在当今社会，电气化浪潮正以前所未有的态势席卷各个领域，从工业设备到电动汽车，再到航空航天与国防设备，无一不受到这一趋势的深刻影响。这一变革不仅带来了显著的环保效益，如大幅减少碳排放，还极大地提升了设备的性能，例如电动汽车凭借大扭矩电机实现了更强劲的加速性能。随着电池电压的不断攀升，集成高压至 48V 转换的电源模块在电动汽车及其他众多应用中变得愈发普遍。本文将深入探讨双向固定比率母线转换器模块如何优化这些系统中的供电，为您全面呈现其在电动汽车供电网络（PDN）中的卓越表现。
随着全社会从化石燃料驱动向电力驱动的转变，高压直流电（HV）在电气设备和电动汽车中得到了广泛应用。通常，这些设备采用 270V 至高达 1000V 的高压直流电，以有效减少电源与负载之间母线或线缆的功率损耗。高压系统还具备实现高水平机械力转换的能力，包括线性位移和旋转位移。
DC - DC 转换器在将高压转换为低压的过程中起着至关重要的作用，它支持隔离或非隔离、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中。这些电源转换器既可以通过分立式元件实现，也可以采用模块化封装形式。本文将重点聚焦于 DC - DC 转换器电源模块。
过去，12V 直流子系统供电网络（PDN）电压占据主导地位。然而，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）安全标准的严格遵循，整个行业开始向 48V（数据中心中为 54V）过渡，从而催生了高压至 48Vdc 转换器。以 48V 为中心的 DC - DC 转换器电源模块应运而生，具有易用性、高功率密度、功率可扩展性和轻量化设计等诸多优势，并且支持能量回收，可将能量回馈至主电源。
先进的 48V 电源模块正凭借其卓越的技术能力，不断解锁新的效率和性能水平。以 Vicor BCM6135 为例，它是一款固定比率隔离式（4242 V）母线转换器电源模块系列，集成了磁性元件，具备双向转换功能，适用于再生电池应用。
该系列中的一款额定稳态功率为 2.5 kW 的模块，其比率转换 “K 因子”（相当于变压器的匝数比）为 1/16，可将标称 800V 的电压转换为 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%，意味着仅有 2.7% 的输入功率转化为热损耗。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（HI）母线上的大容量电容按 K 因子的平方（162 = 256）缩放到低压（LO）母线，节省了低压母线上旁路电容或大容量电容的成本、重量和空间。此外，其高开关频率使其具备极快的负载阶跃瞬态性能（di/dt），达到 8 MA/s，可替代辅助电池和器，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。
该模块具有很宽的输入电压范围（520V 至 920V），能够支持广泛的直流电压配电标准。这一特性在德国汽车工业协会（VDA）的推荐中得到了充分体现，VDA 320《机动车电气和电子元件 - 48V - 要求与测试》（2025 年 1 月 20 日版），也称为 LV 148，由奥迪、宝马、戴姆勒、保时捷和大众等汽车 OEM 共同制定，作为 48VDC 电压范围元件的通用 OEM 标准。该指南建议，电池在 36V 至 52V 之间应支持无限的工作电压范围，在 24V 至 54V 之间应支持有限的工作模式。
薄型（7.3mm）的 BCM6135 模块系列采用覆模和电镀工艺以提升热敏捷性，并通过表面贴装端子或通孔引脚进行屏蔽和互连，其三维互连（3DI）ChiP?封装具有低热阻和高热适应性，包括连接散热器和冷板的共面热接口。
在 70°C 的高温环境中，输出电流为 50 A、输出电压为 48 V 的情况下，BCM6135 的转换效率通常为 97.3%。这种高压至 48V 电源转换模块不仅适用于持续负载应用，还非常适合瞬态脉冲负载应用，并且根据负载的脉冲占空比，有可能使用被动冷却（无需强制风冷或液冷）。
再生电动汽车主动悬挂（可与主动防侧倾控制结合）是一个具有典型瞬态特性的双向使用场景。驱动主动悬挂的线性电机仅在遇到颠簸和坑洼时才被激活。过去，12Vdc 由于尺寸、重量和成本限制，无法满足主动悬挂电机的驱动需求。而电动汽车的 800Vdc 主电池若直接连接到车辆外围，会降低安全性，对事故救援人员构成潜在威胁。
BCM6135 的保证峰值额定功率为 3.1 kW，持续时间为 20 ms，占空比 25%，适用于其工作电压范围的低端（即低线运行；完整持续工作范围为 17 V 至 57.5 V）。为了满足汽车厂商减小尺寸、减轻重量和降低成本的需求，通常倾向于使用被动散热方法（即传导 / 对流散热器，但无风扇强制风冷或循环液冷板）为主动悬挂 DC - DC 转换器子系统散热。
要使设计满足这些约束条件，关键在于验证电源转换器模块能够满足峰值瞬态负载需求，而不会因过热导致模块关闭。BCM6135 的两面均经过电镀处理，理想情况下散热器应同时接触封装的两面。该模块的封装热容为 44.5 J/K，配备有内部温度传感器，结合双面热模型，可估算内部 MOSFET 的 “结” 温。
热容可用于计算模块在瞬态热事件期间的热时间常数，该时间常数是热容与热阻的乘积。产品数据手册中给出的热容值是一个计算值，假设产品在瞬态热事件期间内部（整个模块）始终保持均匀的温度。这虽然是一种简化处理，但能使产品设计师在设计周期的早期快速估算产品温度随时间的变化情况。
通过模拟 BCM6135 的热阻等效电路，我们可以对其内部温度分布进行估算。在实际的实验室测试中，BCM6135 展现出了出色的性能。例如，在峰值功率为 4kW（50V 时 80A），持续 60ms 的测试中，表明该模块在动态负载下具有的热稳定性。在负载以脉冲形式从 16A 切换至 80A，占空比为 10%（900ms 为 16A，100ms 为 80A）的测试中，30 分钟（1800 秒）后内部传感器的 “读取温度” 显示稳态温度约为 100°C，远低于允许的结温 125°C，进一步证明了被动冷却应用的可行性。
终实验结果表明，在密封外壳的工作温度范围内，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。尽管主动悬挂的设计受到路面状况假设和线性电机电磁特性等多种因素的影响，但 BCM6135 无疑是当今主动悬挂、主动防侧倾控制 DC - DC 转换器子系统中不可或缺的母线转换器模块。
