新兴混动汽车和电动汽车直流对直流转换器设计与测试解决方案

[{"insert":"全球汽车直流对直流(DC-DC)转换器市场预计到2026 年将增长到170 亿美元的规模。这标志着从 2021年到 2026 年的复合年增长率将会超过10%。 \n直流对直流转换器是车辆上的一个必备零部件，它通过转换电压为各种车载系统供电，例如越来越复杂的信息娱乐系统，以及使用先进驾驶辅助系统(ADAS) 的增强型安全系统。 \n电动汽车 (EV) 无论是纯电型还是混动型 (HEV) 的日益普及，也在刺激着直流对直流转换器的需求迅猛增长。 \n我们现在来看看哪些行业趋势和技术有助于推动更高效直流对直流转换器的发展。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202302/0eedb6f5ff063b9c.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" \n混动汽车和电动汽车有许多架构上的差异。图 1 和图 2 显示了这两种架构的简化示意图。强混动（或并 行混动）和纯电动汽车的电气化动力总成都是由大容量电池提供的高电压(HV) \n总线来驱动的。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202302/166ea3e93ff795b4.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 1. 强混动 / 全混动汽车的简化示意图"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"逆变器和电动机/发电机的功率电平最低大约60 kW，最高可以超过 180 kW。除了大容量锂电池以外，另外一项重大投资就是开发这些架构。大多数组件都是双向的，允许电力从电池流向逆变器，使电动机开始转动和推动汽车运动起来（牵引驱动）。而在减速时，汽车的动量又驱使发电机转动，再通过逆变器回收电力并为电池重新充电（再生制动）。 \n在中度混动(MH) 汽车中，电动机/发电机、逆变器和电池也都是双向的。它们虽然不足以完全独立驱动汽车（像在混动汽车或电动汽车中一样），但仍然可在加速期间为发动机补充电力，并在减速时为电池重新充电。中度混动汽车的电压电平通常是48 V，可使高电压总线保持在 60 V的安全额定电压内，也能以相同的额定电流为 12 V 总线提供四倍的电力。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202302/96ccbf45e25127bb.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 2. 中度混动汽车的简化示意图"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"直流对直流转换器是这两种架构中的关键组件，它将高电压总线（中度混动汽车为 - 48 V；电动汽车/混动汽车为 100 V）转换为传统的 12 V 电力总线，后者为大多数电子负载供电。我们要讨论的重点是直流对直流转换器的仿真、设计、调试、验证和制造测试。 \n在强混动汽车或电动汽车应用中，直流对直流转换器的作用是将高电压总线中的电力转换到 12 V，从而为12 V 电池充电。目前还没有将12 V 总线的电力“提升”到高电压总线的应用，因此这些架构中的直流对直流转换器基本都是单向的。然而，在中度混动架构中，直流对直流转换器除了要从48 V 总线为 12 V 电池充电外，还需要将12 V 总线中的电力转换到48 V \n总线。主要的应用是，在使用接触器将48 V 电池连接到该总线之前对48 V总线（即逆变器的输入电容）进行预充电。预充电对电池电压和逆变器输入进行均衡，从而能最大程度减小接触器的电弧现象。 \n随着这两种架构的市场不断发展，高压总线上还会增加新的负载。高压总线上的负载通常比低压总线上的负载效率更高。此外，电子负载仅在需要时（比如泵）进行电子控制和通电，效率远超机械负载，因为后者与机械动力总成始终保持连接。随着越来越多的负载过渡到使 用高压总线，这就可能额 外产生将12 V 总线上的电力提升到高压总线的需求。例如，锂离子电池在低温下性能不佳。因此，当发动机启动器由高压总线供电时，采用12 V 铅酸电池就会多有益处。因为它具有良好的冷启动能力，可以通过直流对直流转换器将电力返回到高压总线，帮助启动器驱使发动机开始运转。\n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"行业趋势对电动汽车直流对直流转换器的设计和测试有何影响呢？ "},{"insert":"\n在 直 流 对直 流 转换 器的开发 过程中，降 低 设 计 和测试 成 本的压力一直都很大。大多数基于硅(Si) 的直流对直流转换器都是采用水冷方式散热。HEV/EV 制造商把散热设计的额外成本转移给了设计和测试工程师，要求他们在设计和测试时利用水箱、水泵和水管来给直流对直流转换器散热。 \n制造商通过将多个功率转换器应用集成到单个模块（例如直流对直流转换器和车载充电器）中，尽量减少液冷模块的数量。此外，设计人员也开始采用新的功率半导体技术，例如使用WBG（宽带隙）器件。目前领先的技术有两项，即碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)。WBG 器件比硅器件具有明显优势：\n功率效率 \nWBG器件比硅器件开关速度更快，因此 功率转换期间发生的很多功耗（比如开关损耗）能够减少到最小。此外，更高的频率意味着更小的磁性元件和较低的设计成本。 \n高电压运行 \nWBG器件能够处理的电压（600 V 或更高）比硅器件高很多。这样，高压总线架构就能以更少的电流（即使用小直径电线）为混动/电动汽车组件供电，减少了线束的重量。 \n高温运行 \nWBG器件的导热系数和熔点都让它能够在超过 300°C 的温度下工作。这种耐高温的能力为需要在高温下正常运行的混动/电动汽车应用提供了更可靠的解决方案。 \n仿真 WBG 设计 \n在功率转换器设计中，WBG器件的出现让直流对直流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 WBG器件在其设计是否适用。另外，传统的“集中分析”式仿真器 \n具有快速开关的特性，因而不能对WBG功率转换器的设计提供准确仿真（参见图 3）。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202302/d4b18b3ee526fc7f.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"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推迟，增加成本，因为设计人员需要不断地重复修改设计，以便下一版原型设计能够实现预期的工作效果。准确的仿真还有助于提高直流对直流转换器设计的可靠性！"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202302/2840885d02c604c6.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 3. 传统模型/仿真结果――来源：罗姆半导体公司"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"双向测试 \n随着双向型直流对直流转换器越来越多，测量双向功率流时，测试设备必须能够向直流对直流转换器供给功率，也能吸收直流对直流转换器输出的功率。这以往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”编程工作量通常会妨碍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。 \n电子负载通常会消耗从直流对直流转换器传输过来的功率。但消耗的功率会逐渐累积热量，这在同时使用多个直流对直流转换器进行测试的应用中尤为明显。由于需要散发掉电子负载中的热量，它们通常尺寸很大，还需要使用风扇或者水强制散热。\n \n可靠性和安全性不经测试必有隐患 \n在众多直流对直流转换器设计中，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工作环境下经受住时间的考验。当然，验证和可靠性测试也意味着成本更高，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，一旦测试不彻底就会导致极高的风险。 \n设计人员、技术人员和操作人员在测试直流对直流转换器时，必须要格外注意使用正确的功率和电压。混动汽车/电动汽车所用直流对直流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（例如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，确保测试系统出现故障时，不会让操作人员接触到高压。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。\n"},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202302/582c6b00ed0a8cee.png"}},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"最大程度地提高效率 \n最后，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。由于很多因素都对效率有影响，设计人员在表征其设计时，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。这需要测量仪器具有极大的动态范围，以及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，因此测量挑战变得愈加复杂。 \n在最大程度提高效率的这一过程中，还需保持电气化动力总成的“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，业界已经开发出许多更高效的控制算法，其中直流对直流转换器将在分配功方面扮演重要角色。为了验证直流对直流转换器中的固件以及验证动力总成组件中的控制算法，功率硬件在环(PHIL) 测试对于在真实环境中测试整个系统的效率至关重要。\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":" "},{"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"新兴电动汽车直流对直流转换器设计和测试解决方案 "},{"insert":"\n为了应对这些设计与测试方面的挑战，业界正在开发一些全新的、创新型方案。 \n高频率的模型/仿真 \n由于WBG 开关波形（上升时间和下降时间 < 10 ns）中存在高频内容，这就需要设计人员使用支持高频（或电磁）的模型和仿真器准确仿真功率半导体的特性。设计人员需要通过EMI仿真来了解直流对直流转换器所产生的辐射和传导干扰。此外，还需要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有极大影响，因此必须进行热仿真和热分析来了解散热要求。 \n罗姆半导体公司为仿真他们在转换器设计中的器件，采用了一种实证分析/数学模型以及是德科技的PathWave 先进设计系统 (ADS)电子设计自动化 软件。模 型中包括高频特征（开关晶体管模型中“零偏”和导通状态的 S 参数测量结果）。凭借该技术，他们显著改进了仿真数据与测得数据的匹配度（参见图 4）\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202302/d8afc1b399b3bf3e.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202302/855ecdbe6910405f.