一種潛在的解決方案是三有源橋 （TAB） DC-DC 轉(zhuǎn)換器。該拓?fù)涫请p有源橋 （DAB） 的擴(kuò)展，能夠管理多種不同的功率流，同時(shí)保持高效率。圖 1 顯示了使用標(biāo)準(zhǔn)雙端口 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的直流微電網(wǎng)。它僅將一個(gè)直流單元連接到一個(gè)帶有電網(wǎng)的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，而 TAB DC-DC 轉(zhuǎn)換器可以一次將多個(gè)能源連接到電網(wǎng)，從而簡化了設(shè)計(jì)和機(jī)械集成。

重要的是，TAB 支持雙向電源，并且所有端口都通過變壓器進(jìn)行磁耦合。變壓器不僅提供所需的電流隔離，還有助于通過每個(gè)端口的匝數(shù)比調(diào)整不同的電壓水平。

TAB 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)正在流行，因?yàn)樗梢詼p小儲能中使用的大型復(fù)雜 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的尺寸。它還可以利用零電壓開關(guān) （ZVS），這對于在更高頻率下運(yùn)行至關(guān)重要。

然而，也有一些缺點(diǎn)：儲能端口通常連接到大型電池單元，即使不使用，也不可避免地會(huì)產(chǎn)生循環(huán)電流。這是由于TAB轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)，會(huì)降低能量轉(zhuǎn)換效率。

下一個(gè)問題是當(dāng)一個(gè)端口的電源變化影響 TAB 轉(zhuǎn)換器中的另一個(gè)端口時(shí)。當(dāng)發(fā)生瞬變時(shí)，它會(huì)在不相關(guān)的端口中產(chǎn)生不需要的功率，因?yàn)楦鶕?jù)公式 12、2 和 3，每個(gè)端口功率都是 ?12 和? 13 的函數(shù)：

另一個(gè)警告是，DC-DC 轉(zhuǎn)換器需要一個(gè)電源耦合控制，以消除端口之間的功率相關(guān)性。此外，即使不使用，這種方法也會(huì)在 ESS 端口內(nèi)感應(yīng)出循環(huán)電流。這將導(dǎo)致控制的復(fù)雜性。

基于氮化鎵的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器可提高電動(dòng)汽車功率密度

雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器也用于電動(dòng)汽車，其中高功率密度和高效率是不容妥協(xié)的。它們用于將高壓電池組與引擎蓋下的所有其他系統(tǒng)連接，包括牽引逆變器的高壓直流母線。

雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器充當(dāng)能量調(diào)節(jié)器，不僅將電流從電池傳輸?shù)诫妱?dòng)汽車的其余部分，而且還在再生制動(dòng)期間將回收的能量中繼到電池中。

由于不同類型電池的輸出電壓可能不穩(wěn)定，因此需要DC-DC轉(zhuǎn)換器臨時(shí)儲存能量，并將不穩(wěn)定的電壓供應(yīng)提升到更高和穩(wěn)定的水平，以滿足電動(dòng)汽車的電力需求。因此，直流母線電壓不會(huì)受到電池電壓變化的影響，從而可以優(yōu)化電機(jī)和逆變器的設(shè)計(jì)（圖2）。

氮化鎵 （GaN） 在這些 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)樗捎糜谔岣呦到y(tǒng)級別的功率密度和效率。氮化鎵功率 FET 將在非?？斓拈_關(guān)頻率下運(yùn)行，該頻率可以增加到 100 kHz 以上，在某些情況下甚至可以超過 1 MHz。即使在硬開關(guān)拓?fù)渲校@也能實(shí)現(xiàn)非常低的開關(guān)損耗，從而降低系統(tǒng)功率損耗并最大限度地減少熱量。

使用 GaN 功率 FET，DC-DC 轉(zhuǎn)換器通常可以使用被動(dòng)冷卻，從而縮小系統(tǒng)的整體成本和面積。GaN 還有助于簡化轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)和機(jī)械集成。因此，DC-DC轉(zhuǎn)換器可以靈活地放置在車輛中，從而減少制造商的工作量。

