作者：宜普电源转换公司首席执行官兼联合创始人Alex Lidow博士；应用工程副总裁Michael de Rooij博士
 
在过去的30年里，汽车电子产品经历了几个时代的演变。第一阶段是纯内燃机（ICE），主要具有机械或发动机驱动系统，如动力转向和空调。第二阶段——轻度混合动力（MHEV），增加了电动动力；首先是以启动-停止功能的形式，然后是快速增加电驱动，以提高电/汽油能量比，从而提高燃油效率。
在轻度混合动力的第二个时代，许多机械驱动的功能被迫转换为电动，以便在ICE停止时继续工作，以在启停功能期间节省燃料。此外，汽车还配备了越来越强大的信息娱乐系统、巡航控制、悬架改进和安全功能，所有这些都需要增加电力。
在第三个时代，全电池电动汽车（BEV）占据了中心舞台。除了提供所有运动动能的牵引驱动外，所有功能现在都必须由电力持续供电。
在这三个时代中的每一个时代，架构，甚至用于转换和分配电力的基本半导体组件都发生了变化。本文讨论了这种进化，并对可能的进一步进化方向进行了一些推测。
 
第一阶段：内燃机
从配电的角度来看，过去要简单得多。
从20世纪90年代到2000年代，内燃机消耗的连续电力不到1 kW，启动车辆需要大约12 kW [1]。蓄电池和启动电机之间的直接连接提供启动车辆所需的瞬时功率。此外，皮带安装的交流发电机用于为电子点火、发动机管理系统、音频系统和电动车窗等负载提供连续电力。
 
第二阶段：轻度混合动力电动汽车（MHEV）
从20世纪90年代末开始，配备电动机的汽车开始接触消费者，电动机可以启动发动机，也可以将汽车向前移动一小段距离，直到ICE发动机接管为止。在某些情况下，电动机只用于启动车辆停止时关闭的发动机，但在本田Insight和丰田普锐斯等情况下，电机实际上可以增加ICE提供的功率。随着技术的发展，越来越多的让汽车移动的动能可以由电动机传递，既提高了系统的整体动力传递，又提高了车辆的燃油经济性。汽车的电力需求大幅增长了十倍，从简单的启停系统的3 kW增长到更先进的插电式混合动力汽车的30 kW [2]。
12 V电池再也不能用来提供简单的瞬时升压来启动发动机了，现在必须提供更大的稳压电源。最初，起动机-交流发电机的尺寸和性能增加，再加上更大的铅酸电池，足以处理额外的负载。随着要求从3 kW增加到轻度混合动力驱动所需的10 kW，燃油经济性得到了更大的提高，分布在整个车辆上的负载电流攀升。必须为更多的功能提供动力，不仅包括电动驱动，还包括空调、燃油和水泵、动力转向和信息娱乐系统。
当功率为3 kW时，12 V电线束必须能够处理250 A的电流。当功率为10 kW时，这一要求跃升至830 A。能够处理如此大电流的电线束既昂贵又沉重，而且很难在整个车辆中布线。这些增加的电力负载需求是转换到48 V作为将电力分配给混合动力车辆中较大负载的电压的主要动机。
48 V配电系统是一个合理的选择，因为峰值电压可以控制在60 V安全限值以下，并且在可用的电池电压范围内，但48 V的标称电压将使线束中使用的电线直径减少到12 V系统的1/4。
然而，电气架构变得更加复杂。大多数汽车配件都使用12 V，因此从12 V快速过渡到48 V是不可能的。相反，双系统需要投入使用，直到所有或大多数电气负载发展到更高的电压。当然，更大的负载，如牵引驱动，可能还有空调和动力转向，从更高电压的线束中获得了最大的好处，并且已经或即将过渡。
图1显示了一个典型的12 V–48 V双系统。在12 V和48 V系统之间增加了一个DC-DC转换器。该DC-DC转换器需要是双向的，并且能够将12 V转换为48 V，或者将48 V转换为12 V。此外，转换器必须能够提供车辆所需的最大负载。
 

