電動(dòng)汽車和混動(dòng)汽車DC-DC轉(zhuǎn)換器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與測試方法

電動(dòng)小文 2024-07-23 16:08

預(yù)計(jì)到2028年,全球汽車DC-DC轉(zhuǎn)換器市場規(guī)模將達(dá)到187億美元,年復(fù)合增長率為10%。[1]

DC-DC轉(zhuǎn)換器是汽車的重要組成部分,它可以通過電壓轉(zhuǎn)換為各種車載系統(tǒng)供電,例如日益復(fù)雜的車載信息娛樂系統(tǒng)、使用高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)實(shí)現(xiàn)的增強(qiáng)安全功能等。

包括純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車(HEV)在內(nèi)的電動(dòng)汽車(EV)的日益普及也帶動(dòng)了整個(gè)市場對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換器的需求。

下面,本文將介紹一些有助于開發(fā)更高效DC-DC轉(zhuǎn)換器的行業(yè)趨勢和技術(shù)。

混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車有多種架構(gòu)變化。圖 1和圖2顯示的是這些架構(gòu)的簡化框圖。大容量電池提供的高壓(HV)總線可驅(qū)動(dòng)強(qiáng)混合動(dòng)力或并聯(lián)混合動(dòng)力以及純電動(dòng)汽車的動(dòng)力總成系統(tǒng)。

圖 1. 強(qiáng)混合動(dòng)力/全混合動(dòng)力汽車的簡化框圖

圖 2. 輕混合動(dòng)力汽車的簡化框圖

DC-DC轉(zhuǎn)換器是這兩種架構(gòu)中的關(guān)鍵零部件,它將較高的總線電壓(輕混合動(dòng)力汽車為48 V;電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車為數(shù)百伏)轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)的12 V電源總線電壓,以便為大多數(shù)電氣負(fù)載供電。本文將重點(diǎn)探討這種DC-DC轉(zhuǎn)換器的模擬、設(shè)計(jì)、調(diào)試、驗(yàn)證和制造測試。

行業(yè)趨勢如何影響電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)以及電動(dòng)汽車DC-DC轉(zhuǎn)換器測試

在整個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器開發(fā)周期中,設(shè)計(jì)和測試環(huán)節(jié)都面臨著極大的降本增效壓力。大多數(shù)DC-DC轉(zhuǎn)換器采用基于水冷結(jié)構(gòu)的硅基(Si)功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)和測試過程中需要使用蓄水池、泵和軟管來冷卻DC-DC轉(zhuǎn)換器,這給設(shè)計(jì)和測試工程師轉(zhuǎn)嫁了額外的冷卻成本。

因此,為了最大程度地減少液冷模塊的數(shù)量,制造商會(huì)將多個(gè)電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用集成到一個(gè)模塊中(如DC-DC轉(zhuǎn)換器和板載充電器等)。另外,設(shè)計(jì)師已開始采用基于寬禁帶(WBG)器件的新型功率半導(dǎo)體技術(shù)。與硅相比,碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)這兩種領(lǐng)先技術(shù)具有一些顯著的優(yōu)勢。

功率效率

WBG 器件的開關(guān)速度比硅器件快得多,因此能夠最大程度地減少電源轉(zhuǎn)換過程中的功率損耗(開關(guān)損耗)。另外,頻率越高,磁性元器件的尺寸就越小,進(jìn)一步降低了設(shè)計(jì)成本。

高壓運(yùn)行

與硅基器件相比,WBG器件可在更高的電壓(600 V以上)下工作。這樣,高壓總線架構(gòu)就能以更少的電流(即小直徑電線)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

寬禁帶器件的熱傳導(dǎo)性和熔點(diǎn)決定了它能夠在 300°C 以上的高溫運(yùn)行。這種能力對(duì)于要求高溫運(yùn)行的混動(dòng)/電動(dòng)汽車應(yīng)用來說,是更可靠的解決方案。

仿真寬禁帶器件設(shè)計(jì)

