解析混动汽车和电动汽车DC/DC变换器的工作原理、设计和测试

混动汽车工作原理

混动汽车通过内燃机和电动机的协同工作实现动力输出，使得汽车在保持燃油经济性的同时提供更好的动力性能和更低的尾气排放。控制系统的智能调节使得混动汽车能够根据实际需要灵活切换工作模式，提供更加平顺而高效的驾驶体验。

混动汽车是一种结合了内燃机和电动机的汽车技术，其工作原理主要包括以下几个方面：

内燃机技术

混动汽车通常搭载一台燃油发动机。这台发动机主要负责为汽车提供动力，并驱动车辆行驶。与传统汽车不同的是，混动汽车的发动机通常采用高效燃烧技术，以提高燃油利用率和降低尾气排放。

电动机技术

混动汽车还配备了一台电动机，它可以通过电池储存的能量提供额外的动力。电动机通常由电池供电，电池可通过插电充电或者电动机回收制动能量进行充电。电动机与内燃机相辅相成，可以在起步阶段或场景中提供额外的扭矩和动力，从而提高整车的燃油经济性。

控制系统

混动汽车的控制系统起到整合和优化内燃机和电动机之问协同工作的关键作用。控制系统根据车辆的工况和驾驶需求，动态地决定内燃机和电动机的工作方式和协同运行策略。例如，在加速或超车时，控制系统可能同时启动内燃机和电动机，以最大化动力输出；而在低速行驶或停车制动过程中，控制系统可能主要依靠电动机运行，以降低燃料消耗和尾气排放。

回收制动能量

混动汽车还具备回收制动能量的功能。当司机踩下刹车时，电动机将扮演发电机的角色，通过回收制动能量将动能转化为电能，并储存在电池中。这样一来，混动汽车有效利用了制动能量，提高了能量利用率和续航里程。

混动汽车和电动汽车直流对直流转换器设计和测试

DC-DC转换器工作原理

DC-DC转换器就是重复通断开关，把直流电压或电流转换成高频方波电压或电流，再经整流平滑变为直流电压输出。DC-DC转换器一般由控制芯片，电感线圈，二极管，三极管，电容器构成。DC/DC转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器。

现如今，随着混动和电动汽车销量的增长，汽车业电动化的投资和开发力度也在日益加大。

尽管2016年电动汽车 (EV) 仅占客车销售量的不到1%，但2015年到2016年电动汽车的销售增幅已达60%。

1、特斯拉、雪佛兰等汽车厂家已在一定程度上消除了人们购买电动汽车的某些疑虑。一次充电可以续航200英里以上（雪佛兰Bolt：238英里、特斯拉Model 3：220英里），减少了人们对电动汽车行驶里程的焦虑。这样的里程足以让通勤人士和短程旅行者放心往返，而不必担忧充电站的地点和充电时间。售价也在下降，特斯拉最近推出的首款 Model3车型，起步价仅为3.5万美元。Model 3是埃隆•马斯克面向大众市场的首款电动汽车，其总产量还计划再增加10倍。中国在截止2020年的最新五年计划中，准备新增 480 万个充电桩。

2、中国的空气污染日益严重，已有100多个城市的人口超过100万，因此，零碳排放的汽车定将成为大势所趋。

然而，许多制造商只是制造“合规”的电动汽车，仅仅停留在满足二氧化碳排放的法规要求上。电动汽车行业目前还未产生盈利。经验表明，新的动力总成技术通常需要一个以上的设计周期才能走上盈利。电动汽车动力总成组件（牵引电机/转换器、功率转换器和电池）的成本压力正在推动新的基础性技术的开发。例如，为了增加电动汽车的续航里程，需要开发更大容量的锂离子电池，使其达到60Ah或更高。锂电池可以增加电动汽车的续航里程，但与铅酸电池相比，其可靠性较低，需要额外的验证测试和对制造流程持续监控。想要从传统内燃机（ICE）市场争夺更大的份额，电动汽车制造商的成本压力还会持续增加。

