為何包覆成型是解決 48V 汽車(chē)電源系統(tǒng)電弧問(wèn)題的關(guān)鍵

電弧對(duì)電氣工程師而言并非新問(wèn)題，但若忽視則可能引發(fā)災(zāi)難性后果。今年早些時(shí)候，一艘從中國(guó)運(yùn)載汽車(chē)至墨西哥的貨輪起火，觀察者認(rèn)為起火原因是車(chē)輛電氣系統(tǒng)故障，這引發(fā)了人們對(duì)電動(dòng)汽車(chē)安全標(biāo)準(zhǔn)的擔(dān)憂。自 20 世紀(jì) 50 年代以來(lái)，汽車(chē)行業(yè)一直依賴 12V 電源系統(tǒng)為車(chē)輛供電；然而隨著技術(shù)進(jìn)步，行業(yè)也必須與時(shí)俱進(jìn)。隨著純電動(dòng)汽車(chē)（EV）和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV）的功率需求不斷增長(zhǎng)，汽車(chē)制造商向 48V 電源系統(tǒng)及高壓電池的轉(zhuǎn)型已不可避免。

圖 1：轉(zhuǎn)換至 48V 母線，可將車(chē)輛總電流消耗從 250A 以上降至 75A 以下，且不影響車(chē)輛的電氣配置。自 1908 年以來(lái)，隨著汽車(chē)電子設(shè)備的不斷增加，汽車(chē)的電流需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。20 世紀(jì) 60 年代，汽車(chē)制造商將電壓從 6V 提升至 12V，使得電流在 60 年來(lái)首次下降。如今，大多數(shù)汽車(chē)制造商仍使用 12V 母線，但為適應(yīng)高功率電子設(shè)備的快速普及，正迅速轉(zhuǎn)向 48V 系統(tǒng)。

然而，這一轉(zhuǎn)變需要深入考慮爬電距離和電氣間隙的安全要求。除了升級(jí)至 48V 母線，汽車(chē)制造商還在轉(zhuǎn)向更高電壓的電池，進(jìn)一步增加了爬電距離與電氣間隙規(guī)范的復(fù)雜性（圖 1）。Market Report Analytics 的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，未來(lái)五年 800V 電池的年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）預(yù)計(jì)將超過(guò) 30%。作為這種新架構(gòu)的引領(lǐng)者，800V 電池的電壓更高，要求大幅增加爬電距離與電氣間隙，給電氣系統(tǒng)的尺寸與間距設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。更高的電源電壓要求增加元件間距，以防止電氣擊穿（電?。?。若爬電距離與電氣間隙設(shè)計(jì)得當(dāng)，車(chē)輛使用壽命可達(dá)約二十年；但若在設(shè)計(jì)階段未妥善考慮電弧問(wèn)題，壽命將大幅縮短。電弧可能導(dǎo)致電氣元件隨時(shí)間退化，進(jìn)而引發(fā)安全隱患。

在爬電距離與電氣間隙要求方面，汽車(chē)制造商目前面臨兩個(gè)必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題：

48V 系統(tǒng)帶來(lái)的新爬電距離與電氣間隙考量

與傳統(tǒng) 12V 架構(gòu)相比，48V 架構(gòu)帶來(lái)的更高風(fēng)險(xiǎn)

在 48V 供電網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)考慮哪些要素，才能確保正確的爬電距離與電氣間隙？

爬電距離與電氣間隙要求是汽車(chē)應(yīng)用中必須考慮的關(guān)鍵安全措施。這些要求可防止電流穿越空氣間隙（即電弧）導(dǎo)致的意外后果。電弧效應(yīng)可能損毀車(chē)輛中的元件，若損壞嚴(yán)重，可能導(dǎo)致車(chē)輛功能喪失。在采用傳統(tǒng) 12V 電源系統(tǒng)的車(chē)輛中，電弧問(wèn)題通過(guò)適度但精準(zhǔn)測(cè)算的元件規(guī)則予以控制；但隨著純電動(dòng)汽車(chē)及插電式混合動(dòng)力汽車(chē)開(kāi)始向 48V 架構(gòu)轉(zhuǎn)型，所有類(lèi)型的動(dòng)力系統(tǒng)均面臨這一挑戰(zhàn)。為了確保安全，必須對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)增加導(dǎo)體間距來(lái)降低電弧風(fēng)險(xiǎn)。

