如今激增的功率需求需要 48V 和高功率密度的 DC-DC 转换器模块。随着时间推移，市场上的电动汽车(EV)对电动执行系统的依赖度日益提升，例如线控转向、线控制动和主动悬架。事实上，2024 年上半年超过 40% 的新车配备了线控制动系统，较前一年增长了 20 个百分点。[1]

这些日益普及的子系统都有一个共同特点 —— 本质上属于感性负载，需要快速、大电流的驱动脉冲才能有效运行。因此，现代电动汽车的功率传输网络(PDN)必须同时满足稳态负载需求、高 slew 率电流需求，以及短时、高幅值的峰值需求。

要满足这些要求，功率转换器必须能在微秒级时间内做出响应，同时处理短时超过其连续额定值的功率水平。具体来说，这意味着转换器需具备高电流变化率(di/dt)能力和峰值功率处理能力，且不能以牺牲尺寸、成本或热余量为代价。

然而，传统的 DC-DC 架构在该领域面临挑战。其控制环路带宽、对输出滤波的依赖以及热限制，使其难以适应快速变化的负载条件。为支持下一代电动汽车功能，行业需要重新设计底层功率架构。

功率模块助力新架构落地

除了元器件级别的性能提升，模块化转换器还能带来显著的架构优势，并渗透到整个车辆平台中。通过将磁性元件、控制单元和热接口集成到紧凑封装中，正弦幅度转换器(SAC)模块大幅缩小了功率级的热占板面积。高效的传导路径和最小化的寄生参数，可降低结温，让设计人员能简化或缩小散热器尺寸，同时不影响可靠性。

现代模块化设计可实现高功率密度(通常超过 3kW/L)，减少了对多级转换的需求。设计人员无需通过级联稳压器分配功率，而是可以在负载点直接提供所需的电压和电流，不仅缩短了布线长度，还减小了整体封装尺寸。这种架构简化还支持行业向区域式功率分配的广泛转型 —— 子系统通过短距离、高效的链路获取本地稳压电源，而非从集中式 12V 或 48V 总线取电。

在许多情况下，模块化转换器的快速瞬态响应和峰值处理能力，可完全省去分立的低压电池(图 1)。通过直接从高压牵引电池进行转换，模块即便在启动或恢复场景下，也能为辅助负载供电，无需依赖备用电源或缓冲电容组。这一设计减少了重量、物料清单(BOM)数量和设计验证工作量。

此外，这些优势具备可扩展性。相同的模块化构建块，通过并联单元或调整安装配置，可支持从紧凑型乘用车到重型卡车的各类车型。这类标准化设计能简化采购流程，并提高平台的前瞻性 —— 即便未来功率需求增加或架构演进，底层功率传输系统仍能保持适应性。

传统 DC-DC 转换器的控制环路瓶颈与系统过设计问题

汽车应用中的传统 DC-DC 转换器架构通常采用多级设计，常使用级联降压或升压稳压器，配合输出 LC 滤波和软件控制的开关电路。这些设计依赖闭环反馈系统：通过监测输出电压或电流，相应调整脉冲宽度或开关频率。尽管这类设计能有效调节稳态输出，但控制环路本身会限制转换器的带宽，且在负载需求与转换器响应之间引入不必要的延迟。

挑战 1：瞬态响应能力不足

在支持快速变化的大电流负载时，这种延迟问题尤为突出。为应对较慢的反馈速度、维持电压稳定，输出电感和电容必不可少，但它们会对电流变化率(di/dt)形成物理限制。因此，这类转换器无法快速提供感性负载(如电动助力转向或主动悬架执行器)所需的电流浪涌。这种延迟可能影响对时间敏感的子系统性能，极端情况下还会导致性能不足或系统故障。为解决这一延迟问题，设计中往往需要额外增加电池或超级电容器。

挑战 2：峰值功率受限

另一项根本性限制在于峰值功率与连续功率的关系。在大多数传统设计中，转换器的峰值功率容量实际上等于其连续额定功率。这迫使工程师按照最坏情况的瞬态需求来设计功率级，即便该峰值仅持续数毫秒。结果导致转换器尺寸过大，在其大部分运行周期内，都存在不必要的体积、重量和热管理余量。

挑战 3：双向运行困难

最后，传统架构在双向能量流控制方面常面临困难。要支持再生负载或感性负载，通常需要增加电路复杂度，例如采用双功率路径或全 H 桥结构。这些设计不仅增加成本、占用更多板面积，还会带来控制层面的挑战。

实现快速、灵活功率传输的模块化功率架构

针对瞬态响应、峰值功率处理和双向运行三大挑战，模块化功率架构采用了完全不同的解决思路。这类架构将磁性元件、控制逻辑和热管理集成到紧凑的独立封装中，省去了许多限制传统设计的外部元件和互连结构。

解决方案 1：SAC 模块提升瞬态响应速度

在这一架构中，主要优势体现在物理和电气布局上。通过最小化板级寄生参数并采用更高的开关频率，模块化转换器实现了远超传统设计的瞬态响应。当与 Vicor 正弦幅度转换器(SAC)或其他谐振架构等拓扑结合时，功率模块无需依赖大型输出电容或电感，就能以极高的 slew 率输出电流。

事实上，实验室测试表明，SAC 模块的电流 slew 率可高达 860 万安培 / 秒(图 2)。这种架构有效消除了传统转换器中限制 di/dt 性能的控制环路延迟和输出滤波延迟。

解决方案 2：分离连续功率与峰值功率额定值

重要的是，许多 SAC 转换器设计为可承受短时超过其连续电流额定值的工况。这种峰值性能与连续性能的分离，使得设计人员无需为满足毫秒级瞬态需求而过度设计转换器，只需按额定负载条件进行设计即可。SAC 模块在需要时提供峰值功率，之后恢复到基准运行状态，且不会产生热损耗或可靠性下降的问题。

解决方案 3：原生双向运行能力

SAC 模块具备原生双向运行能力。能量流会根据负载条件自动反转，无需微控制器干预、引脚级信号或模式切换。该架构的固定比率谐振运行特性，意味着 SAC 模块无需明确区分正向和反向电流，只需响应其输入和输出两端的电压差即可。这使得电流在过零点处实现平稳过渡，不存在死区时间或不稳定性。

应用案例：主动悬架与再生负载

主动悬架系统是体现传统功率架构局限性与模块化转换器优势的典型应用场景。

主动悬架系统和再生负载均采用双向运行模式，且兼具感性和动态特性。当车辆遇到颠簸或坑洼时，悬架执行器需要快速注入电流以产生反向力，维持底盘稳定 —— 为保证行驶舒适性和安全性，这种正向能量传输必须在微秒级时间内完成。

图4

当路面干扰被吸收、悬架回弹时，这些执行器又可作为发电机，将能量回传至功率总线(图 3)。这种从供电到吸收电流的即时反转，要求系统具备零延迟的双向运行能力。在传统架构中，要支持这种运行模式，通常需要两条独立的功率路径(降压和升压)，并通过外部微控制器协调切换(图 4)。这类配置不仅复杂、占用空间，还会在过零点处引入延迟和控制风险。

图5

相比之下，基于 SAC 的模块化转换器可即时切换方向，将再生工况作为其架构的原生功能来处理 —— 无需任何固件触发、监控逻辑或分立电路来实现反向能量流。电流只需改变方向，模块就能对称适配，且不会损失性能或可靠性(图 5)。