在功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中,寬禁帶器件的出現(xiàn)讓DC-DC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)測試,以確定寬禁帶器件在其設(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)寬禁帶功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)提供精確仿真(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)延遲,增加成本,因?yàn)樵O(shè)計(jì)師需要不斷地重復(fù),以便下一個(gè)樣本能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的工作效果。良好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 - 資料來源：羅姆半導(dǎo)體公司

雙向測試

隨著越來越多的DC-DC轉(zhuǎn)換器變?yōu)殡p向,測量雙方向的功率流時(shí),需要測試設(shè)備有能力為DC-DC轉(zhuǎn)換器供給功率和吸收功率。傳統(tǒng)上,這是通過并聯(lián)電源與電子負(fù)載來實(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”編程通常不支持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)消散從DC-DC轉(zhuǎn)換器傳輸過來的功率。但消散的功率會(huì)逐漸累積熱量,這在同步使用多個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測試的應(yīng)用中尤為明顯。由于需要去掉電子負(fù)載中的熱量, 它們通常尺寸很大,需要利用風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻,或者用水冷卻。

可靠性和安全性不經(jīng)測試必有隱患

在眾多DC-DC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)證和可靠性測試,才能確保在嚴(yán)酷的汽車運(yùn)行條件下經(jīng)受住時(shí)間的考驗(yàn)。當(dāng)然,驗(yàn)證和可靠性測試也意味著更高的成本,還會(huì)因此降低混動(dòng)汽車/電動(dòng)汽車的競爭優(yōu)勢。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,一旦測試不到位就會(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試DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí),必須要對(duì)轉(zhuǎn)換器中使用的功率和電壓電平格外小心?；靹?dòng)汽車/電動(dòng)汽車中DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓都超過了 60 V 的安全電壓限值,在生產(chǎn)過程中必須嚴(yán)格遵守專用的安全規(guī)范(比如: 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),確保測試系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時(shí),不會(huì)讓操作員接觸到高壓。冗余安全系統(tǒng)通常經(jīng)過定制化設(shè)計(jì),采用 PLC 邏輯從測試系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)操作。這會(huì)為制造測試系統(tǒng)增加額外的設(shè)計(jì)、成本和復(fù)雜性。

最大程度地提高轉(zhuǎn)換器效率

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。由于很多因素都會(huì)影響到效率,設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)測試時(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% 或更高效率中測量到 0.1% 的效率變化,這需要具有極大動(dòng)態(tài)范圍的測量儀器,通常要求有 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,測量挑戰(zhàn)變得愈加復(fù)雜。

在最大程度提高效率的這一過程中,還需保持電子動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)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)和再生的各種組合已經(jīng)開發(fā)出許多更高效的控制算法,因而,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)證直流轉(zhuǎn)換器中的固件以及驗(yàn)證功率傳動(dòng)組件中的控制算法,功率硬件在環(huán)(PHIL)仿真測試對(duì)于在真實(shí)環(huán)境中測試全系統(tǒng)效率至關(guān)重要。

新興解決方案

為了應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)和測試方面的挑戰(zhàn) ,一些全新的、創(chuàng)新型方案正在被開發(fā)出來。

高頻率的模型/仿真

由于寬禁帶器件開關(guān)波形中存在高頻率成分(升降時(shí)間 < 10 ns),這就需要使用高頻率(或電磁)的模型和仿真器來精確仿真功率半導(dǎo)體行為。需要通過 EMI 仿真來了解直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器對(duì)輻射和傳導(dǎo)干擾的影響。

此外,工程師還需考慮轉(zhuǎn)換器版圖中零部件的物理定位,以及對(duì)半導(dǎo)體封裝寄生效應(yīng)和 PCB 效應(yīng)進(jìn)行表征。最后,由于溫度對(duì)直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)影響巨大,熱仿真和熱分析對(duì)于了解冷卻要求至關(guān)重要。

半導(dǎo)體工程師可以為其轉(zhuǎn)換器器件仿真采用實(shí)證分析/數(shù)學(xué)模型,該模型中包括高頻表征(開關(guān)晶體管模型中“零偏”和導(dǎo)通狀態(tài)的 S 參數(shù)測量),以及電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件。憑借該技術(shù),他們能夠顯著改進(jìn)仿真數(shù)據(jù)與測得數(shù)據(jù)的匹配度(參見圖 4)。