為何 48V 架構(gòu)在爬電距離與電氣間隙設(shè)計(jì)方面風(fēng)險(xiǎn)更高？

由于電壓提高，48V 架構(gòu)為設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。電壓升高增加了產(chǎn)生電弧的可能性。IPC-2221 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，從 12V 架構(gòu)過(guò)渡到 48V架構(gòu)，需要將爬電距離與電氣間隙增加 60% 以上。

圖 2：爬電距離與電氣間隙要求是旨在降低電弧風(fēng)險(xiǎn)的國(guó)際通用安全措施。要確保安全性和功能性，必須滿足這些要求。間距不足可能導(dǎo)致過(guò)熱，直接損壞或危及供電網(wǎng)絡(luò)。更高的電壓要求將元件之間的間距增加高達(dá) 60%。這種額外的間距會(huì)占用更多的電路板空間，從而增大整個(gè)電源系統(tǒng)的尺寸設(shè)計(jì)，這對(duì)于大多數(shù)預(yù)定義尺寸的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是個(gè)問(wèn)題。

遵循正確的爬電距離與電氣間隙標(biāo)準(zhǔn)可確保安全

2024 年，美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局（NHTSA）報(bào)告稱，有 630 萬(wàn)輛汽車(chē)因電氣系統(tǒng)問(wèn)題被召回，占召回車(chē)輛總數(shù)的 33%，凸顯了與元件相關(guān)的安全問(wèn)題的重要性。其中許多問(wèn)題可能源于電弧，給汽車(chē)制造商造成了嚴(yán)重的電源系統(tǒng)問(wèn)題。隨著 48V 架構(gòu)中采用 800V 電池包，電弧的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。

傳統(tǒng)上，在設(shè)計(jì)階段處理這一要求時(shí)，工程師會(huì)在整個(gè)印刷電路板（PCB）上的導(dǎo)體之間留出足夠的間距。電壓范圍、材料特性和預(yù)期應(yīng)用決定了標(biāo)準(zhǔn)的制定方式。為確保符合這些安全標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行周密計(jì)算以正確布置導(dǎo)電部件的間距。電壓越高，所需的間距越大。

雖然分立式元件方案可以滿足這些要求，但其現(xiàn)成元件通常會(huì)占用較大空間，類(lèi)似于傳統(tǒng)的金屬外殼電源。這些更大的元件會(huì)導(dǎo)致供電網(wǎng)絡(luò)的尺寸增加達(dá) 60%（圖 2），這給汽車(chē)制造商帶來(lái)了設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，需要在相同的尺寸內(nèi)留出更大的間距。若不進(jìn)行設(shè)計(jì)權(quán)衡或方法創(chuàng)新，這幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。

這是包覆成型封裝幾乎消除電弧問(wèn)題，同時(shí)改善熱性能

要解決高壓電弧的挑戰(zhàn)，同時(shí)兼顧尺寸與空間限制，是許多分立式元件難以勝任的。在這方面，一種被稱為“灌封”的傳統(tǒng)封裝工藝可以提供幫助。灌封封裝將元件封裝起來(lái)以保護(hù)其免受外部因素影響。然而，灌封會(huì)限制散熱，導(dǎo)致元件溫度升高，加速材料老化，進(jìn)而導(dǎo)致元件故障和壽命縮短。

消除導(dǎo)致電弧的氣隙的一種更高效方法是采用專(zhuān)有的包覆成型工藝。憑借 Vicor 的創(chuàng)新封裝，包覆成型工藝可消除電弧風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更佳散熱。它還能減小尺寸，實(shí)現(xiàn)高密度電源。包覆成型化合物在產(chǎn)品內(nèi)部形成固體絕緣，降低了爬電距離和電氣間隙要求。完全密封的設(shè)計(jì)不僅能防止污染物進(jìn)入并引發(fā)電弧，還能縮減尺寸，從而為在車(chē)輛底盤(pán)內(nèi)部署元件騰出更多空間。

圖 3：Vicor ChiP 封裝采用專(zhuān)有的包覆成型（灰色中間層）來(lái)完全封裝元件。因此，這些模塊完全沒(méi)有電弧風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)可提高效率，改進(jìn)散熱，能更有效地冷卻元件。

使用高密度電源模塊解決空間限制問(wèn)題

從 12V 電源系統(tǒng)過(guò)渡到 48V 電源系統(tǒng)，再加上 400/800V 電池的廣泛采用，這一復(fù)雜情況給設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)了更多難題，要求在純電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)應(yīng)用的 PCB 系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中格外謹(jǐn)慎。汽車(chē)架構(gòu)的這種演進(jìn)給汽車(chē)制造商帶來(lái)了挑戰(zhàn)，需要他們?cè)谙嗤目臻g內(nèi)增大元件之間的間距。從更大的電池包到各種動(dòng)力系統(tǒng)組件，汽車(chē)制造商必須尋找高效的解決方案，適應(yīng)車(chē)輛框架內(nèi)的空間限制。

