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智能化与AI应用 DC-DC变换器 ★ 5.0

一种符合EMI标准且适用于汽车级的48 V至负载点Dickson型混合开关电容DC–DC变换器

An EMI-Compliant and Automotive-Rated 48 V to Point-of-Load Dickson-Based Hybrid Switched-Capacitor DC–DC Converter

作者 Sahana Krishnan · Margaret E. Blackwell · Robert C. N. Pilawa-Podgurski
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年3月
技术分类 智能化与AI应用
技术标签 DC-DC变换器
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 混合开关电容转换器 电磁干扰 汽车电源系统 效率 CISPR 25标准
语言:

中文摘要

随着数据中心供电架构和汽车动力系统向48V配电轨转变,高性能混合开关电容(混合SC)转换器已成为这两个领域颇具吸引力的供电解决方案。然而,由于严格的电磁干扰(EMI)和可靠性要求,汽车电源系统带来了独特的设计挑战。本研究探讨了一种基于狄克逊结构、固有EMI较低的调节型混合SC拓扑,并讨论了采用基于控制的EMI缓解技术,如谐振和超谐振运行,以及扩频调频。研究了这些技术对混合SC转换器效率的影响,以及为达到EMI合规要求的无源滤波器设计。所提出的滤波器和调制方案使该转换器能够满足CISPR 25汽车EMI标准。搭建并测试了一个150W的硬件原型,以证明混合SC拓扑在48V汽车系统中应用的优势。该转换器在48V转5V运行时实现了97.1%的峰值效率,并满足CISPR 25 5类EMI法规限制。

English Abstract

With the move to a 48 V distribution rail in data center power delivery architectures and automotive powertrains, high performance hybrid switched-capacitor (hybrid SC) converters have become an attractive power delivery solution in both spaces. However, automotive power systems present unique design challenges due to strict electromagnetic interference (EMI) and reliability requirements. This work investigates a regulating, Dickson-based hybrid SC topology with low inherent EMI, and discusses the incorporation of control-based EMI mitigation techniques such as resonant and above resonant operation, as well as spread-spectrum frequency modulation. The impact of such techniques on efficiency in hybrid SC converters is explored, as well as passive filter designs to achieve EMI compliance. The proposed filter and modulation schemes enable this converter to meet the CISPR 25, automotive EMI standard. A 150 W hardware prototype is built and tested to demonstrate the merit of hybrid SC topologies for use in 48 V automotive systems. The converter achieves a peak efficiency of 97.1% for 48 V-to-5 V operation and meets CISPR 25, Class 5 EMI regulation limits.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于Dickson拓扑的混合开关电容DC-DC转换技术具有重要的战略价值。随着光伏储能系统和新能源汽车充电设施向48V配电架构演进,该技术为我们的产品升级提供了新的技术路径。

该转换器实现97.1%的峰值效率,这对阳光电源的储能系统和车载DC-DC产品线尤为关键。在储能系统中,48V到负载点的高效转换可显著降低系统损耗,提升整体能量利用率。特别是在大规模储能电站中,即使1-2%的效率提升也能带来可观的经济效益。对于我们正在拓展的新能源汽车业务,该技术满足CISPR 25 Class 5标准的EMI性能表现尤为重要,这是车规级产品的准入门槛。

技术层面,论文提出的谐振操作、超谐振运行和扩频调制等EMI抑制方法,与阳光电源在逆变器领域积累的电磁兼容技术存在协同效应。混合开关电容拓扑固有的低EMI特性,可简化我们产品的滤波器设计,降低成本和体积。这对于空间受限的车载应用和高密度储能柜设计具有实际意义。

然而,该技术的工业化应用仍面临挑战。150W的功率等级对于我们的主流产品偏小,需要评估向千瓦级扩展的可行性。此外,开关电容拓扑对电容器的可靠性要求较高,在户外光储系统的宽温度范围和长寿命要求下需要深入验证。建议我们的研发团队关注该技术在48V光伏优化器、储能BMS辅助电源以及充电桩模块等场景的应用潜力,并开展功率扩展和长期可靠性的预研工作。