图1：轻度混合动力车中的典型双总线电气系统增加了双向DC-DC转换器，以允许电力在需要时在两个电压之间流动。
 
图2显示了一个用于生产中的汽车应用的DC-DC转换器，图3显示了没有外壳和散热器的2 kW系统（EPC9163演示系统[3]）。这两个例子都使用氮化镓（GaN）晶体管，而不是不那么吸引人硅基功率MOSFET，因为GaN的尺寸较小，转换效率较高，成本较低。EPC9163可以并联提供高达10 kW的功率。
 

图2：Brightloop [4]制造的1.7 kW汽车双向GaN基DC-DC转换器。
 

图3：EPC9163演示系统是一个2 kW双向DC-DC转换器，采用EPC2218 GaN晶体管。
 
为什么选择GaN？
由于其优异的性能和较低的成本，GaN晶体管在48 V范围内的新应用中迅速取代了硅MOSFET。图4是基准硅MOSFET和前面提到的EPC9163中使用的GaN器件之间的比较。注意，开关电荷Q_GD比等效MOSFET低一个数量级。这种较低的电荷使DC-DC转换器能够在高得多的频率下工作，在这种情况下为500 kHz，而基于MOSFET的转换器的最大频率为125 kHz。更高的频率意味着更小的电感器、更少的组件和更高的效率。
在图5中，将使用GaN晶体管的4 kW双向48 V–12 V DC-DC转换器与使用Si MOSFET的转换器的相对系统成本估计值进行了比较。除了更小的尺寸和更低的成本外，整个GaN基系统更小，并且浪费的功率少了30%（效率分别为96.5%和94.5%）。在一些系统中，这种效率的差异是需要液体冷却或较便宜的空气冷却方法之间的不同。
 

图4：基准硅MOSFET和EPC9163中使用的GaN器件之间的关键电学和热学特性的比较。
 
 
图5：与硅MOSFET相比，使用GaN晶体管的4 kW双向48 V–12 V DC-DC转换器估计的相对系统成本和转换效率。
 
与硅相比，GaN技术仍处于成熟的早期阶段[5，6]。这种成熟度差距意味着GaN技术将继续以比完全成熟的硅器件更快的速度发展。器件性能和成本每年都在不断提高。此外，GaN器件在其13年的大规模生产中已经证明了其可靠性，并证明了其稳健性远远超出了硅的能力[7]。
 
第三阶段：纯电动汽车（BEV）
随着电池电动汽车的迅速普及，配电面临着新的挑战。电气负载的功率要求与没有电动辅助驱动电机的MHEV中的功率要求相似，但对电加热和电池温度管理有额外要求。纯电动汽车的电气负载在3 kW的范围内[8]。布线成本和功率转换效率要求使纯电动汽车受益于48 V配电系统[9]。一个额外的要求是电气总线，无论是12 V还是48 V（或两者都是），都需要从与主电池相同的充电系统充电。如今，电动汽车的牵引力驱动装置大多为400 V或800 V。
因此，辅助系统，无论是48 V、12 V还是两者，都需要与高压系统电气隔离，以保持在60 V的安全极限之下。最简单的解决方案是在48 V或12 V的隔离电源上添加800 V/400 V。常见的拓扑是CLLC[10，11]或相移全桥拓扑[12]。转换器的初级侧将使用碳化硅（SiC）晶体管或GaN晶体管。在48 V二次侧（电路中与转换器高压一次侧隔离的部分），基于GaN的功率转换器件是最高效、最小、最具成本效益的。
 