隨著純電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)快速采用配備高壓電池的 48V 架構(gòu)，汽車(chē)制造商必須高效率并使用符合安規(guī)的方法進(jìn)行高低壓的轉(zhuǎn)換。彌合這些電壓差需要更大的元件間距。而這正是許多分立式模塊供應(yīng)商面臨困境的地方。分立式系統(tǒng)難以提供滿足這些安全要求的高功率密度轉(zhuǎn)換。對(duì)于分立式解決方案來(lái)說(shuō)，要遵循適當(dāng)?shù)拈g距標(biāo)準(zhǔn)，必須增加尺寸。

而這種車(chē)輛封裝空間的增加正是汽車(chē)制造商極力想要避免的。

圖 4：Vicor 解決方案能夠高效地滿足爬電距離與電氣間隙要求，因此可帶來(lái)重要的連帶優(yōu)勢(shì)。借助 Vicor 產(chǎn)品，行業(yè)可以從笨重、包含數(shù)百個(gè)元件的金屬外殼電源，轉(zhuǎn)向更小、更輕、更高效的封裝。更小的電源模塊使得 DC-DC 轉(zhuǎn)換器、車(chē)載充電器與逆變器可以整合安裝在一個(gè)小型箱體中。

Vicor 創(chuàng)新的高密度電源模塊緊湊而輕便，為解決空間問(wèn)題提供了更大的靈活性，特別是對(duì)于 400/800V 電池應(yīng)用（圖 3）。通過(guò)將 DC-DC 轉(zhuǎn)換器重量最多減輕 50%，封裝體積減小 60%，Vicor 的電源模塊可釋放空間，降低系統(tǒng)質(zhì)量并提高設(shè)計(jì)效率。Vicor BCM6135 比典型母線轉(zhuǎn)換器的封裝尺寸小 80%，可為汽車(chē)應(yīng)用帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)。它提供 20.8kW/L 的領(lǐng)先功率密度和設(shè)計(jì)靈活性，以滿足苛刻的爬電距離與電氣間隙標(biāo)準(zhǔn)。BCM6135 的峰值效率高達(dá) 98%，輸入電壓范圍為 270V 至 920V，輸出電壓范圍為 16.9 至 57.5V，能非常有效地將高壓轉(zhuǎn)換為安全特低電壓（48V）。

Vicor 的高性能 BCM 母線轉(zhuǎn)換器、PRM 穩(wěn)壓器和 DCM DC-DC 轉(zhuǎn)換器可幫助汽車(chē)制造商輕松解決爬電距離與電氣間隙挑戰(zhàn)（圖 4）。這些模塊可根據(jù)需要并聯(lián)使用以擴(kuò)展功率。憑借高功率密度和緊湊尺寸，這些模塊可以放置在狹小空間內(nèi)。相比之下，體積更大、效率更低的分立式電源元件則無(wú)法提供同樣的多功能性。

圖 5：BCM、PRM 和 DCM 電源模塊可有效滿足安全要求，同時(shí)提供高效率并最大限度地減少空間占用。

采用包覆成型的電源模塊實(shí)現(xiàn)更安全、更小巧的電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)

汽車(chē)行業(yè)正處于一個(gè)創(chuàng)新的新時(shí)代，需要為 400V 或 800V 電池包等更高電壓應(yīng)用采用全新的設(shè)計(jì)方法（圖 5）。若處理不當(dāng)，電弧將阻礙電源設(shè)計(jì)并成為安全隱患。行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)，是在既定空間內(nèi)，通過(guò)提升電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的性能。傳統(tǒng)的分立式解決方案無(wú)法實(shí)現(xiàn)更高電壓所需的安全間距。因此，必須采用 Vicor 擁有專(zhuān)利的包覆成型電源模塊進(jìn)行創(chuàng)新。Vicor 的電源模塊可幫助輕松化解爬電距離和電氣間隙引發(fā)的挑戰(zhàn)。

借助專(zhuān)有的包覆成型工藝與微型化尺寸，Vicor 的高密度電源模塊正在簡(jiǎn)化應(yīng)對(duì)爬電距離與電氣間隙要求的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。它們還能縮小設(shè)計(jì)尺寸、大范圍地消除對(duì)電弧問(wèn)題的擔(dān)憂，同時(shí)提供高可靠性和高效率。