新興電動(dòng)汽車直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)和測(cè)試解決方案
為了應(yīng)對(duì)這些設(shè)計(jì)與測(cè)試方面的挑戰(zhàn)，業(yè)界正在開(kāi)發(fā)一些全新的、創(chuàng)新型方案。

本文節(jié)選自白皮書(shū)《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》
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高頻率的模型/仿真

由于WBG 開(kāi)關(guān)波形（上升時(shí)間和下降時(shí)間< 10 ns）中存在高頻內(nèi)容，這就需要設(shè)計(jì)人員使用支持高頻（或電磁）的模型和仿真器準(zhǔn)確仿真功率半導(dǎo)體的特性。設(shè)計(jì)人員需要通過(guò)EMI 仿真來(lái)了解直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生的輻射和傳導(dǎo)干擾。此外，還需要考慮轉(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)有極大影響，因此必須進(jìn)行熱仿真和熱分析來(lái)了解散熱要求。

羅姆半導(dǎo)體公司為仿真他們?cè)谵D(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的器件，采用了一種實(shí)證分析/數(shù)學(xué)模型以及是德科技的PathWave 先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS) 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件。模型中包括高頻特征（開(kāi)關(guān)晶體管模型中“零偏”和導(dǎo)通狀態(tài)的S 參數(shù)測(cè)量結(jié)果）。憑借該技術(shù)，他們顯著改進(jìn)了仿真數(shù)據(jù)與測(cè)得數(shù)據(jù)的匹配度（參見(jiàn)圖4）。

圖4. 高頻模型/仿真結(jié)果――來(lái)源：羅姆半導(dǎo)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(kāi)始在單個(gè)產(chǎn)品中引入供給/吸收綜合解決方案。這些產(chǎn)品可以無(wú)縫地從供給電流（象限I）轉(zhuǎn)移到吸收電流（象限II），而無(wú)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(jiàn)圖5）。通過(guò)這種綜合能力，系統(tǒng)能夠生成流暢的輸出波形，準(zhǔn)確仿真雙向直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器在兩個(gè)相反功率流方向之間的轉(zhuǎn)換。

當(dāng)電源系統(tǒng)向直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器供給功率時(shí)，大部分功率（取決于效率）會(huì)通過(guò)轉(zhuǎn)換器到達(dá)汽車負(fù)載。當(dāng)電源系統(tǒng)從直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器吸收功率時(shí)，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(fù)載）會(huì)以熱量形式將這個(gè)功率消耗掉，因此面對(duì)直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器高達(dá)4 kW 的功率電平，設(shè)計(jì)人員需要設(shè)計(jì)更大尺寸的產(chǎn)品并配備風(fēng)扇。這就需要采用更大規(guī)模的測(cè)試系統(tǒng)并遵循更嚴(yán)格的HVAC 要求，以便去除設(shè)施中的熱量。

功率電平達(dá)到和超過(guò)5 kW 時(shí)，技術(shù)人員通常會(huì)使用供給/吸收電源系統(tǒng)和電子負(fù)載，可以將功率再生（或回收）至交流電源（見(jiàn)圖5）。這種技術(shù)雖不能保證100% 的效率，但可讓大部分設(shè)計(jì)將大約90% 的功率傳回到電網(wǎng)。剩下10% 的功率（在5 kW 產(chǎn)品中為500 W左右）會(huì)以熱量形式耗散掉。最終，產(chǎn)品的尺寸可以顯著減小，為去除測(cè)試系統(tǒng)環(huán)境中的熱量所付出的HVAC 成本也大幅降低。

對(duì)于可再生解決方案而言，需要重點(diǎn)注意的問(wèn)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(yīng)該知道當(dāng)返回到交流電源中的功率發(fā)生任何失真，都會(huì)被工廠中的大量測(cè)試系統(tǒng)所放大?！芭K電力”可能導(dǎo)致工廠發(fā)生間歇性故障，您需要隔離每個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的變壓器，以便減少因不良再生而導(dǎo)致的問(wèn)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(jiàn)圖6）。

圖6. 對(duì)從Keysight RP7900A 再生電源系統(tǒng)返回到交流電源中的功率進(jìn)行總諧波失真度(THD)和功率因數(shù)(PF) 測(cè)量――采用PA2203A IntegraVision 功率分析儀進(jìn)行測(cè)量。

安全性

如上文所述，安全的斷連系統(tǒng)通常是針對(duì)每個(gè)應(yīng)用進(jìn)行定制設(shè)計(jì)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(yīng)用中都是相同的，因此購(gòu)買一個(gè)在小封裝中集成了解決方案80% 功能的商用現(xiàn)貨安全斷連產(chǎn)品，能夠節(jié)省大量設(shè)計(jì)時(shí)間和成本。

安全斷連系統(tǒng)的關(guān)鍵特性是：

? 在測(cè)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(fù)輸出端開(kāi)路。
? 獨(dú)立感測(cè)斷連繼電器的位置（例如機(jī)械耦合傳感器繼電器）。
? 能夠感測(cè)緊急停機(jī)(E-Stop) 開(kāi)關(guān)，從而在操作員確定的緊急情況下斷開(kāi)斷連繼電器。
? 能夠感測(cè)測(cè)試夾具覆蓋的位置，從而確保在操作員更換直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器時(shí)不存在高壓。
? 使用泄放電阻釋放直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器的外接端子上的高電壓。
? 通過(guò)指示燈準(zhǔn)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(fù)載會(huì)讓測(cè)試系統(tǒng)更安全，前提是它們包含安全

相關(guān)的功能，比如：

? 過(guò)壓保護(hù)
? 過(guò)流保護(hù)
? 過(guò)溫保護(hù)
? 開(kāi)路感測(cè)引線檢測(cè)
? 固態(tài)斷連(< 5 μs)
? 向下編程(< 2 ms)
? 監(jiān)視計(jì)時(shí)器

為了充分利用電源產(chǎn)品中的這些安全特性，應(yīng)確保在檢測(cè)到任何“報(bào)警”狀態(tài)時(shí)，它們能夠與安全斷連系統(tǒng)通信。Keysight EV1003A 功率轉(zhuǎn)換器測(cè)試解決方案將商用現(xiàn)貨的安全斷連系統(tǒng)與設(shè)計(jì)良好的供給/吸收電源系統(tǒng)相結(jié)合，可以保證員工的安全（參見(jiàn)圖7）

圖7. EV1003A 功率轉(zhuǎn)換器測(cè)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(duì)直流轉(zhuǎn)換器模塊的功能還在隨市場(chǎng)需求不斷演變，因此，對(duì)它們的設(shè)計(jì)和測(cè)試還將繼續(xù)充滿挑戰(zhàn)。正如我們所討論過(guò)的，這一市場(chǎng)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)溢價(jià)銷售。新的技術(shù)，比如更大容量的鋰離子電池和WBG 功率半導(dǎo)體，將推動(dòng)這一市場(chǎng)成為主流市場(chǎng)。您的對(duì)策應(yīng)該是積極采用新的設(shè)計(jì)和測(cè)試技術(shù)及方案，以支持工程師保持直流對(duì)直流轉(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。

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《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(shū)《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(kāi)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。

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