在直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器的開發(fā)過(guò)程中，降低設(shè)計(jì)和測(cè)試成本的壓力一直都很大。大多數(shù)基于硅(Si) 的直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器都是采用水冷方式散熱。HEV/EV 制造商把散熱設(shè)計(jì)的額外成本轉(zhuǎn)移給了設(shè)計(jì)和測(cè)試工程師，要求他們?cè)谠O(shè)計(jì)和測(cè)試時(shí)利用水箱、水泵和水管來(lái)給直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器散熱。

本文節(jié)選自白皮書《新興混動(dòng)汽車和電動(dòng)汽車直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)與測(cè)試解決方案》
文末附白皮書下載方式！

制造商通過(guò)將多個(gè)功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)用集成到單個(gè)模塊（例如直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器和車載充電器）中，盡量減少液冷模塊的數(shù)量。此外，設(shè)計(jì)人員也開始采用新的功率半導(dǎo)體技術(shù)，例如使用WBG（寬帶隙）器件。目前領(lǐng)先的技術(shù)有兩項(xiàng)，即碳化硅(SiC) 和氮化鎵(GaN)。WBG 器件比硅器件具有明顯優(yōu)勢(shì)：

功率效率

WBG 器件比硅器件開關(guān)速度更快，因此功率轉(zhuǎn)換期間發(fā)生的很多功耗（比如開關(guān)損耗）能夠減少到最小。此外，更高的頻率意味著更小的磁性元件和較低的設(shè)計(jì)成本。

高電壓運(yùn)行

WBG 器件能夠處理的電壓（600 V 或更高）比硅器件高很多。這樣，高壓總線架構(gòu)就能以更少的電流（即使用小直徑電線）為混動(dòng)/電動(dòng)汽車組件供電，減少了線束的重量。

高溫運(yùn)行

WBG 器件的導(dǎo)熱系數(shù)和熔點(diǎn)都讓它能夠在超過(guò)300°C 的溫度下工作。這種耐高溫的能力為需要在高溫下正常運(yùn)行的混動(dòng)/電動(dòng)汽車應(yīng)用提供了更可靠的解決方案。

仿真WBG 設(shè)計(jì)

在功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，WBG 器件的出現(xiàn)讓直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器的仿真和設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。GaN 和SiC 器件制造商都有良好的工藝把控，因此不會(huì)對(duì)器件進(jìn)行大量表征。但是用戶卻需要逐個(gè)測(cè)試，以確定WBG 器件在其設(shè)計(jì)是否適用。另外，傳統(tǒng)的“集中分析”式仿真器具有快速開關(guān)的特性，因而不能對(duì)WBG 功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確仿真（參見圖3）功率晶體管在進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，傳統(tǒng)模型/仿真顯示的仿真結(jié)果（粗線）與測(cè)得結(jié)果（暈線）之間存在顯著差別。效果不佳的仿真會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)推遲，增加成本，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員需要不斷地重復(fù)修改設(shè)計(jì)，以便下一版原型設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的工作效果。準(zhǔn)確的仿真還有助于提高直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的可靠性！

圖3. 傳統(tǒng)模型/仿真結(jié)果――來(lái)源：羅姆半導(dǎo)體公司

雙向測(cè)試

隨著雙向型直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器越來(lái)越多，測(cè)量雙向功率流時(shí)，測(cè)試設(shè)備必須能夠向直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器供給功率，也能吸收直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器輸出的功率。這以往是通過(guò)并聯(lián)電源與電子負(fù)載來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然而，外部電路（如阻止電流流入電源的二極管）和繁重的“雙儀器”編程工作量通常會(huì)妨礙在供給功率和吸收功率之間進(jìn)行流暢的信號(hào)轉(zhuǎn)換，從而導(dǎo)致對(duì)工作條件的仿真不夠準(zhǔn)確。

