电动汽车和混动汽车DC-DC转换器的创新设计与测试方法

作者：是德科技产品营销经理Brian Whitaker

预计到2028年，全球汽车DC-DC转换器市场规模将达到187亿美元，年复合增长率为10%。

DC-DC转换器是汽车的重要组成部分，它可以通过电压转换为各种车载系统供电，例如日益复杂的车载信息娱乐系统、使用高级驾驶辅助系统（ADAS）实现的增强安全功能等。包括纯电动汽车和混合动力汽车（HEV）在内的电动汽车（EV）的日益普及也带动了整个市场对DC-DC转换器的需求。

下面，本文将介绍一些有助于开发更高效DC-DC转换器的行业趋势和技术。

混合动力汽车和电动汽车有多种架构变化。图 1和图2显示的是这些架构的简化框图。大容量电池提供的高压（HV）总线可驱动强混合动力或并联混合动力以及纯电动汽车的动力总成系统。

图 1. 强混合动力/全混合动力汽车的简化框图

图 2. 轻混合动力汽车的简化框图

DC-DC转换器是这两种架构中的关键零部件，它将较高的总线电压（轻混合动力汽车为48 V；电动汽车/混合动力汽车为数百伏）转换为传统的12 V电源总线电压，以便为大多数电气负载供电。本文将重点探讨这种DC-DC转换器的模拟、设计、调试、验证和制造测试。

行业趋势如何影响电动汽车设计以及电动汽车DC-DC转换器测试
在整个DC-DC转换器开发周期中，设计和测试环节都面临着极大的降本增效压力。大多数DC-DC转换器采用基于水冷结构的硅基（Si）功率转换器设计。在设计和测试过程中需要使用蓄水池、泵和软管来冷却DC-DC转换器，这给设计和测试工程师转嫁了额外的冷却成本。

因此，为了最大程度地减少液冷模块的数量，制造商会将多个电源转换器应用集成到一个模块中（如DC-DC转换器和板载充电器等）。 另外，设计师已开始采用基于宽禁带（WBG）器件的新型功率半导体技术。与硅相比，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）这两种领先技术具有一些显著的优势。

功率效率
WBG 器件的开关速度比硅器件快得多，因此能够最大程度地减少电源转换过程中的功率损耗（开关损耗）。另外，频率越高，磁性元器件的尺寸就越小，进一步降低了设计成本。

高压运行
与硅基器件相比，WBG器件可在更高的电压（600 V以上）下工作。这样，高压总线架构就能以更少的电流（即小直径电线）为混动/电动汽车组件供电，减少了线束的重量。

高温运行
宽禁带器件的热传导性和熔点决定了它能够在 300°C 以上的高温运行。这种能力对于要求高温运行的混动/电动汽车应用来说，是更可靠的解决方案。

仿真宽禁带器件设计
在功率转换器设计中，宽禁带器件的出现让DC-DC转换器的仿真和设计变得更加复杂。GaN 和 SiC 器件制造商都有良好的工艺把控，因此不会对器件进行大量表征。但是用户却需要逐个测试，以确定宽禁带器件在其设计是否适用。另外，传统的“集中分析”式仿真器具有快速开关的特性，因而不能对宽禁带功率转换器的设计提供精确仿真（参见图 3）。

功率晶体管在进行开关转换时，传统模型/仿真显示的仿真结果（粗线）与测得结果（晕线）之间存在显著差别。效果不佳的仿真会导致设计延迟，增加成本，因为设计师需要不断地重复，以便下一个样本能够实现预期的工作效果。良好的仿真还有助于提高直流对直流转换器设计的可靠性！

 

图 3. 传统模型/仿真结果 - 资料来源：罗姆半导体公司

双向测试
随着越来越多的DC-DC转换器变为双向，测量双方向的功率流时，需要测试设备有能力为DC-DC转换器供给功率和吸收功率。传统上，这是通过并联电源与电子负载来实现的。然而，外部电路（如阻止电流流入电源的二极管）和繁重的“双仪器”编程通常不支持在供给功率和吸收功率之间进行流畅的信号转换，从而导致对工作条件的仿真不够准确。

电子负载通常会消散从DC-DC转换器传输过来的功率。但消散的功率会逐渐累积热量，这在同步使用多个DC-DC转换器进行测试的应用中尤为明显。由于需要去掉电子负载中的热量， 它们通常尺寸很大，需要利用风扇强制冷却，或者用水冷却。

可靠性和安全性不经测试必有隐患
在众多DC-DC转换器设计中，随着功率半导体新技术的应用，需要进行更多的设计验证和可靠性测试，才能确保在严酷的汽车运行条件下经受住时间的考验。当然，验证和可靠性测试也意味着更高的成本，还会因此降低混动汽车/电动汽车的竞争优势。如果混动汽车/电动汽车中使用的直流对直流转换器因为某些原因存在质量问题，那么，一旦测试不到位就会导致极高的风险。