圖 4. 高頻下的模型/模擬結(jié)果

具有再生能力的供給功率/吸收功率集成系統(tǒng)

許多廠商都把集成式供給/吸收解決方案引入到了在單個(gè)產(chǎn)品中。這些產(chǎn)品可以無縫地從供給電流(象限 1)轉(zhuǎn)移到吸收電流(象限 2),而無需使用外部電路或?qū)为?dú)電源和電子負(fù)載進(jìn)行同步編程(參見圖 5)。通過這種集成,系統(tǒng)能夠使用流暢的輸出波形對(duì)雙向直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器在兩個(gè)相反方向上的功率流進(jìn)行準(zhǔn)確仿真。

圖 5. 供給/吸收功率系統(tǒng)

當(dāng)電力系統(tǒng)向DC-DC轉(zhuǎn)換器供給功率時(shí),大部分功率(取決于效率)會(huì)通過轉(zhuǎn)換器到達(dá)汽車負(fù)載。當(dāng)電力系統(tǒng)從DC-DC轉(zhuǎn)換器吸收功率時(shí),功率一定要能被動(dòng)力系統(tǒng)吸收。但大部分電力系統(tǒng)(或電子負(fù)載)會(huì)以熱量形式消散該功率,因此針對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率電平(最大約 4 kW),需要用較大的尺寸為產(chǎn)品配備風(fēng)扇。這就需要增大測試系統(tǒng)的尺寸和提高 HVAC 要求,以便去除設(shè)施中的熱量。

在 5 kW 功率電平及以上,通常會(huì)有供給/吸收功率系統(tǒng)和電子負(fù)載,可以將功率再生(或返回)至交流電源(參見圖5)。這種技術(shù)雖不能保證 100% 的效率,但仍可將大約90% 的功率傳回到電網(wǎng)。這就只有 10% 的功率(在 5 kW 產(chǎn)品中為 500 W)會(huì)以熱量形式被耗散。從而能夠顯著減小產(chǎn)品的尺寸,并降低去除測試系統(tǒng)環(huán)境熱量所需的 HVAC 成本。

對(duì)于可再生解決方案而言,需要重點(diǎn)注意的是,“返回到交流電源中的功率有多干凈?”

如果從事生產(chǎn)工作,用戶就會(huì)知道:返回到交流電源中的功率發(fā)生任何失真都會(huì)被設(shè)施中的大量測試系統(tǒng)所放大?！芭K電力”可能導(dǎo)致設(shè)施發(fā)生間歇性故障,需要隔離每個(gè)測試系統(tǒng)的變壓器,以便減少因不良再生而導(dǎo)致的問題。最好是讓廠商確認(rèn)其產(chǎn)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(duì)從再生功率系統(tǒng)返回交流電源中的功率進(jìn)行總諧波失真度和功率因數(shù)測量；采用功率分析儀進(jìn)行測量

總結(jié)

DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊的功能還在隨市場需求不斷演變,因此,對(duì)它們的設(shè)計(jì)和測試還將繼續(xù)充滿挑戰(zhàn)。正如本文所討論過的,這一市場的成本壓力還將持續(xù)存在,因?yàn)殡妱?dòng)汽車和混動(dòng)汽車還會(huì)繼續(xù)進(jìn)行溢價(jià)。新的技術(shù),比如更大容量的鋰離子電池和寬禁帶器件功率半導(dǎo)體,將推動(dòng)這一市場成為主流市場。需要積極采用新的設(shè)計(jì)和測試技術(shù)及方案,以支持工程師保持DC-DC轉(zhuǎn)換器的質(zhì)量和可靠性,同時(shí)最大限度降低不必要的成本。

參考資料

[1] 汽車直流-直流轉(zhuǎn)換器市場規(guī)模與份額分析: 增長趨勢與預(yù)測(2023 - 2028 年) 來源: Mordor Intelligence

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