新興電動汽車直流對直流轉換器設計和測試解決方案
為了應對這些設計與測試方面的挑戰(zhàn)，業(yè)界正在開發(fā)一些全新的、創(chuàng)新型方案。

本文節(jié)選自白皮書《新興混動汽車和電動汽車直流對直流轉換器設計與測試解決方案》
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高頻率的模型/仿真

由于WBG 開關波形（上升時間和下降時間< 10 ns）中存在高頻內容，這就需要設計人員使用支持高頻（或電磁）的模型和仿真器準確仿真功率半導體的特性。設計人員需要通過EMI 仿真來了解直流對直流轉換器所產生的輻射和傳導干擾。此外，還需要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有極大影響，因此必須進行熱仿真和熱分析來了解散熱要求。

羅姆半導體公司為仿真他們在轉換器設計中的器件，采用了一種實證分析/數學模型以及是德科技的PathWave 先進設計系統(tǒng)(ADS) 電子設計自動化軟件。模型中包括高頻特征（開關晶體管模型中“零偏”和導通狀態(tài)的S 參數測量結果）。憑借該技術，他們顯著改進了仿真數據與測得數據的匹配度（參見圖4）。

圖4. 高頻模型/仿真結果――來源：羅姆半導體公司

具有供給/吸收和再生能力的綜合電源系統(tǒng)

許多廠商都開始在單個產品中引入供給/吸收綜合解決方案。這些產品可以無縫地從供給電流（象限I）轉移到吸收電流（象限II），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）。通過這種綜合能力，系統(tǒng)能夠生成流暢的輸出波形，準確仿真雙向直流對直流轉換器在兩個相反功率流方向之間的轉換。

當電源系統(tǒng)向直流對直流轉換器供給功率時，大部分功率（取決于效率）會通過轉換器到達汽車負載。當電源系統(tǒng)從直流對直流轉換器吸收功率時，功率一定要能被電源系統(tǒng)吸收。大部分電源系統(tǒng)（或電子負載）會以熱量形式將這個功率消耗掉，因此面對直流對直流轉換器高達4 kW 的功率電平，設計人員需要設計更大尺寸的產品并配備風扇。這就需要采用更大規(guī)模的測試系統(tǒng)并遵循更嚴格的HVAC 要求，以便去除設施中的熱量。

功率電平達到和超過5 kW 時，技術人員通常會使用供給/吸收電源系統(tǒng)和電子負載，可以將功率再生（或回收）至交流電源（見圖5）。這種技術雖不能保證100% 的效率，但可讓大部分設計將大約90% 的功率傳回到電網。剩下10% 的功率（在5 kW 產品中為500 W左右）會以熱量形式耗散掉。最終，產品的尺寸可以顯著減小，為去除測試系統(tǒng)環(huán)境中的熱量所付出的HVAC 成本也大幅降低。

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

如果您從事制造工作，應該知道當返回到交流電源中的功率發(fā)生任何失真，都會被工廠中的大量測試系統(tǒng)所放大。“臟電力”可能導致工廠發(fā)生間歇性故障，您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Keysight RP7900A 再生電源系統(tǒng)返回到交流電源中的功率進行總諧波失真度(THD)和功率因數(PF) 測量――采用PA2203A IntegraVision 功率分析儀進行測量。

安全性

如上文所述，安全的斷連系統(tǒng)通常是針對每個應用進行定制設計的。它們通常占用大量空間，并且是由人工接線。由于很多功能在多種應用中都是相同的，因此購買一個在小封裝中集成了解決方案80% 功能的商用現貨安全斷連產品，能夠節(jié)省大量設計時間和成本。

安全斷連系統(tǒng)的關鍵特性是：

? 在測試系統(tǒng)中，利用冗余的、流電的斷連（物理繼電器）使高壓電源的正負輸出端開路。
? 獨立感測斷連繼電器的位置（例如機械耦合傳感器繼電器）。
? 能夠感測緊急停機(E-Stop) 開關，從而在操作員確定的緊急情況下斷開斷連繼電器。
? 能夠感測測試夾具覆蓋的位置，從而確保在操作員更換直流對直流轉換器時不存在高壓。
? 使用泄放電阻釋放直流對直流轉換器的外接端子上的高電壓。
? 通過指示燈準確指示安全和不安全的狀態(tài)。

另外，供給/吸收電源系統(tǒng)、電源或電子負載會讓測試系統(tǒng)更安全，前提是它們包含安全

相關的功能，比如：

? 過壓保護
? 過流保護
? 過溫保護
? 開路感測引線檢測
? 固態(tài)斷連(< 5 μs)
? 向下編程(< 2 ms)
? 監(jiān)視計時器

為了充分利用電源產品中的這些安全特性，應確保在檢測到任何“報警”狀態(tài)時，它們能夠與安全斷連系統(tǒng)通信。Keysight EV1003A 功率轉換器測試解決方案將商用現貨的安全斷連系統(tǒng)與設計良好的供給/吸收電源系統(tǒng)相結合，可以保證員工的安全（參見圖7）

圖7. EV1003A 功率轉換器測試解決方案，包含二象限可再生電源系統(tǒng)，以及安全斷連綜合解決方案。

總之，直流對直流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)。正如我們所討論過的，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)溢價銷售。新的技術，比如更大容量的鋰離子電池和WBG 功率半導體，將推動這一市場成為主流市場。您的對策應該是積極采用新的設計和測試技術及方案，以支持工程師保持直流對直流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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《新興混動汽車和電動汽車直流對直流轉換器設計與測試解決方案》

報告內容：

白皮書《新興混動汽車和電動汽車直流對直流轉換器設計與測試解決方案》介紹了一些行業(yè)發(fā)展趨勢以及有助于開發(fā)更高效直流對直流轉換器的新測試技術。先進的設計工具和測試技術能夠支持您打造更高效的設計，同時保持出色的質量和可靠性，并顯著降低不必要的成本。

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