48V-12V DC-DC 轉換器白皮書

自從1898年汽車首次採用電氣照明以來，市場對於汽車電氣特性和功能的需求日益增長。隨著12V系統的局限性逐漸凸顯，汽車行業正逐步轉向48V系統。這一轉變不僅是為了提供更大的電力容量，縮小電線和連接器的尺寸，也是為了支持更多先進的電氣功能，並有效降低能耗。

        在當前的輕度混合動力汽車（MHEV）中，通常會配備兩塊電池：一塊48V電池和一塊傳統12V電池。其中，48V-12V DC-DC轉換器起到了關鍵作用，它將這兩塊電池連接起來，確保電力系統的高效運行。48V電池主要用於支持車輛的高性能需求和節能特性，而12V電池則繼續負責為諸如信息娛樂系統、發動機控制系統和安全模塊等較低功率的設備供電。這種設計既保證了系統的兼容性，又促進了新技術的應用和發展。

        解決方案概覽

        功率級

        在此應用中，普遍採用的功率級拓撲結構是非隔離同步降壓轉換器。同步開關也便於雙向電流流動， 從而實現升壓模式運行。從48V側來看，該配置可用作同步降壓轉換器；而從12V側來看，其功能則轉變為同步升壓轉換器。

        在12V-48V車載系統中，電池連接到DC-DC轉換器輸出端，這有助於降低輸出電壓紋波。為了進一步減小升壓模式下的輸出電壓紋波，在48V側設置了一個L-C濾波器。另一種降低輸出電壓紋波的方法是將功率分散到更多交錯相位上。需要注意的是，對於降壓模式和升壓模式，L-C濾波器都可能影響轉換器的穩定性。此外，還需要考慮到電感器的飽和電流必須超過平均直流電流，而電容器在設計中也需滿足相應的紋波電流要求。

        雙向功能對輸入和輸出電容器的選擇有著重要影響。為了實現雙向工作， 功率級內部的電容器會動態地轉換功能。選擇輸出電容容量需要在減少輸出電壓紋波、過沖和系統成本之間進行權衡。過多的輸出電容量也會反過來影響瞬態響應時間。

        多相轉換器

        考慮採用多達 6 個交錯（並聯） 功率級（相位） 的多相 DC-DC 雙向轉換器。多相轉換器是大功率應用的合理選擇， 與單相轉換器相比， 多相轉換器具有輸出紋波更低、 可使用更小的電容器、 瞬態響應更快等優點。其他優勢還包括電感器尺寸更小， PCB 上的功率耗散得到改善。

        功率級內部的MOSFET必須能承受高電流， 並對整個系統的效率產生顯著影響。導通損耗和開關損耗共同構成了電晶體上的功率耗散。需要考慮的主要參數包括導通電阻R_DS(ON)、 柵極電荷以及寄生元件等， 它們能在導通損耗和開關損耗之間取得
平衡。

        安森美用於低壓和中壓 MOSFET 的新型 T10 技術是理想的選擇， 該技術採用屏蔽柵極溝道設計， 具有超低 QG 和R_DS(ON) < 1m 的特性。

        T10技術通過其行業領先的軟恢復體二極體（Qrr, Trr） 減少了振鈴、 過沖和噪聲， 實現了性能與恢復特性之間的完美平衡。

        48V 系統中的元器件冗餘

48V 電力網絡的元件冗餘對於確保電力系統的可靠性和彈性至關重要。在單個元件發生故障時， 冗餘元件可作為備份，防止整個系統中斷。這對於控制制動、 轉向和安全氣囊等關鍵安全系統尤為重要。車載環境帶來了各種挑戰， 包括振動、 溫度波動、 潛在的元件故障和短路風險。

        冗餘有助於提高車輛電氣結構的整體穩健性， 確保在部件故障、 意外損壞的情況下實現連續和不間斷的功能， 並降低與電氣短路相關的風險。

        轉向 48V 架構能夠加速採用 ADAS 和更高級別的自動駕駛功能， 例如線控轉向和線控制動， 在這些功能中， 對冗餘、容錯和可靠性的要求至關重要。與 12V 系統相比， 48V 系統對這些高峰值負載設備的冗餘驅動變得更輕便、 更具成本效益。

