作者：是德科技產品營銷經理Brian Whitaker

預計到 2028 年，全球汽車 DC-DC 轉換器市場規(guī)模將達到187億美元，年復合增長率為10%。

DC-DC 轉換器是汽車的重要組成部分，它可以通過電壓轉換為各種車載系統(tǒng)供電，例如日益復雜的車載信息娛樂系統(tǒng)、使用高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）實現(xiàn)的增強安全功能等。

包括純電動汽車和混合動力汽車（HEV）在內的電動汽車（EV）的日益普及也帶動了整個市場對 DC-DC 轉換器的需求。

下面，本文將介紹一些有助于開發(fā)更高效 DC-DC 轉換器的行業(yè)趨勢和技術。

混合動力汽車和電動汽車有多種架構變化。圖 1和圖2顯示的是這些架構的簡化框圖。大容量電池提供的高壓（HV）總線可驅動強混合動力或并聯(lián)混合動力以及純電動汽車的動力總成系統(tǒng)。

圖 1. 強混合動力/全混合動力汽車的簡化框圖

圖 2. 輕混合動力汽車的簡化框圖

DC-DC 轉換器是這兩種架構中的關鍵零部件，它將較高的總線電壓（輕混合動力汽車為48 V；電動汽車/混合動力汽車為數(shù)百伏）轉換為傳統(tǒng)的12 V電源總線電壓，以便為大多數(shù)電氣負載供電。本文將重點探討這種 DC-DC 轉換器的模擬、設計、調試、驗證和制造測試。

行業(yè)趨勢如何影響電動汽車設計以及電動汽車 DC-DC 轉換器測試

在整個 DC-DC 轉換器開發(fā)周期中，設計和測試環(huán)節(jié)都面臨著極大的降本增效壓力。大多數(shù) DC-DC 轉換器采用基于水冷結構的硅基（Si）功率轉換器設計。在設計和測試過程中需要使用蓄水池、泵和軟管來冷卻 DC-DC 轉換器，這給設計和測試工程師轉嫁了額外的冷卻成本。

因此，為了最大程度地減少液冷模塊的數(shù)量，制造商會將多個電源轉換器應用集成到一個模塊中（如 DC-DC 轉換器和板載充電器等）。 另外，設計師已開始采用基于寬禁帶（WBG）器件的新型功率半導體技術。與硅相比，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）這兩種領先技術具有一些顯著的優(yōu)勢。

功率效率

WBG 器件的開關速度比硅器件快得多，因此能夠最大程度地減少電源轉換過程中的功率損耗（開關損耗）。另外，頻率越高，磁性元器件的尺寸就越小，進一步降低了設計成本。

高壓運行

與硅基器件相比，WBG 器件可在更高的電壓（600 V以上）下工作。這樣，高壓總線架構就能以更少的電流（即小直徑電線）為混動/電動汽車組件供電，減少了線束的重量。

高溫運行

寬禁帶器件的熱傳導性和熔點決定了它能夠在 300°C 以上的高溫運行。這種能力對于要求高溫運行的混動/電動汽車應用來說，是更可靠的解決方案。

仿真寬禁帶器件設計

在功率轉換器設計中，寬禁帶器件的出現(xiàn)讓 DC-DC 轉換器的仿真和設計變得更加復雜。GaN 和 SiC 器件制造商都有良好的工藝把控，因此不會對器件進行大量表征。但是用戶卻需要逐個測試，以確定寬禁帶器件在其設計是否適用。另外，傳統(tǒng)的“集中分析”式仿真器具有快速開關的特性，因而不能對寬禁帶功率轉換器的設計提供精確仿真（參見圖 3）。

功率晶體管在進行開關轉換時，傳統(tǒng)模型/仿真顯示的仿真結果（粗線）與測得結果（暈線）之間存在顯著差別。效果不佳的仿真會導致設計延遲，增加成本，因為設計師需要不斷地重復，以便下一個樣本能夠實現(xiàn)預期的工作效果。良好的仿真還有助于提高直流對直流轉換器設計的可靠性！