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 4. 高频模型/仿真结果――来源：罗姆半导体公司"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"具有供给/吸收和再生能力的综合电源系统 \n许多厂商都开始在单个产品中引入供给/吸收综合解决方案。这些产品可以无缝地从供给电流（象限 I）转移到吸收电流（象限II），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）。通过这种综合能力，系统能够生成流畅的输出波形，准确仿真双向直流对直流转换器在两个相反功率流方向之间的转换。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202302/37e360606f32b55c.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 5. 供给/吸收电源系统"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"当电源系统向直流对直流转换器供给功率时，大部分功率（取决于效率）会通过转换器到达汽车负载。当电源系统从直流对直流转换器吸收功率时，功率一定要能被电源系统吸收。大部分电源系统（或电子负载）会以热量形式将这个功率消耗掉，因此面对直流对直流转换器高达4 kW 的功率电平，设计人员需要设计更大尺寸的产品并配备风扇。这就需要采用更大规模的测试系统并遵循更严格的HVAC 要求，以便去除设施中的热量。 \n功率电平达到和超过5 kW 时，技术人员通常会使用供给/吸收电源系统和电子负载，可以将功率再生（或回收）至交流电源（见图5）。这种技术虽不能保证100%的效率，但可让大部分设计将大约90%的功率传回到电网。剩下10% 的功率（在 5 kW产品中为500 W左右）会以热量形式耗散掉。最终，产品的尺寸可以显著减小，为去除测试系统环境中的热量所付出的 HVAC成本也大幅降低。 \n对于可再生解决方案而言，需要重点注意的问题是，“返回到交流电源中的功率有多干净？”如果您从事制造工作，应该知道当返回到交流电源中的功率发生任何失真，都会被工厂中的大量测试系统所放大。“脏电力”可能导致工厂发生间歇性故障，您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）\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202302/3b3bfcdc54b4b7b6.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 6. 对从 Keysight RP7900A再生电源系统返回到交流电源中的功率进行总谐波失真(THD）和功率因数(PF) 测量――采用 PA2203A IntegraVision功率分析仪进行测量。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"安全性 \n如上文所述，安全的断连系统通常是针对每个应用进行定制设计的。它们通常占用大量空间，并且是由人工接线。由于很多功能在多种应用中都是相同的，因此购买一个在小封装中集成了解决方案80% 功能的商用现货安全断连产品，能够节省大量设计时间和成本。 \n安全断连系统的关键特性是 ： \n• 在测试系统中，利用冗余的、流电的断连（物理继电器）使高压电源的正负输出端开路。 \n• 独立感测断连继电器的位置（例如机械耦合传感器继电器）。 \n• 能够感测紧急停机 (E-Stop) 开关，从而在操作员确定的紧急情况下断开断连继电器。 \n• 能够感测测试夹具覆盖的位置，从而确保在操作员更换直流对直流转换器时不存在高压。 \n• 使用泄放电阻释放直流对直流转换器的外接端子上的高电压。 \n• 通过指示灯准确指示安全和不安全的状态。\n另外，供给/吸收电源系统、电源或电子负载会让测试系统更安全，前提是它们包含安全相关的功能，比如 ： \n• 过压保护 \n• 过流保护 \n• 过温保护 \n• 开路感测引线检测 \n• 固态断连 (< 5 µs) \n• 向下编程 (< 2 ms) \n• 监视计时器 \n为了充分利用电源产品中的这些安全特性，应确保在检测到任何“报警”状态时，它们能够与安全断连系统通信。\nKeysight EV1003A 功率转换器测试解决方案将商用现货的安全断连系统与设计良好的供给/吸收电源系统相结合，可以保证员工的安全（参见图7）。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202302/99096138bd53fb71.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图7. EV1003A 功率转换器测试解决方案，包含二象限可再生电源系统，以及安全断连综合解决方案。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"总结 \n总之，直流对直流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。正如我们所讨论过的，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溢价销售。新的技术，比如更大容量的锂离子电池和WBG 功率半导体，将推动这一市场成为主流市场。您的对策应该是积极采用新的设计和测试技术及方案，以支持工程师保持直流对直流转换器的质量和可靠性，同时最大限度降低不必要的成本。 \n是德科技为混动汽车/电动汽车市场提供了丰富的解决方案，包括直流对直流转换器的设计与测试。请访问我们的网站 www.keysight.com/find/e-mobility，全面了解我们的混动汽车/电动汽车设计与测试解决方案。\n——来源于是德科技"},{"attributes":{"align":"right"},"insert":"\n"},{"insert":"\n"}]