此外，氮化鎵可以將轉(zhuǎn)換器的功率放大到千瓦并提高功率密度，同時(shí)提供超過 90% 的典型效率，并且與液冷轉(zhuǎn)換器相比，散熱性能有所改善。

在兩相配置中，DC-DC轉(zhuǎn)換器的相位可以組合在一起，以最大限度地提高輸出功率。還可以在部分負(fù)載條件下關(guān)閉一相，并在兩相之間交錯(cuò)開關(guān)頻率。通過串聯(lián)開關(guān)兩相的輸入，DC-DC轉(zhuǎn)換器可用于實(shí)現(xiàn)800V架構(gòu)，而不會(huì)超過GaN FET的最大阻斷電壓。

由于電動(dòng)汽車和其他系統(tǒng)的空間有限，功率密度是這些雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器最重要的指標(biāo)之一。另一個(gè)要求是高效率。電容器和電感器等無源元件將限制總功率密度。最重要的是，它們經(jīng)常導(dǎo)致功率損耗。影響系統(tǒng)中無源元件總體積的因素包括：

• 開關(guān)頻率：通過增加開關(guān)頻率，無源元件的體積將減少，但開關(guān)頻率將受到所需效率的限制。

• 濾波電感：小濾波器可能會(huì)導(dǎo)致電感器的尺寸減小。然而，需要大型濾波電容器來濾除大電流紋波。

根據(jù)圖3所示的無源元件和圖4中的功率轉(zhuǎn)換效率，我們可以看到，當(dāng)開關(guān)頻率高于20 kHz時(shí)，無源元件體積幾乎不會(huì)隨著頻率的增加而減少。但是，電源轉(zhuǎn)換器的效率會(huì)大大降低。因此，您需要密切注意功率密度和效率之間的權(quán)衡。

單級48-1-V DC-DC轉(zhuǎn)換器集成磁性元件

通過電路板和 SoC 提供大電流的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器也在迅速發(fā)展。

在數(shù)據(jù)中心，單級 DC-DC 轉(zhuǎn)換器作為減少功率轉(zhuǎn)換級數(shù)的一種方式越來越受歡迎。例如，美國弗吉尼亞理工大學(xué)電力電子系統(tǒng)中心 （CPES） 設(shè)計(jì)的基于 GaN 的非穩(wěn)壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器可以直接將 48V 總線電壓降壓至 1 V。通過使用 PCB 繞組電感器集成磁性元件，高效降壓轉(zhuǎn)換器將大容量功率輸送到負(fù)載，同時(shí)仔細(xì)調(diào)節(jié)輸出電壓。3、

人工智能的快速采用正在推動(dòng)美國對數(shù)據(jù)中心的需求飆升。據(jù)麥肯錫稱，為了維持當(dāng)前的技術(shù)進(jìn)步步伐，到本世紀(jì)末，數(shù)據(jù)中心的電力需求預(yù)計(jì)將增長到當(dāng)前容量的近 3 倍。這意味著到 2030 年，數(shù)據(jù)中心的能源消耗將從目前約占美國總電力需求的 3% 至 4%——轉(zhuǎn)變?yōu)楣烙?jì)的 11% 至 12%。

現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心電源架構(gòu)通常使用 48V 總線，與所取代的 12V 總線相比，該總線能夠降低電阻損耗（圖 5）。48V 總線通常降壓至 12 V，然后進(jìn)一步降低到 SoC 的核心電壓，通常小于 1 V。

傳統(tǒng)上，每個(gè)電壓階躍都需要一個(gè)單獨(dú)的電源轉(zhuǎn)換器，并且每個(gè)階級都會(huì)引入加起來可能超過10%的功率損耗。這些功率損耗表示為需要以一種或另一種方式去除的熱量。

通過采用單級高效轉(zhuǎn)換器，例如 CPES 的 48V 至 1V LCC 轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)中心有可能顯著降低功率損耗。系統(tǒng)復(fù)雜性也可以降低。

最終，對更高功率密度和效率的需求將繼續(xù)加劇——從電網(wǎng)（或微電網(wǎng)）一直到為從電動(dòng)汽車到人工智能數(shù)據(jù)中心等一切提供動(dòng)力的 SoC 的大門。