圖 3. 傳統(tǒng)模型/仿真結果 - 資料來源：羅姆半導體公司

雙向測試

隨著越來越多的 DC-DC 轉換器變?yōu)殡p向，測量雙方向的功率流時，需要測試設備有能力為 DC-DC 轉換器供給功率和吸收功率。傳統(tǒng)上，這是通過并聯(lián)電源與電子負載來實現(xiàn)的。然而，外部電路（如阻止電流流入電源的二極管）和繁重的“雙儀器”編程通常不支持在供給功率和吸收功率之間進行流暢的信號轉換，從而導致對工作條件的仿真不夠準確。

電子負載通常會消散從 DC-DC 轉換器傳輸過來的功率。但消散的功率會逐漸累積熱量，這在同步使用多個 DC-DC 轉換器進行測試的應用中尤為明顯。由于需要去掉電子負載中的熱量， 它們通常尺寸很大，需要利用風扇強制冷卻，或者用水冷卻。

可靠性和安全性不經測試必有隱患

在眾多 DC-DC 轉換器設計中，隨著功率半導體新技術的應用，需要進行更多的設計驗證和可靠性測試，才能確保在嚴酷的汽車運行條件下經受住時間的考驗。當然，驗證和可靠性測試也意味著更高的成本，還會因此降低混動汽車/電動汽車的競爭優(yōu)勢。如果混動汽車/電動汽車中使用的直流對直流轉換器因為某些原因存在質量問題，那么，一旦測試不到位就會導致極高的風險。

設計人員、技術人員和操作人員在測試 DC-DC 轉換器時，必須要對轉換器中使用的功率和電壓電平格外小心。混動汽車/電動汽車中 DC-DC 轉換器的輸入電壓都超過了 60 V 的安全電壓限值，在生產過程中必須嚴格遵守專用的安全規(guī)范（比如： NFPA 79 工業(yè)機械電氣標準）。

這些安全標準要求配備一個冗余系統(tǒng)，確保測試系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時，不會讓操作員接觸到高壓。冗余安全系統(tǒng)通常經過定制化設計，采用 PLC 邏輯從測試系統(tǒng)進行單獨操作。這會為制造測試系統(tǒng)增加額外的設計、成本和復雜性。

最大程度地提高轉換器效率

設計人員還有一項挑戰(zhàn)，就是要最大程度地提高轉換器的效率。效率取決于很多因素，包括溫度、工作電壓、額定功率百分比和其他環(huán)境條件。由于很多因素都會影響到效率，設計人員在進行設計測試時，很難面面俱到地仿真所有的條件。另外，設計人員還要在 95% 或更高效率中測量到 0.1% 的效率變化，這需要具有極大動態(tài)范圍的測量儀器，通常要求有 16 位或更高的分辨率。同時還需要精確的電流互感器和同步良好的電流和電壓波形，測量挑戰(zhàn)變得愈加復雜。

在最大程度提高效率的這一過程中，還需保持電子動力傳動系統(tǒng)的“全系統(tǒng)”運行。目前，針對內燃機和電動機的動力推進和再生的各種組合已經開發(fā)出許多更高效的控制算法，因而，直流對直流轉換器將在分配功率方面扮演重要角色。為了驗證直流轉換器中的固件以及驗證功率傳動組件中的控制算法，功率硬件在環(huán)（PHIL）仿真測試對于在真實環(huán)境中測試全系統(tǒng)效率至關重要。

新興解決方案

為了應對電動汽車 DC-DC 轉換器設計和測試方面的挑戰(zhàn) ，一些全新的、創(chuàng)新型方案正在被開發(fā)出來。

高頻率的模型/仿真

由于寬禁帶器件開關波形中存在高頻率成分（升降時間 < 10 ns），這就需要使用高頻率（或電磁）的模型和仿真器來精確仿真功率半導體行為。需要通過 EMI 仿真來了解直流對直流轉換器對輻射和傳導干擾的影響。