设计人员、技术人员和操作人员在测试DC-DC转换器时，必须要对转换器中使用的功率和电压电平格外小心。混动汽车/电动汽车中DC-DC转换器的输入电压都超过了 60 V 的安全电压限值，在生产过程中必须严格遵守专用的安全规范（比如： NFPA 79 工业机械电气标准）。

这些安全标准要求配备一个冗余系统，确保测试系统在出现故障时，不会让操作员接触到高压。冗余安全系统通常经过定制化设计，采用 PLC 逻辑从测试系统进行单独操作。这会为制造测试系统增加额外的设计、成本和复杂性。

最大程度地提高转换器效率
设计人员还有一项挑战，就是要最大程度地提高转换器的效率。效率取决于很多因素，包括温度、工作电压、额定功率百分比和其他环境条件。由于很多因素都会影响到效率，设计人员在进行设计测试时，很难面面俱到地仿真所有的条件。另外，设计人员还要在 95% 或更高效率中测量到 0.1% 的效率变化，这需要具有极大动态范围的测量仪器，通常要求有 16 位或更高的分辨率。同时还需要精确的电流互感器和同步良好的电流和电压波形，测量挑战变得愈加复杂。

在最大程度提高效率的这一过程中，还需保持电子动力传动系统的“全系统”运行。目前，针对内燃机和电动机的动力推进和再生的各种组合已经开发出许多更高效的控制算法，因而，直流对直流转换器将在分配功率方面扮演重要角色。为了验证直流转换器中的固件以及验证功率传动组件中的控制算法，功率硬件在环（PHIL）仿真测试对于在真实环境中测试全系统效率至关重要。

新兴解决方案
为了应对电动汽车DC-DC转换器设计和测试方面的挑战 ，一些全新的、创新型方案正在被开发出来。

高频率的模型/仿真
由于宽禁带器件开关波形中存在高频率成分（升降时间 < 10 ns），这就需要使用高频率（或电磁）的模型和仿真器来精确仿真功率半导体行为。需要通过 EMI 仿真来了解直流对直流转换器对辐射和传导干扰的影响。
此外，工程师还需考虑转换器版图中零部件的物理定位，以及对半导体封装寄生效应和 PCB 效应进行表征。最后，由于温度对直流对直流转换器的设计影响巨大，热仿真和热分析对于了解冷却要求至关重要。

半导体工程师可以为其转换器器件仿真采用实证分析/数学模型，该模型中包括高频表征（开关晶体管模型中“零偏”和导通状态的 S 参数测量），以及电子设计自动化软件。凭借该技术，他们能够显著改进仿真数据与测得数据的匹配度（参见图 4）。

图 4. 高频下的模型/模拟结果

具有再生能力的供给功率/吸收功率集成系统
许多厂商都把集成式供给/吸收解决方案引入到了在单个产品中。这些产品可以无缝地从供给电流（象限 1）转移到吸收电流（象限 2），而无需使用外部电路或对单独电源和电子负载进行同步编程（参见图 5）。通过这种集成，系统能够使用流畅的输出波形对双向直流对直流转换器在两个相反方向上的功率流进行准确仿真。

图5. 供给/吸收功率系统

当电力系统向DC-DC转换器供给功率时，大部分功率（取决于效率）会通过转换器到达汽车负载。当电力系统从DC-DC转换器吸收功率时，功率一定要能被动力系统吸收。但大部分电力系统（或电子负载）会以热量形式消散该功率，因此针对DC-DC转换器的功率电平（最大约 4 kW），需要用较大的尺寸为产品配备风扇。这就需要增大测试系统的尺寸和提高 HVAC 要求，以便去除设施中的热量。

在 5 kW 功率电平及以上，通常会有供给/吸收功率系统和电子负载，可以将功率再生（或返回）至交流电源（参见图5）。这种技术虽不能保证 100% 的效率，但仍可将大约90% 的功率传回到电网。这就只有 10% 的功率（在 5 kW 产品中为 500 W）会以热量形式被耗散。从而能够显著减小产品的尺寸，并降低去除测试系统环境热量所需的 HVAC 成本。

对于可再生解决方案而言，需要重点注意的是，“返回到交流电源中的功率有多干净？”

如果从事生产工作，用户就会知道：返回到交流电源中的功率发生任何失真都会被设施中的大量测试系统所放大。“脏电力”可能导致设施发生间歇性故障，需要隔离每个测试系统的变压器，以便减少因不良再生而导致的问题。最好是让厂商确认其产品返给交流电源的功率能够保证低失真度（参见图 6）。

图 6. 对从再生功率系统返回交流电源中的功率进行总谐波失真度和功率因数测量；采用功率分析仪进行测量

总结
DC-DC转换器模块的功能还在随市场需求不断演变，因此，对它们的设计和测试还将继续充满挑战。正如本文所讨论过的，这一市场的成本压力还将持续存在，因为电动汽车和混动汽车还会继续进行溢价。新的技术，比如更大容量的锂离子电池和宽禁带器件功率半导体，将推动这一市场成为主流市场。需要积极采用新的设计和测试技术及方案，以支持工程师保持DC-DC转换器的质量和可靠性，同时最大限度降低不必要的成本。