        帶有冗餘開關的48V 冗餘電力總線可防止故障從一條電力總線傳播到另一條總線。這可確保在系統的某個部分發生故障時， 關鍵功能可無縫轉移到未受影響的通路上。

        用於 48V 和 MHEV 應用的集成式汽車電源模塊（APM）

安森美提供了多種封裝形式的汽車MOSFET模塊系列， 專為 48V 系統、 MHEV 和低壓牽引系統中的電源應用而設計。

        APM21 模塊的發布進一步豐富了安森美適用於汽車應用的高性能、 高可靠性壓鑄模（transfer-molded） 模塊產品線。

        APM系列提升了高度集成的緊湊型設計， 具有低雜散電感和更好的抗電磁干擾（EMI） 表現。高效的電流處理消除了PCB 中大電流通路的必要性。

        用於 48V 和 MHEV 應用的集成式汽車電源模塊（APM）

        APM12 是一款成熟可靠的 80V 單相逆變器模塊（NXV08A170DB2） ， 具有電流檢測、 溫度檢測及緩衝電路功能。通過將n個APM12模塊堆疊使用， 可以轉換成n相電機逆變器。

        APM17 - 用作電池和負載開關的背對背 MOSFET 模塊

        NXV08B800DT1 是汽車用雙通道背對背 MOSFET 功率模塊，80V， 0.58mΩ， 採用共源極連接。可在 48V MHEV 應用中作為電池或負載開關出色地工作。

        DC-DC 轉換器內的斷路開關

        DC-DC 轉換器的每一側都應具備通過斷路開關（斷路器） 與相應的電源軌斷開連接的能力。最佳解決方案是採用雙背靠背 N-MOSFET 配置， 儘管 48V 側只需要單個 MOSFET。

        12V 電池側

        用戶通常可以直接接觸到車輛中的 12V 電池， 這就對系統提出了嚴格的要求， 需要在用戶誤接電池正負極時提供反向極性保護。因此， 在斷路開關中採用背對背 MOSFET 配置， 是為了在電池極性接反的情況下保護轉換器不受損害。當系統關閉時， DC-DC 轉換器必須從兩個電源軌上斷開連接， 以防止在非工作時段產生電流消耗。

        MOSFET：低壓和中壓
安森美提供了廣泛適用於 DC-DC 轉換器、 電機控制及其它 48V 汽車應用的低壓（LV） 和中壓（MV） MOSFET 產品。

        T10 屏蔽柵極溝槽技術

        新型 T10 屏蔽柵極溝槽技術主要針對 DC-DC 轉換應用（T10S 型號） 及電機控制、 負載開關（T10M 型號） 領域。該技術旨在優化效率， 降低輸出電容及關鍵性能指標， 同時實現更低的導通電阻 R_DS(ON)和柵極電荷 QG。其中， 出色的 40V溝 槽 技 術 產 品 NVMFWS0D4N04XM ， R_DS(ON)可 低 至 0.42mΩ ， 采 用 小 巧 的 5x6 封 裝 。而 對 於 80V 的 選 項NVBLS0D8N08X， R_DS(ON)則可低至 0.79mΩ 。

        T10 MOSFET 技術：中壓 80V 和 低壓 40V

        新型 T10(S) 屏蔽柵極溝槽設計適用於 DC-DC 轉換（開關應用），旨在優化效率、低輸出電容和 FOM 係數。與傳統的 T8 溝槽柵極技術相比， T10 實現了：

• 更低的 R_DS(ON)和柵極電荷 QG， R_DS(ON)< 1mΩ， QG <10 nC。

• 更低的 Rsp（R_DS(ON)vs 面積）

• 改進了 FOM（R_dsx Q_oss/QG/Q_gd），提高了性能和整體效率。

• 業界領先的軟恢復體二極體（Qrr、 Trr），減少了振鈴、過沖和噪聲。