另一方面，混动汽车（HEV）目前已经有了一段时间的盈利。据日经新闻报道，本田和丰田所有的混动汽车自2009年开始都已实现盈利，并且销售利润与传统内燃机汽车相当。混动汽车的销量远大于电动汽车，而且在可预见的未来将会占据市场主导地位（参见图1）。欧洲许多汽车OEM厂家都在郑重宣布加大中度混动（MH）技术的投入。事实上沃尔沃已在近期宣布，截止到2019年其全部新车都将采用电动发动机。中度混动（MH）技术需要的投资比全部混动技术低近50%，但仍可将二氧化碳排放量减少多达15-20%。减少二氧化碳排量的中度混动技术平衡了合规与投资成本最小化的需求，因此采用该技术的汽车能够保持与内燃机汽车具有相当竞争力的价格。

图1. 混动汽车/电动汽车全球销量预测

混动汽车和电动汽车架构上的差异

图2显示的是一些架构的简易框图。强混动（或并行混动）和纯电动（无引擎）汽车的电动动力传动系统都是由大容量电池提供的高电压（HV）总线来驱动的。逆变器和电动机/发电机的功率电平都在60kW到180kW以上。除了大容量锂电池以外，另外一项重大投资就是开发这些架构。大多数组件都是双向的，允许电力从电池流向逆变器，进而转动电动机和移动汽车（牵引驱动）。而在减速时，汽车的电动机又变为发电机， 通过逆变器将电力返回，并为电池充电（再生制动）。

在中度混动（MH）汽车中，电动机/发电机、逆变器和电池也都是双向的。它们虽然不足以完全 独立驱动汽车（像在混动汽车或电动汽车中一样），但仍然可在加速期间补充引擎电力，并在减速时为电池充电。中度混动汽车的电压电平通常是48V，可使高电压总线保持在60V的安全额定电压内，也能以相同的额定电流为12V总线提供四倍的电力。

图2. 混动汽车/电动汽车动力传动系统架构

直流对直流转换器是这两种架构中的关键组件，它将高电压总线（中度混动汽车-48V或电动汽车/混动汽车-100s of V）转换为传统的12V电力总线，而后者可为大多数电子负载供电。直流对直流转换器的仿真、设计、调试、验证和制造测试是我们要讨论的重点。

在强混合电动汽车或电动汽车应用中，直流：直流转换器用于将高电压总线中的电力转换为12V电力，从而为12V电池充电。目前尚不存在通过12V总线将电力“提升”到高电压总线的应用，因此这些架构中的直流对直流转换器基本都是单向的。然而，在中度混动架构中，直流对直流转换器除了要从48V总线为12V电池充电外，还需要将12V总线中的电力转换到48V总线。主要的应用是， 在使用接触器将48V电池连接到该总线之前对48V总线（即逆变器的输入电容）进行预充电。预充电对电池电压和逆变器输入进行均衡，从而能最大程度减小接触器的电弧作用。如上文所述，欧洲对中度混动技术作出了重大承诺，致力于在混合动力汽车市场中进一步扩大份额。

随着这两种架构的市场不断发展，高压总线中还会增加新的负载。高压总线上的负载通常比低电压总线供电时效率更高。此外，电子负载的电子控制和通电仅在需要时（比如泵）才会比机械负载的效率更高，因为后者是与机械驱动系统始终保持连接的。随着越来越多的负载过渡到使用高压总线，这就可能额外产生将12V总线提升到高压总线的需求。例如，锂离子电池在低温下性能不佳。因此，当引擎启动器由高压总线供电时，采用12V铅酸电池就会多有益处。因为它具有良好的冷启动能力，可以通过直流对直流转换器将电力返回到高压总线，从而帮助启动器发动引擎。

那么，行业趋势如何影响电动汽车直流对直流转换器的设计和测试呢？

混动汽车和电动汽车DC-DC转换器设计成本压力

在直流对直流转换器的开发周期中，降低设计和测试成本的压力极大。基于硅的大多数直流对直流转换器都是采用水冷方式。混动汽车/电动汽车制造商把冷却设计的额外成本转移给了设计和测试工程师，要求在设计和测试时利用水箱、水泵和水管来冷却直流对直流转换器。这样，制造商就把多个功率转换器集成到单个模块中（即 直流对直流转换器 + 板载充电器），最大程度减少了液冷模块的数量。此外，设计人员也开始借助WBG 宽禁带器件来采用新的功率半导体技术。

