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？

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。

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》
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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：

功率效率

WBG 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。

高电压运行

WBG 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。

高温运行

WBG 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。

仿真WBG 设计

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）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！

图3. 传统模型/仿真结果――来源：罗姆半导体公司

双向测试

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。

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。

可靠性和安全性不经测试必有隐患

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。

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。

最大程度地提高效率

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。

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率方面扮演重要角色。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。

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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。