一文解讀48V-12V DC-DC 轉換器核心技術

自從1898年汽車首次採用電氣照明以來，市場對於汽車電氣特性和功能的需求日益增長。隨著12V系統的局限性逐漸凸顯，汽車產業正逐步轉向48V系統。這一轉變不僅是為了提供更大的電力容量、縮小電線和連接器的尺寸，也是為了支援更多先進的電氣功能，並有效降低能耗。
 

在目前的輕度混合動力車（MHEV）中，通常會配備兩顆電池：一顆48V電池和一顆傳統的12V電池。其中，48V-12V DC-DC轉換器扮演了關鍵角色，它將這兩顆電池連接起來，確保電力系統的高效運行。48V電池主要用於支援車輛的高性能需求和節能特性，而12V電池則繼續負責為例如資訊娛樂系統、引擎控制系統和安全模組等較低功率的設備供電。這種設計既保證了系統的相容性，又促進了新技術的應用與發展。

本文是「48V-12V DC-DC 轉換器」系統解決方案指南的第一部分，將介紹系統目標、市場資訊及展望、系統描述。

系統目標

48V 過去主要應用於內燃機領域，可實現 MHEV 的啟停功能以及其他減排技術，包括電動渦輪增壓器、廢氣再循環 (EGR) 泵和電加熱催化器。

MHEV 在提升燃油效率和減少排放的同時，仍能保持人們熟悉的駕駛體驗。透過結合內燃機（ICE）與電動馬達的動力，MHEV 為實現全面電動化提供了一種切實可行的過渡方案。與高壓 (HV) 系統相比，48V 系統的一個顯著特點是底盤接地48V 系統保留了傳統 12V 系統的簡單性、節省成本和屏蔽優勢，同時將負載電流降低了 4 倍。與 12V 系統相比，由於電壓裕量增加，48V 系統能夠保持更高的功率品質。48V 系統同樣也是先進駕駛輔助系統（ADAS）和更高級別自動駕駛功能的推動因素。電動助力轉向、線控轉向和線控制動（X-by-Wire）是功率消耗較大的配件，線控制動系統同時也需要極高的可靠性和功能安全性，並且具備冗餘設計。

對於像線控轉向這類峰值負載較高的裝置來說，在 48V 系統中實現冗餘驅動相比於 12V 系統能夠使裝置更加輕量化，並且更具經濟效益。

市場資訊及展望

最近，48V 配件開始進入市場，應用於純電動汽車（Battery Electric Vehicle, BEV）中，用於替代現有車輛負載，包括製冷、座艙風扇以及其他不適合採用高壓（High Voltage, HV）的高功率配件。隨著 48V 系統的普及，車輛將混合使用 12V、48V 和高壓（400V/800V，HV）電源網路。48V 電源系統的實用性逐步提高，傳統的 12V 配件將從系統中負載最高的部分開始，逐步遷移到 48V 總線上。傳統的 12V 負載將繼續由 DC-DC 轉換器提供電力，這些 DC-DC 轉換器可以從高壓總線或 48V 電池供電；隨著負載逐漸遷移到 48V，48V 系統將成為主流，而 12V DC-DC 轉換器的尺寸也將隨著時間逐步縮小。

48V 輕度混合動力汽車的實施門檻相對較低，汽車製造商可以利用現有的汽車平台進行改造，並在其新車型中將 48V 輕混系統作為標準配置推出市場，從而滿足全球用戶的大量需求。MHEV 憑藉具成本效益的電動解決方案，成為極具吸引力的用戶選項。

全球 MHEV 市場一直在穩步增長，儘管其增長速度不及純電動汽車（BEV）和插電式混合動力汽車（PHEV）市場。這一趨勢顯示，消費者開始傾向於使用需要電網充電的汽車。儘管如此，MHEV 因其成本較低、無需充電基礎設施且使用方便，仍然在全球電動汽車市場中佔有相當大的份額。

2021 年全球 MHEV 市場價值為 711.9 億美元，預計到 2030 年將達到 3332.7 億美元，2021 年至 2030 年的複合年增長率 (CAGR) 為 18.5%。2023 年的市場價值預計將達到 1003.5 億美元。

亞太地區因車輛銷量最高，尤其是中國，占據了最大的市場份額。預計到2030年，該地區將以更快的速度增長。許多汽車廠商持續在亞太市場投資，以滿足對混合動力車的強勁需求。
 

來源：EV-Volumes：2022 年全球電動汽車銷量，Mordor Intelligence：油電混合動力汽車市場規模和份額分析，Coherent Market Insights：油電混合動力汽車市場分析

系統描述

DC-DC 轉換器

MHEV 48 V 系統的主要電子單元包括一個三相逆變器，用於操作啟動機/發電機，為 48 V 電池充電；以及 DC-DC 轉換器，用於將 12 V 和 48 V 電源網路結合在一起。

DC-DC 轉換器可以設計為單向或雙向，其中單向功能（降壓）是必須的。本《系統解決方案指南》假設雙向轉換器為設計目標。功率級別從 1 kW 到 3 kW 不等，降壓模式通常為 3 kW，而升壓模式通常僅為 1 kW。

• 非隔離雙向同步升降壓是最常見的拓撲結構。雙有源橋、CLLC 等隔離拓撲也是可行的，但由於設計的複雜性以及較低的電壓等級需求，並未被廣泛採用。隔離拓撲結構在高壓到低壓的轉換中非常普遍，在這種情況下，必須隔離電路中的高壓和低壓部分。