此外，工程師還需考慮轉換器版圖中零部件的物理定位，以及對半導體封裝寄生效應和 PCB 效應進行表征。最后，由于溫度對直流對直流轉換器的設計影響巨大，熱仿真和熱分析對于了解冷卻要求至關重要。

半導體工程師可以為其轉換器器件仿真采用實證分析/數(shù)學模型，該模型中包括高頻表征（開關晶體管模型中“零偏”和導通狀態(tài)的 S 參數(shù)測量），以及電子設計自動化軟件。憑借該技術，他們能夠顯著改進仿真數(shù)據(jù)與測得數(shù)據(jù)的匹配度（參見圖 4）。

圖 4. 高頻下的模型/模擬結果

具有再生能力的供給功率/吸收功率集成系統(tǒng)

許多廠商都把集成式供給/吸收解決方案引入到了在單個產品中。這些產品可以無縫地從供給電流（象限 1）轉移到吸收電流（象限 2），而無需使用外部電路或對單獨電源和電子負載進行同步編程（參見圖 5）。通過這種集成，系統(tǒng)能夠使用流暢的輸出波形對雙向直流對直流轉換器在兩個相反方向上的功率流進行準確仿真。

圖 5. 供給/吸收功率系統(tǒng)

當電力系統(tǒng)向 DC-DC 轉換器供給功率時，大部分功率（取決于效率）會通過轉換器到達汽車負載。當電力系統(tǒng)從 DC-DC 轉換器吸收功率時，功率一定要能被動力系統(tǒng)吸收。但大部分電力系統(tǒng)（或電子負載）會以熱量形式消散該功率，因此針對 DC-DC 轉換器的功率電平（最大約 4 kW），需要用較大的尺寸為產品配備風扇。這就需要增大測試系統(tǒng)的尺寸和提高 HVAC 要求，以便去除設施中的熱量。

在 5 kW 功率電平及以上，通常會有供給/吸收功率系統(tǒng)和電子負載，可以將功率再生（或返回）至交流電源（參見圖5）。這種技術雖不能保證 100% 的效率，但仍可將大約90% 的功率傳回到電網(wǎng)。這就只有 10% 的功率（在 5 kW 產品中為 500 W）會以熱量形式被耗散。從而能夠顯著減小產品的尺寸，并降低去除測試系統(tǒng)環(huán)境熱量所需的 HVAC 成本。

對于可再生解決方案而言，需要重點注意的是，“返回到交流電源中的功率有多干凈？”

如果從事生產工作，用戶就會知道：返回到交流電源中的功率發(fā)生任何失真都會被設施中的大量測試系統(tǒng)所放大。“臟電力”可能導致設施發(fā)生間歇性故障，需要隔離每個測試系統(tǒng)的變壓器，以便減少因不良再生而導致的問題。最好是讓廠商確認其產品返給交流電源的功率能夠保證低失真度（參見圖 6）。

圖 6. 對從再生功率系統(tǒng)返回交流電源中的功率進行總諧波失真度和功率因數(shù)測量；采用功率分析儀進行測量

總結

DC-DC 轉換器模塊的功能還在隨市場需求不斷演變，因此，對它們的設計和測試還將繼續(xù)充滿挑戰(zhàn)。正如本文所討論過的，這一市場的成本壓力還將持續(xù)存在，因為電動汽車和混動汽車還會繼續(xù)進行溢價。新的技術，比如更大容量的鋰離子電池和寬禁帶器件功率半導體，將推動這一市場成為主流市場。需要積極采用新的設計和測試技術及方案，以支持工程師保持 DC-DC 轉換器的質量和可靠性，同時最大限度降低不必要的成本。

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