電子負(fù)載通常會(huì)消耗從直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器傳輸過(guò)來(lái)的功率。但消耗的功率會(huì)逐漸累積熱量，這在同時(shí)使用多個(gè)直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測(cè)試的應(yīng)用中尤為明顯。由于需要散發(fā)掉電子負(fù)載中的熱量，它們通常尺寸很大，還需要使用風(fēng)扇或者水強(qiáng)制散熱。

可靠性和安全性不經(jīng)測(cè)試必有隱患

在眾多直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，隨著功率半導(dǎo)體新技術(shù)的應(yīng)用，需要進(jìn)行更多的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和可靠性測(cè)試，才能確保在嚴(yán)酷的汽車工作環(huán)境下經(jīng)受住時(shí)間的考驗(yàn)。當(dāng)然，驗(yàn)證和可靠性測(cè)試也意味著成本更高，還會(huì)因此降低混動(dòng)汽車/電動(dòng)汽車的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。如果混動(dòng)汽車/電動(dòng)汽車中使用的直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器因?yàn)槟承┰虼嬖谫|(zhì)量問題，那么，一旦測(cè)試不徹底就會(huì)導(dǎo)致極高的風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)計(jì)人員、技術(shù)人員和操作人員在測(cè)試直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器時(shí)，必須要格外注意使用正確的功率和電壓。混動(dòng)汽車/電動(dòng)汽車所用直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器的輸入電壓都超過(guò)了60 V 的安全電壓限值，在生產(chǎn)過(guò)程中必須嚴(yán)格遵守專用的安全規(guī)范（例如NFPA 79 工業(yè)機(jī)械電氣標(biāo)準(zhǔn)）。這些安全標(biāo)準(zhǔn)要求配備一個(gè)冗余系統(tǒng)，確保測(cè)試系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)讓操作人員接觸到高壓。冗余安全系統(tǒng)通常經(jīng)過(guò)定制化設(shè)計(jì)，采用PLC 邏輯從測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)操作。這會(huì)為制造測(cè)試系統(tǒng)增加額外的設(shè)計(jì)、成本和復(fù)雜性。

最大程度地提高效率

最后，設(shè)計(jì)人員還有一項(xiàng)挑戰(zhàn)，就是要最大程度地提高轉(zhuǎn)換器的效率。效率取決于很多因素，包括溫度、工作電壓、額定功率百分比和其他環(huán)境條件。由于很多因素都對(duì)效率有影響，設(shè)計(jì)人員在表征其設(shè)計(jì)時(shí)，很難面面俱到地仿真所有的條件。另外，設(shè)計(jì)人員還要在95% 或更高效率中測(cè)量到0.1% 的效率變化。這需要測(cè)量?jī)x器具有極大的動(dòng)態(tài)范圍，以及16 位或更高的分辨率。同時(shí)還需要精確的電流互感器和同步良好的電流和電壓波形，因此測(cè)量挑戰(zhàn)變得愈加復(fù)雜。

在最大程度提高效率的這一過(guò)程中，還需保持電氣化動(dòng)力總成的“全系統(tǒng)”運(yùn)行。目前，針對(duì)內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力推進(jìn)和再生的各種組合，業(yè)界已經(jīng)開發(fā)出許多更高效的控制算法，其中直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器將在分配功率方面扮演重要角色。為了驗(yàn)證直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器中的固件以及驗(yàn)證動(dòng)力總成組件中的控制算法，功率硬件在環(huán)(PHIL) 測(cè)試對(duì)于在真實(shí)環(huán)境中測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的效率至關(guān)重要。

識(shí)別二維碼下載
《新興混動(dòng)汽車和電動(dòng)汽車直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)與測(cè)試解決方案》

報(bào)告內(nèi)容：

白皮書《新興混動(dòng)汽車和電動(dòng)汽車直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)與測(cè)試解決方案》介紹了一些行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)以及有助于開發(fā)更高效直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器的新測(cè)試技術(shù)。先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具和測(cè)試技術(shù)能夠支持您打造更高效的設(shè)計(jì)，同時(shí)保持出色的質(zhì)量和可靠性，并顯著降低不必要的成本。