• DC-DC 轉換器專為 12V 和 48V 標稱電池電壓而設計，但必須能夠在標稱電壓之外運行，因為電壓水平會因電池充電狀態和其他因素而變化，因此需要為高於或低於標稱電壓的工作電壓留出空間。

• 為了達到最佳性能，48V 電池需要低串聯電阻和平穩的放電曲線。電池電壓不應隨著電池充電電量發生大幅變化。適合的技術有鋰離子電池（Li-Ion）或鋰聚合物電池（LiPol）。

• 傳統的 12V 鉛酸電池（Pb）也因其在低溫下性能更佳、自放電更低以及整體容量成本比等電氣優勢而被保留在 MHEV 中。

MHEV 中的啟動-發電機

現在，啟動馬達和發電機被整合到一個裝置中，即整合式啟動發電機（ISG）或皮帶式啟動發電機（BSG）。BSG/ISG 裝置可以實現啟停功能、滑行或制動時的能量回收、內燃機運行時產生電能，還可以根據系統情況實現電力驅動或增壓。

• 在能量回收或發電模式下，BSG/ISG 可以作為發電機運行，為 48V 電池組充電。BSG/ISG 的主要差異在於其物理位置、與引擎的連接方式以及在車輛內的整合方式。這些位置被標記為 P0 至 P4。不同的啟動發電機整合方案（P0 - P4）為系統提供了不同程度的能力和設計挑戰。

• BSG 通常安裝在引擎外部，並透過皮帶驅動系統連接（P0），適合對現有車輛進行改裝。然而，與 ISG 相比，其效率較低。

• ISG 結構緊湊，與引擎和傳動系統的整合更加緊密（P1-P4），因此提供更快的反應時間和更高的效率。

DC-DC 轉換器中的 MCU 和感測系統

DC-DC 轉換器的輸入和輸出電壓取決於電池及其充電狀態。在此應用中，由於電壓由電池提供，MCU 監控輸入和輸出電壓，而不是進行調節。無論電池電壓如何變化，DC-DC 轉換器都必須能夠在當前工作範圍內傳輸功率。

• MCU 可以根據電流和電壓的回饋動態調整 PWM 的占空比和開關頻率。這對於保持穩定的輸出電壓、補償功率傳輸的變化、減少損耗以及確保最佳的轉換效率至關重要。電流檢測對於控制功率流、防止過電流以及保持在安全運行範圍內至關重要。

• 通常採用數位隔離器來保護 MCU，避免因不同接地基準帶來的潛在問題影響，並限制噪聲從功率級傳播到控制級。隔離柵極驅動器、MCU 和功率級有助於管理噪聲和電壓尖峰的傳播。不建議在 DC-DC 轉換器中使用光耦合器，因為光耦合器在暴露於較高溫度時，其關鍵參數會隨使用壽命而退化和漂移。（有必要對漂移進行補償）

• MCU 通過車載 CAN 總線與電池管理系統（BMS）通信，以便調整電池充電狀態。MCU 必須能夠斷開轉換器，確保在車輛熄火時不消耗能量，並根據 48V 和 12V 電池的充電狀態以正確的模式喚醒。

大型 MHEV 車輛中的 24V 系統
 

48V 輕度混合動力的吸引力不僅限於乘用車，由於共同致力於減少排放，它對商用車和農用車（CAV）也具有重要意義。

輕度混合動力公車在歐洲越來越受歡迎，我們可以看到它們被城市採用，並在公共交通中取代柴油公車。

• 在卡車、公車和軍用車輛等大型車輛中，車輛的長度和電子負載的功耗是將 24V 電壓作為主要電壓網路的首要因素。對更高功率的需求、較長電纜導致的銅材料成本增加以及由此引起的壓降，是使用 24V 取代 12V 的部分原因。

• 與小型乘用車中的應用類似，大型車輛的一個關鍵要求是為較低電壓的 24V 網路供電。乘用型 MHEV 汽車的 DCDC 轉換器拓撲結構可在降壓模式（將 48V 降壓至 24V）和升壓模式（升壓）下運作，也適用於大型車輛，但在選擇元件時必須考慮更高的性能、功耗以及較長電纜的需求。

標準與合規性
 

符合 ISO 26262 這一國際功能安全標準，對於開發道路車輛的電氣和電子系統至關重要。該標準的主要目標是最大限度地減少由車輛系統故障引發的風險，解決軟體故障、感測器錯誤和硬體故障等潛在危險。

針對電動汽車中的 48V 系統、元件及其測試的具體標準已經出現，首個標準是 LV148，該標準後來被德國的 VDA320 取代。現行標準為 ISO 21780:2020，它取代了 VDA320。關於電動汽車安全和測試的其他標準還包括 ISO 6469 和 ISO 21498。

• 48V 網路的元件冗餘對於確保電力系統的可靠性和彈性至關重要。這將是推動48V系統開發和更廣泛採用的因素之一。在單個元件發生故障時，冗餘元件可作為備援，防止整個系統中斷。這對於關鍵安全系統（如控制煞車、轉向和安全氣囊系統）尤為重要。

• 安森美（onsemi）作為一家歷史悠久的領先汽車產品供應商，深知在降低成本的同時還需提升性能與安全性所面臨的挑戰。安森美在 ISO 26262 方面的專業知識與實施經驗，是為客戶提供經濟高效解決方案的關鍵，同時絕不犧牲安全性。

• 透過確定積體電路和其他車用元件的安全需求，公司能夠提供最佳的架構和解決方案。同時專注於重要的故障模式及其預防。