换器成为应对全新且具有挑战性使用场景的理想解决方案。高效的固定比率 DC - DC 转换器模块能够支持瞬态回收负载，且无需昂贵复杂的液冷系统。
电气化这一趋势正席卷工业、车辆以及航空航天 / 国防设备等各个领域。它不仅具有环保优势，如减少碳排放，还能带来关键的性能提升，例如大扭矩电机可提升电动汽车的加速性能。电气设备和电动汽车通常采用 270V 至 1000V 的高压直流电，以降低电源与负载间母线或线缆的功率损耗，同时实现高水平的机械力转换。
DC - DC 转换器在高压到低压的转换过程中起着关键作用，支持隔离或非隔离、稳压及反向操作，广泛应用于电动汽车、数据中心、通信系统及各类工业设备。这些电源转换器可通过分立式元件或模块化封装实现，本文着重探讨 DC - DC 转换器电源模块。
过去，直流子系统供电网络（PDN）的主导电压为 12V。但在过去约 10 年里，随着负载功率需求的急剧增加以及对安全特低电压（SELV）安全标准的遵循，行业逐渐向 48V（数据中心为 54V）过渡，催生了高压至 48Vdc 转换器。与此同时，业界开始采用以 48V 为中心的 DC - DC 转换器电源模块，这些模块具有易用性、高功率密度、功率可扩展性、轻量化设计以及支持能量回收等优势。
电解电池采用多种快速迭代的化学技术，常作为高压与低压直流电源，适用于移动和手持应用。从铅酸电池到钠离子、石墨烯电池以及现代超级电容器，多数电池可充电，支持再生能量系统，有望实现全球范围内的节能效益。目前，电动汽车常用电池组标称电压为 400VDC 和 800VDC，未来 800V 电池组可能占据主导。轻度混合动力汽车多使用 48VDC 电池，部分厂商选用 12VDC 多电芯电池组。电动汽车涵盖乘用车、工业和农用车辆以及各类休闲载具平台，除续航和充电时间劣势外，电动版本在用户体验方面往往优于内燃机车型。 更高的电压能以较低电流输出相同功率。由于配电功率损耗与电流平方成正比，在高功率应用中，提高配电电压可大幅减少母线和电缆电阻引起的传导损耗。母线和电缆线规由电流承载能力决定，电压提高 4 倍，电流减小 4 倍，对尺寸、重量和成本影响显著。例如，传导 200A 电流时，铜母线横截面积约为 0.0625 平方英寸；传导 800A 电流时，导线横截面积约为 0.3125 平方英寸，相差五倍。因此，48VDC 供电网络的母线和电缆更细、更轻，成本更低。 先进的 48V 电源模块凭借其技术优势，不断解锁新的效率和性能水平。以 Vicor BCM6135 为例，这是一个固定比率隔离式（4242V）母线转换器电源模块系列，集成磁性元件，具备双向转换功能，支持再生电池应用。该系列中的一款模块额定稳态功率为 2.5kW，比率转换 “K 因子” 为 1/16，可将标称 800V 电压转换为 50V。
该模块采用先进的电路拓扑和零电压开关（ZVS）及零电流开关（VCS）技术，峰值效率高达 97.3%，意味着输入功率中仅有 2.7% 转化为热损耗。在峰值功率为 3.1kW 且设备外壳温度保持在 70°C 时，需要适当的热管理来散热。其体积功率密度高达 159kW/L，模块重量为 58g，连续质量功率密度为 43.1W/g。 BCM6135 支持瞬时双向启动和稳态运行，还可用作电容倍增器，将高压母线上的大容量电容按 K 因子的平方缩放到低压母线，节省了低压母线旁路电容或大容量电容的成本、重量和空间。其高开关频率使其具备极快的负载阶跃瞬态性能，可替代辅助电池和超级电容器，在高性能计算和电动汽车等苛刻应用中支持瞬态负载阶跃。此外，该模块具有 520V 至 920V 的宽输入电压范围，能支持广泛的直流电压配电标准。 在 70°C 高温环境下，输出电流为 50A、输出电压为 48V 时，BCM6135 的转换效率通常为 97.3%。这种高压至 48V 电源转换模块适用于持续负载和瞬态脉冲负载应用，根据负载脉冲占空比，有可能采用被动冷却方式。再生电动汽车主动悬挂是典型的双向使用场景，驱动主动悬挂的线性电机仅在遇到颠簸和坑洼时激活，该系统应用适合用峰值功率转换指标建模描述。
过去，12Vdc 因尺寸、重量和成本限制，不足以驱动主动悬挂电机。虽然电动汽车的 800Vdc 主电池可用于为主动悬挂子系统供电，但将其连接到车辆外围会降低安全性。BCM6135 型号保证峰值额定功率为 3.1kW，持续时间为 20ms，占空比 25%，适用于工作电压范围的低端。不过，主动悬挂的设计需考虑路面状况、冷却方法、尺寸、重量和成本等因素，汽车厂商通常倾向于使用被动散热方法。
热容可用于计算模块在瞬态热事件期间的热时间常数，它是热容与热阻的乘积。产品数据手册中的热容值是假设产品内部温度均匀的计算值，虽为简化处理，但能帮助产品设计师在早期快速估算产品温度随时间的变化。当使用散热器对 48V 电源模块进行双面冷却时，热时间常数能更准确地反映实际产品性能。
例如，假设封装顶部和底部均冷却，等效热阻为 0.7°C/W，外壳温度为 35°C，模块热容为 44.5J/K，模块在 30 秒开、30 秒关的持续重复脉冲期间耗散 130W 功率。模拟结果显示，在特定运行条件下，第一个功率脉冲使内部温度升至约 90°C，下一个脉冲升至约 115°C，重复脉冲时内部温度保持在约 115°C 左右。因此，应对模块进行应用测试，以验证初始建模估算的瞬态性能，并正确设计被动对流散热器。
BCM6135 具备双向转换功能，可瞬时切换工作方向，且转换效率不受电流流向影响。在再生主动悬挂应用中，车辆在平坦路面行驶时，800V 电池为电流来源，悬挂驱动电机为 48V 负载；经过坑洼路段时，悬挂系统电机变为发电机，BCM 低侧电压升高，促使母线转换器切换电流方向，无需内部回路控制器干预，800V 电池暂时成为负载进行充电。坑洼路段位移消退后，母线转换器再次降压为悬挂系统电机供电，整个过程无需车载处理器干预。
实验室测试表明，BCM6135 在峰值功率为 4kW（50V 时 80A）、持续 60ms 的情况下，展现出良好的热稳定性。在不同的负载和电压条件下进行测试，如负载从 16A 切换至 80A、占空比为 10%，平均功率为 720W 时，30 分钟测试过程中内部传感器显示稳态温度约为 100°C，远低于允许的结温 125°C；平均功率增加至 1.1kW 时，7.5 分钟测试后传感器测得内部温度为 100°C 且仍在上升，但持续时间远超 20 秒，表明该模块可能满足某些主动悬挂的设计要求。终实验结果显示，在密封外壳工作温度范围内，使用被动冷却散热器时，BCM6135 可支持 1.3kW 的平均功率持续 30 秒。
