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一种潜在的解决方案是三有源桥 （TAB） DC-DC 转换器。该拓扑是双有源桥 （DAB） 的扩展，能够管理多种不同的功率流，同时保持高效率。图 1 显示了使用标准双端口 DC-DC 转换器的直流微电网。它仅将一个直流单元连接到一个带有电网的 DC-DC 转换器，而 TAB DC-DC 转换器可以一次将多个能源连接到电网，从而简化了设计和机械集成。

重要的是，TAB 支持双向电源，并且所有端口都通过变压器进行磁耦合。变压器不仅提供所需的电流隔离，还有助于通过每个端口的匝数比调整不同的电压水平。

TAB 拓扑结构正在流行，因为它可以减小储能中使用的大型复杂 DC-DC 转换器的尺寸。它还可以利用零电压开关 （ZVS），这对于在更高频率下运行至关重要。

然而，也有一些缺点：储能端口通常连接到大型电池单元，即使不使用，也不可避免地会产生循环电流。这是由于TAB转换器的结构，会降低能量转换效率。

下一个问题是当一个端口的电源变化影响 TAB 转换器中的另一个端口时。当发生瞬变时，它会在不相关的端口中产生不需要的功率，因为根据公式 12、2 和 3，每个端口功率都是 Ø12 和Ø 13 的函数：

另一个警告是，DC-DC 转换器需要一个电源耦合控制，以消除端口之间的功率相关性。此外，即使不使用，这种方法也会在 ESS 端口内感应出循环电流。这将导致控制的复杂性。

基于氮化镓的 DC-DC 转换器可提高电动汽车功率密度

双向DC-DC转换器也用于电动汽车，其中高功率密度和高效率是不容妥协的。它们用于将高压电池组与引擎盖下的所有其他系统连接，包括牵引逆变器的高压直流母线。

双向 DC-DC 转换器充当能量调节器，不仅将电流从电池传输到电动汽车的其余部分，而且还在再生制动期间将回收的能量中继到电池中。

由于不同类型电池的输出电压可能不稳定，因此需要DC-DC转换器临时储存能量，并将不稳定的电压供应提升到更高和稳定的水平，以满足电动汽车的电力需求。因此，直流母线电压不会受到电池电压变化的影响，从而可以优化电机和逆变器的设计（图2）。

氮化镓 （GaN） 在这些 DC-DC 转换器中起着至关重要的作用，因为它可用于提高系统级别的功率密度和效率。氮化镓功率 FET 将在非常快的开关频率下运行，该频率可以增加到 100 kHz 以上，在某些情况下甚至可以超过 1 MHz。即使在硬开关拓扑中，这也能实现非常低的开关损耗，从而降低系统功率损耗并最大限度地减少热量。

使用 GaN 功率 FET，DC-DC 转换器通常可以使用被动冷却，从而缩小系统的整体成本和面积。GaN 还有助于简化转换器设计和机械集成。因此，DC-DC转换器可以灵活地放置在车辆中，从而减少制造商的工作量。

此外，氮化镓可以将转换器的功率放大到千瓦并提高功率密度，同时提供超过 90% 的典型效率，并且与液冷转换器相比，散热性能有所改善。

在两相配置中，DC-DC转换器的相位可以组合在一起，以最大限度地提高输出功率。还可以在部分负载条件下关闭一相，并在两相之间交错开关频率。通过串联开关两相的输入，DC-DC转换器可用于实现800V架构，而不会超过GaN FET的最大阻断电压。

由于电动汽车和其他系统的空间有限，功率密度是这些双向 DC-DC 转换器最重要的指标之一。另一个要求是高效率。电容器和电感器等无源元件将限制总功率密度。最重要的是，它们经常导致功率损耗。影响系统中无源元件总体积的因素包括：

• 开关频率：通过增加开关频率，无源元件的体积将减少，但开关频率将受到所需效率的限制。

• 滤波电感：小滤波器可能会导致电感器的尺寸减小。然而，需要大型滤波电容器来滤除大电流纹波。

根据图3所示的无源元件和图4中的功率转换效率，我们可以看到，当开关频率高于20 kHz时，无源元件体积几乎不会随着频率的增加而减少。但是，电源转换器的效率会大大降低。因此，您需要密切注意功率密度和效率之间的权衡。

单级48-1-V DC-DC转换器集成磁性元件

通过电路板和 SoC 提供大电流的 DC-DC 转换器也在迅速发展。

在数据中心，单级 DC-DC 转换器作为减少功率转换级数的一种方式越来越受欢迎。例如，美国弗吉尼亚理工大学电力电子系统中心 （CPES） 设计的基于 GaN 的非稳压 DC-DC 转换器可以直接将 48V 总线电压降压至 1 V。通过使用 PCB 绕组电感器集成磁性元件，高效降压转换器将大容量功率输送到负载，同时仔细调节输出电压。3、

人工智能的快速采用正在推动美国对数据中心的需求飙升。据麦肯锡称，为了维持当前的技术进步步伐，到本世纪末，数据中心的电力需求预计将增长到当前容量的近 3 倍。这意味着到 2030 年，数据中心的能源消耗将从目前约占美国总电力需求的 3% 至 4%——转变为估计的 11% 至 12%。

现代数据中心电源架构通常使用 48V 总线，与所取代的 12V 总线相比，该总线能够降低电阻损耗（图 5）。48V 总线通常降压至 12 V，然后进一步降低到 SoC 的核心电压，通常小于 1 V。

传统上，每个电压阶跃都需要一个单独的电源转换器，并且每个阶级都会引入加起来可能超过10%的功率损耗。这些功率损耗表示为需要以一种或另一种方式去除的热量。

通过采用单级高效转换器，例如 CPES 的 48V 至 1V LCC 转换器，数据中心有可能显着降低功率损耗。系统复杂性也可以降低。

最终，对更高功率密度和效率的需求将继续加剧——从电网（或微电网）一直到为从电动汽车到人工智能数据中心等一切提供动力的 SoC 的大门。