強混合動力/全混合動力汽車的簡化設(shè)計

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)。

混合動力汽車和電動汽車有多種架構(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)動強混合動力或并聯(lián)混合動力以及純電動汽車的動力總成系統(tǒng)。

圖 1. 強混合動力/全混合動力汽車的簡化框圖

圖 2. 輕混合動力汽車的簡化框圖

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(輕混合動力汽車為48 V;電動汽車/混合動力汽車為數(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)電氣負載供電。本文將重點探討這種DC-DC轉(zhuǎn)換器的模擬、設(shè)計、調(diào)試、驗證和制造測試。

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

在整個DC-DC轉(zhuǎn)換器開發(fā)周期中，設(shè)計和測試環(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。在設(shè)計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，制造商會將多個電源轉(zhuǎn)換器應用集成到一個模塊中(如DC-DC轉(zhuǎn)換器和板載充電器等)。 另外，設(shè)計師已開始采用基于寬禁帶(WBG)器件的新型功率半導體技術(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，進一步降低了設(shè)計成本。

高壓運行

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/電動汽車組件供電，減少了線束的重量。

高溫運行

寬禁帶器件的熱傳導性和熔點決定了它能夠在 300°C 以上的高溫運行。這種能力對于要求高溫運行的混動/電動汽車應用來說，是更可靠的解決方案。

仿真寬禁帶器件設(shè)計

在功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計中，寬禁帶器件的出現(xiàn)讓DC-DC轉(zhuǎn)換器的仿真和設(shè)計變得更加復雜。GaN 和 SiC 器件制造商都有良好的工藝把控，因此不會對器件進行大量表征。但是用戶卻需要逐個測試，以確定寬禁帶器件在其設(shè)計是否適用。另外，傳統(tǒng)的“集中分析”式仿真器具有快速開關(guān)的特性，因而不能對寬禁帶功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計提供精確仿真(參見圖 3)。

功率晶體管在進行開關(guān)轉(zhuǎn)換時，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。效果不佳的仿真會導致設(shè)計延遲，增加成本，因為設(shè)計師需要不斷地重復，以便下一個樣本能夠?qū)崿F(xiàn)預期的工作效果。良好的仿真還有助于提高直流對直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計的可靠性!

圖 3. 傳統(tǒng)模型/仿真結(jié)果 - 資料來源：羅姆半導體公司

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，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)電源與電子負載來實現(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行流暢的信號轉(zhuǎn)換，從而導致對工作條件的仿真不夠準確。

電子負載通常會消散從DC-DC轉(zhuǎn)換器傳輸過來的功率。但消散的功率會逐漸累積熱量，這在同步使用多個DC-DC轉(zhuǎn)換器進行測試的應用中尤為明顯。由于需要去掉電子負載中的熱量， 它們通常尺寸很大，需要利用風扇強制冷卻，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)計中，隨著功率半導體新技術(shù)的應用，需要進行更多的設(shè)計驗證和可靠性測試，才能確保在嚴酷的汽車運行條件下經(jīng)受住時間的考驗。當然，驗證和可靠性測試也意味著更高的成本，還會因此降低混動汽車/電動汽車的競爭優(yōu)勢。如果混動汽車/電動汽車中使用的直流對直流轉(zhuǎn)換器因為某些原因存在質(zhì)量問題，那么，一旦測試不到位就會導致極高的風險。

設(shè)計人員、技術(shù)人員和操作人員在測試DC-DC轉(zhuǎn)換器時，必須要對轉(zhuǎn)換器中使用的功率和電壓電平格外小心。混動汽車/電動汽車中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)過程中必須嚴格遵守專用的安全規(guī)范(比如： NFPA 79 工業(yè)機械電氣標準)。

這些安全標準要求配備一個冗余系統(tǒng)，確保測試系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時，不會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，采用 PLC 邏輯從測試系統(tǒng)進行單獨操作。這會為制造測試系統(tǒng)增加額外的設(shè)計、成本和復雜性。

最大程度地提高轉(zhuǎn)換器效率

設(shè)計人員還有一項挑戰(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。由于很多因素都會影響到效率，設(shè)計人員在進行設(shè)計測試時，很難面面俱到地仿真所有的條件。另外，設(shè)計人員還要在 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)變得愈加復雜。

在最大程度提高效率的這一過程中，還需保持電子動力傳動系統(tǒng)的“全系統(tǒng)”運行。目前，針對內(nèi)燃機和電動機的動力推進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，直流對直流轉(zhuǎn)換器將在分配功率方面扮演重要角色。為了驗證直流轉(zhuǎn)換器中的固件以及驗證功率傳動組件中的控制算法，功率硬件在環(huán)(PHIL)仿真測試對于在真實環(huán)境中測試全系統(tǒng)效率至關(guān)重要。

新興解決方案

為了應對電動汽車DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計和測試方面的挑戰(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體行為。需要通過 EMI 仿真來了解直流對直流轉(zhuǎn)換器對輻射和傳導干擾的影響。

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(zhuǎn)換器的設(shè)計影響巨大，熱仿真和熱分析對于了解冷卻要求至關(guān)重要。

半導體工程師可以為其轉(zhuǎn)換器器件仿真采用實證分析/數(shù)學模型，該模型中包括高頻表征(開關(guān)晶體管模型中“零偏”和導通狀態(tài)的 S 參數(shù)測量)，以及電子設(shè)計自動化軟件。憑借該技術(shù)，他們能夠顯著改進仿真數(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)为氹娫春碗娮迂撦d進行同步編程(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雙向直流對直流轉(zhuǎn)換器在兩個相反方向上的功率流進行準確仿真。

圖5. 供給/吸收功率系統(tǒng)

當電力系統(tǒng)向DC-DC轉(zhuǎn)換器供給功率時，大部分功率(取決于效率)會通過轉(zhuǎn)換器到達汽車負載。當電力系統(tǒng)從DC-DC轉(zhuǎn)換器吸收功率時，功率一定要能被動力系統(tǒng)吸收。但大部分電力系統(tǒng)(或電子負載)會以熱量形式消散該功率，因此針對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，通常會有供給/吸收功率系統(tǒng)和電子負載，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。

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

如果從事生產(chǎn)工作，用戶就會知道：返回到交流電源中的功率發(fā)生任何失真都會被設(shè)施中的大量測試系統(tǒng)所放大。“臟電力”可能導致設(shè)施發(fā)生間歇性故障，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(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. 對從再生功率系統(tǒng)返回交流電源中的功率進行總諧波失真度和功率因數(shù)測量;采用功率分析儀進行測量

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，對它們的設(shè)計和測試還將繼續(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，因為電動汽車和混動汽車還會繼續(xù)進行溢價。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體，將推動這一市場成為主流市場。需要積極采用新的設(shè)計和測試技術(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，同時最大限度降低不必要的成本。