什么是宽禁带半导体？

宽禁带半导体主要是指禁带宽度（导带最低点与价带最高点之间的能量差）大于2.2电子伏特的半导体材料。以GaN、SiC为代表的宽禁带半导体材料具有高击穿电场强度、高截止频率、高热传导率、高结温和良好的热稳定性、强抗辐射能力等特点，这些特点的具备使得其可以在传统器件所不能胜任的高温、强辐射环境中得到应用。宽禁带半导体材料是被称为第三代半导体材料。目前领先的宽禁带半导体技术有两项，即碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。

宽禁带半导体技术

宽禁带半导体主要具有以下四种优点：

1、宽禁带半导体材料具有较大的禁带宽度以及很高的击穿电场强度，使得宽禁带器件能够承受的峰值电压大幅度提高，器件的输出功率可获得大规模提升；

2、宽禁带材料具有高热导率、高化学稳定性等优点，使得功率器件可以在更加恶劣的环境下工作，可极大提高系统的稳定性与可靠性；

3、宽禁带材料抗辐射能力非常好，在辐射环境下，宽禁带器件对辐射的稳定性比Si器件高10至100倍，因此是制作耐高温、抗辐射的大功率微波功率器件的优良材料；

4、宽禁带半导体器件的结温高，故在冷却条件较差、热设计保障较差的环境下也能够稳定工作。

宽禁带器件比硅器件具有明显优势

功率效率：
宽禁带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）能够得以最小化。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：
宽禁带器件能够处理的电压（600V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：
宽禁带器件的热传导性和熔点决定了它能够在300°C以上的高温运行。这种能力对于要求高温运行的混动/电动汽车应用来说，是更可靠的解决方案。

仿真宽禁带器件设计

在功率转换器设计中，宽禁带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，以确定宽禁带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，因而不能对宽禁带功率转换器的设计提供精确仿真（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延迟，增加成本，因为设计人员需要不断地重复，以便下一个样本能够实现预期的工作效果。良好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

DC-DC转换器双向测试

随着越来越多的直流对直流转换器变为双向，测量双方向的功率流时，需要测试设备有能力为直流对直流转换器供给功率和吸收功率。传统上，这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”编程通常不支持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。

电子负载通常会消散从直流对直流转换器传输过来的功率。但消散的功率会逐渐累积热量，这在同步使用多个直流对直流转换器进行测试的应用中尤为明显。由于需要去掉电子负载中的热量， 它们通常尺寸很大，需要利用风扇强制冷却，或者用水冷却。

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运行条件下经受住时间的考验。当然，验证和可靠性测试也意味着更高的成本，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，一旦测试不到位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，必须要对转换器中使用的功率和电压电平格外小心。混动汽车/电动汽车中直流对直流转换器的输入电压都超过了 60V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（比如： 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，确保测试系统在出现故障时，不会让操作员接触到高压。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。

如何最大程度地提高转换器效率?

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。由于很多因素都会影响到效率，设计人员在进行设计测试时，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 这需要具有极大动态范围的测量仪器，通常要求有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，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，还需保持电子动力传动系统的“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已经开发出许多更高效的控制算法，因而，直流对直流转换器将在分配功率方面扮演重要角色。为了验证直流转换器中的固件以及验证功率传动组件中的控制算法，功率硬件在环（PHIL）仿真测试对于在真实环境中测试全系统效率至关重要。

新兴混动汽车和电动汽车DC-DC转换器设计和测试解决方案

为了应对这些设计与测试方面的挑战，一些全新的、创新型方案正在被开发出来。

高频率的模型/仿真

由于宽禁带器件开关波形中存在高频率成分（升降时间<10ns），这就需要使用高频率（或电磁）的模型和仿真器来精确仿真功率半导体行为。需要通过EMI仿真来了解直流对直流转换器对辐射和传导干扰的影响。此外，还需考虑转换器版图中零部件的物理定位，以及对半导体封装寄生效应和PCB效应进行表征。最后，由于温度对直流对直流转换器的设计影响巨大，热仿真和热分析对于了解冷却要求至关重要。

罗姆半导体公司为其转换器器件仿真采用了实证分析/数学模型，该模型中包括高频表征（开关晶体管模型中“零偏”和导通状态的S参数测量），以及是德科技的先进设计系统（ADS）和电子设计自动化软件。凭借该技术，他们显著改进了仿真数据与测得数据的匹配度（参见图4）。

