电池储能系统(BESS)是推动人类能源消费电气化进程的核心组成部分。与可再生能源配套的电池，能够保障电力的平稳可靠供应。本文将介绍一款模块化 DC-DC 转换器，该转换器可通过传统 3.2V 磷酸铁锂(LFP)电池，为 48V 应用场景提供或吸收电能。

模块化 DC-DC 转换器概述

伍尔特电子产品定义专家艾萨克・阿布埃尔萨德与英飞凌科技应用工程师苏希尔・巴达共同发布了这款面向电池储能系统的模块化 DC-DC 转换器解决方案。

该方案是两家企业合作研发的成果，采用了英飞凌的有源器件与伍尔特的无源元件。

此方案以磷酸铁锂电池为应用对象，电池单体电压区间为 2.6V(放电截止电压)至 4.1V，标称电压为 3.2V。电池单体与从板相连，每块从板均搭载 DC-DC 转换器，可工作于升压或降压模式，输出电压范围为 8V 至 15V。

在升压模式下，电池处于放电状态，电流按图 1 所示电路图中的方向从左向右流动。

图1

将四块该类型从板串联至一块主控板，即可输出 48V 电压。本次演示所用的从板额定功率为 60W(标称输出 12V、5A 直流电流)，凭借其模块化架构，功率可扩展至千瓦级。主控板与从板均搭载微控制器，结合各类传感器实现数字化控制，既能完成电池单体均衡，又能确保系统运行在额定参数范围内。

接下来，本文将深入剖析该方案的设计细节。

交错式 DC-DC 转换器

每块从板上的 DC-DC 转换器均包含两个半桥电路，二者以 180° 相位差运行。两个升压电感分属不同相位，其输出总电流的频率为器件开关频率的两倍。

4 倍升压比意味着电流也会按相同比例放大，在升压输入侧(放电阶段)可产生 23A 至 25A 的电流。交错式设计将负载分配至两个相位，从而降低了单个元件的工作应力。

该设计不仅能减少导通损耗、提升转换效率，还能简化热管理流程。由于两个电感的纹波电流相位相反，可实现相互抵消。

纹波频率的提升，使得在实现同等滤波效果的前提下，可选用体积更小的无源元件。元件工作应力的降低，有助于提升系统可靠性与使用寿命。从板的电路原理图如图 2 所示。

图2

该 DC-DC 转换器工作于连续导通模式(CCM)，上桥臂(HS)与下桥臂(LS)的场效应晶体管(FET)采用非对称配置。

在升压工作模式下，下桥臂场效应晶体管需要更高的占空比，以承载更大的电流。下桥臂采用 5 颗额定电压 30V、导通电阻 0.85mΩ 的 OptiMOS™系列器件，封装形式为源极朝下;上桥臂则采用 6 颗额定电压 40V、导通电阻 1.8mΩ 的 OptiMOS™系列器件，封装形式为传统的漏极朝下。

这种封装布局的优势在于：下桥臂场效应晶体管的大型源极焊盘可直接连接至接地层，而上桥臂场效应晶体管的大型漏极焊盘则连接至输入电压层(即 12V 电压层)，从而实现器件的高效散热。

此外，器件间的开关节点(即相对的上桥臂场效应晶体管源极与下桥臂场效应晶体管漏极)采用短走线连接，缩短了电流环路，降低了寄生电感。这一设计可减小开关过程中的电压尖峰，不仅提升了系统可靠性，还降低了开关损耗。

电池单体均衡

DC-DC 转换器的输出电压范围设定为 8V 至 15V，这一宽电压范围旨在根据各电池单体的状态，实现动态均衡。

主控模块负责监测并控制流经每块从板的功率。图 3 展示了充电模式下(转换器工作于降压模式，电能从 48V 母线流向电池单体)的均衡过程示例。

图3

如图所示，电压为 VBAT1 的电池单体 1 处于欠充状态，其对应的从板输出电压 VOUT1 更高，因此在充电阶段，该从板分配到的功率 POUT1 也最大。根据波形图显示，所有电池单体可在 6 秒内达到一致的充电状态。

传感器与无源元件

多种传感器与无源元件是该设计的核心组成部分，其中关键器件包括：

无铁芯霍尔效应传感器

英飞凌科技的 TLE4971 是一款高精度无铁芯霍尔效应电流传感器，支持交直流电流测量，产品型号覆盖最大 25A 至 120A 的测量量程。该传感器集成了 220µΩ 的采样电阻，可实现超低功率损耗。

其内置的电可擦可编程只读存储器(EEPROM)支持编程配置，模拟输出模式可灵活设置为单端输出、全差分输出或部分差分输出。该器件在全温度范围及整个使用寿命周期内的最大总误差为 3.45%。该传感器同时应用于转换器的低压侧与高压侧。

铝聚合物电容器

伍尔特电子的 WCAP-PSHP 系列铝聚合物电容器用于实现转换器的电压稳定。作为一种固体电介质电容器，其温度稳定性与时间稳定性均优于电解电容器。

大电流电感器

该设计采用了伍尔特的 WE-HCF 系列扁线大电流电感器，该系列电感器经过优化设计，具备低直流损耗与低交流损耗的特性，且采用磁屏蔽结构。

变压器

本次方案选用的伍尔特 WE-BMS 系列变压器专为电池管理系统设计，内置共模扼流圈，可实现电池与微控制器之间的电气隔离。

温度传感器

WSEN-TIDS 是一款硅基数字温度传感器，用于监测印刷电路板(PCB)及电池的实时温度。

测试结果

在从板 60W 额定功率下，无论是升压(放电)模式还是降压(充电)模式，当电池处于标称电压(3.2V)与满充电压(3.6V)状态时，全负载范围内的转换效率均超过 92%。

最高转换效率可达 95% 以上。当电池处于完全放电状态(2.6V)时，转换效率略有下降，尤其是在满载工况下。升压放电模式下的效率曲线如图 4 所示。

图4

从板的印刷电路板采用六层板设计，其中包含独立的接地层与电源层，且两层均覆盖了电路板的大部分区域。

该设计经过优化，可有效避免噪声耦合。在符合 CISPR 22 A 类标准的电磁兼容(EMC)测试中，系统在充放电满载工况下，200kHz 频率点的电磁辐射余量达 10dB，表现优异。

本方案的核心创新点在于，通过在每个电池单体对应的从板上搭载带传感功能的控制器，无需额外的电池管理系统(BMS)即可实现主动式电池均衡。基于这一设计理念，只需选用更高耐压等级的器件，即可将该模块化方案扩展至更高电压的应用场景。

通过提升电池单体的升压比，可减少所需从板的数量。交错式转换器设计提升了系统的可靠性与转换效率。每块从板均配备旁路场效应晶体管，通过数字化控制可实现故障从板的断开，使系统具备固有冗余特性。