高密度人工智能服务器的经验教训
人工智能最近受到了广泛的关注，因为来自ChatGPT等系统的公开演示正在接近人类的特征和能力。在这些令人难以置信的功能背后，是大量使用图形处理单元（GPU）的高性能服务器，这些服务器非常耗电。
在过去的五年里，电源已经从集中在服务器机架中转变为分布式电源架构，该架构将机架输入端的408 V转换为输出端的48 V。这取代了以前从机架提供给服务器板的12 V标准。然后将48V从机架分配到服务器板上，并在每个耗电GPU附近转换为12V（或更低）。由于配电布线中的损耗较低，这种分布式电源架构更加高效。
汽车配电也可以受益于分布式电源架构。通过将较小的400 V/800 V DC-DC转换器放置在车辆周围的指定区域，可以实现更简单、更高效的布线系统（见图6）。
 
 
图6：分布式电源架构（分区）可以降低线束成本和损耗。
 
未来的简化
随着电池和牵引技术的成熟，将出现许多节省成本、提高效率和性能的机会。一个可能的例子是完全取消了低压电池。这将节省相当大的重量和成本。与笨重的12 V或48 V电池不同，电力负载可以通过主电池系统，由位于负载附近的较小的400 V/800 V–48 V隔离电源直接供电，如图6的区域架构所示。如果设计具有在需要时交叉供电的能力，分布式架构也提供了改进容错性的机会。
 
总结
汽车从ICE到纯电动汽车的发展对汽车电气系统的架构具有重要意义。从12 V到48 V的转变是由MHEV车辆的成本和效率要求推动的，这些车辆的电力负载不断增加。
在BEV中，因为牵引驱动由单独的系统驱动，辅助电气负载小于MHEV。然而，现代BEV中增加的电气负载极大地支持采用48V配电母线。不过，BEV还需要从主电池组（400 V–800 V）到48 V和12 V辅助电压的隔离DC-DC转换。与老化的硅祖先相比，GaN功率器件由于其更小的尺寸、更高的转换效率和更低的成本，在这一转变中发挥着重要作用。
 
参考文献：
 

1. X-Engineer, “Mild Hybrid Electric Vehicle (MHEV) – electrical architecture”, https://x-engineer.org/mild-hybrid-electric-vehicle-mhev-electric-architecture/
2. X-Engineer, “Types of Mild Hybrid Electric Vehicles (MHEV),”  https://x-engineer.org/mild-hybrid-electric-vehicles-mhev-types/
3. EPC9163 Evaluation Board: https://epc-co.com/epc/products/demo-boards/epc9163
4. https://brightloop.fr/en/produits/bb-sp/
5. A.Lidow, M. De Rooij, J. Strydom, D. Reusch, J. Glaser, GaN Transistors for Efficient Power Conversion, Third Edition, Wiley. ISBN 978-1-119-59414-7
6. A. Lidow, Ed. GaN Power Devices and Applications, El Segundo, CA, USA: Power Conversion Publication, 2022
7. R. Garcia, S.Gajare, A. Espinoza, M. Zafrani, A. Pozo, . S. Zhang, “GaN Reliability and Lifetime Projections: Phase 15,” https://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/product-training/Reliability%20Report%20Phase%2015.pdf
8. F. Rifai, R. Knorr, R. Weldle, “Limitations of Power Supply In BEV: Summary and Recommendations,” EEHE International conference, Essen, June 2023
9. Inside EVs, “Tesla Confirms The Switch To 48 Volt System,” https://insideevs.com/news/656775/tesla-switch-48v-voltage-system/
10. L. Wang, W. Luo, D. Huang,  “Research on Automotive Bidirectional CLLC Resonant Converters Based on High-Order Sliding Mode Control,”   Electronics; Basel Vol. 11, Iss. 18,  (2022): 2874
11. A. Dhakar, A. Soni, V. Saini, S. Chandel, “Design of Bi-directional CLLC Resonant Converter with Planar Transformer and Synchronous Rectification for Energy Storage Systems,” IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES), December 2020
12. Texas Instruments TIDA-020031 Automotive 400-V battery to 12-V, 3.6-kW DC/DC converter reference design: https://www.ti.com/tool/TIDA-020031