新兴电动汽车直流对直流转换器设计和测试解决方案

新兴电动汽车直流对直流转换器设计和测试解决方案
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。

本文节选自白皮书《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》
文末附白皮书下载方式！

高频率的模型/仿真

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。

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）。

图4. 高频模型/仿真结果――来源：罗姆半导体公司

具有供给/吸收和再生能力的综合电源系统

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。

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。

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。

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）。

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度(THD)和功率因数(PF) 测量――采用PA2203A IntegraVision 功率分析仪进行测量。

安全性

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。

安全断连系统的关键特性是：

• 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。
• 独立感测断连继电器的位置（例如机械耦合传感器继电器）。
• 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。
• 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。
• 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。
• 通过指示灯准确指示安全和不安全的状态。

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：

• 过压保护
• 过流保护
• 过温保护
• 开路感测引线检测
• 固态断连(< 5 μs)
• 向下编程(< 2 ms)
• 监视计时器

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。Keysight 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）

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。

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。

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《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》

报告内容：

白皮书《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》介绍了一些行业发展趋势以及有助于开发更高效直流对直流转换器的新测试技术。先进的设计工具和测试技术能够支持您打造更高效的设计，同时保持出色的质量和可靠性，并显著降低不必要的成本。

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