图4. 高频率模型/仿真的测量结果

具有再生能力的供给功率/吸收功率集成系统

许多厂商都把集成式供给/吸收解决方案引入到了在单个产品中。这些产品可以无缝地从供给电流（象限1）转移到吸收电流（象限II），而无需使用外部电路或对单独电源和电子负载进行同步编程（参见图5）。通过这种集成，系统能够使用流畅的输出波形对双向直流对直流转换器在两个相反方向上的功率流进行准确仿真。

图5. 供给/吸收功率系统

当电力系统向直流对直流转换器供给功率时，大部分功率（取决于效率）会通过转换器到达汽车负载。当电力系统从直流对直流转换器吸收功率时，功率一定要能被动力系统吸收。但大部分电力系统（或电子负载）会以热量形式消散该功率，因此针对直流对直流转换器的功率电平（最大约4kW），需要用较大的尺寸为产品配备风扇。这就需要增大测试系统的尺寸和提高HVAC要求，以便去除设施中的热量。在5kW功率电平及以上，通常会有供给/吸收功率系统和电子负载，可以将功率再生（或返回）至交流电源。这种技术虽不能保证100%的效率，但仍可将大约90%的功率传回到电网。这就只有10%的功率（在5kW产品中为500W）会以热量形式被耗散。从而能够显著减小产品的尺寸，并降低去除测试系统环境热量所需的HVAC成本。

对于可再生解决方案而言，需要重点注意的是，“返回到交流电源中的功率有多干净？”

如果您从事生产工作，您就会知道：返回到交流电源中的功率发生任何失真都会被设施中的大量测试系统所放大。“脏电力”可能导致设施发生间歇性故障，需要隔离每个测试系统的变压器，以便减少因不良再生而导致的问题。最好是让厂商确认其产品返给交流电源的功率能够保证低失真度（参见图6）。

图6. 对从KEYSIGHT RP7900A再生功率系统返回到交流电源中的功率进行总谐波失真度和功率因数测量 – 采用PA2203A IntegraVision功率分析仪进行测量。

安全性

如上文所述，安全的断连系统通常是针对每个应用进行定制设计的。它们通常占用大量空间， 并且是由人工接线。由于很多功能在多种应用上都是相同的，因此购买一个在小封装中集成了80% 解决方案的商用现货安全断连产品，能够节省设计时间和成本。

安全断连系统的关键特性是：

在测试系统中，利用冗余的、流电的断连（物理中继器）来打开高压电源的正负输出端。

独立检测断连中继器的位置（比如：机械耦合传感器中继器）。

能够检测紧急停机（E-Stop）开关，从而在操作员确定的紧急情况下打开断连中继器。

能够检测测试夹具覆盖的位置，从而确保在操作员更换直流对直流转换器时不存在高压。

放出电阻，以便在直流对直流转换器的外部终端上释放高电压。

通过指示灯准确指示安全和不安全的状态。

另外，供给/吸收功率系统、电源或电子负载会让测试系统更安全，前提是它们包含安全相关的功能，比如：

过压保护

过流保护

过温保护

开路感测引线检测

固态断连（<5μs）

向下编程（<2ms）

看门狗计时器

为了充分利用功率产品中的这些安全特性，应确保在检测到任何“报警”状态时，它们能够与安全断连系统通信。Keysight EV1003A功率转换器测试解决方案将商用现货安全断连系统与设计良好的供给/吸收功率系统相结合，可以保证员工的安全（参见图7）。

图7. EV1003A功率转换器测试解决方案，二象限、可再生功率系统，以及集成式安全断连解决方案。

总之，直流对直流转换器模块的功能还在随市场需求不断演变，因此，对它们的设计和测试还将继续充满挑战。正如我们所讨论过的，这一市场的成本压力还将持续存在，因为电动汽车和混动汽车还会继续进行溢价。新的技术，比如更大容量的锂离子电池和宽禁带器件功率半导体，将推动这一市场成为主流市场。需要积极采用新的设计和测试技术及方案，以支持工程师保持直流对直流转换器的质量和可靠性，同时最大限度降低不必要的成本。

是德科技为混动汽车/电动汽车市场提供了丰富的解决方案，包括直流对直流转换器的设计与测试。