在汽車(chē)行業(yè)向電動(dòng)化轉(zhuǎn)型的浪潮中，電動(dòng)汽車(chē)(EV)與混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)的市場(chǎng)份額逐步擴(kuò)大。DC-DC 轉(zhuǎn)換器作為這兩類(lèi)汽車(chē)的關(guān)鍵部件，其性能優(yōu)劣直接關(guān)乎車(chē)輛電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行與整體能效。隨著車(chē)載系統(tǒng)的日益復(fù)雜，如高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)與車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)的普及，對(duì) DC-DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與測(cè)試提出了更高要求。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器的作用與背景

DC-DC 轉(zhuǎn)換器承擔(dān)著電壓轉(zhuǎn)換的重任，為各類(lèi)車(chē)載系統(tǒng)供電。在電動(dòng)汽車(chē)與混合動(dòng)力汽車(chē)中，大容量電池輸出的高壓總線，需經(jīng) DC-DC 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)的 12V 電源總線電壓，以適配大多數(shù)電氣負(fù)載。例如，輕混合動(dòng)力汽車(chē)的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器將 48V 電壓轉(zhuǎn)換為 12V，而電動(dòng)汽車(chē) / 混合動(dòng)力汽車(chē)則是將數(shù)百伏的高壓轉(zhuǎn)換為 12V。這一轉(zhuǎn)換過(guò)程不僅要保證電壓穩(wěn)定輸出，還需滿(mǎn)足不同系統(tǒng)對(duì)功率的需求。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)方向

新型功率半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用

為應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)和測(cè)試環(huán)節(jié)的降本增效壓力，設(shè)計(jì)師開(kāi)始采用基于寬禁帶(WBG)器件的新型功率半導(dǎo)體技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的硅基(Si)功率轉(zhuǎn)換器，碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。在功率效率方面，WBG 器件開(kāi)關(guān)速度遠(yuǎn)超硅器件，能大幅降低電源轉(zhuǎn)換過(guò)程中的功率損耗，即開(kāi)關(guān)損耗。同時(shí)，更高的開(kāi)關(guān)頻率使磁性元器件尺寸得以減小，進(jìn)而降低設(shè)計(jì)成本。從高壓運(yùn)行角度看，WBG 器件可在 600V 以上的高壓環(huán)境工作，允許高壓總線架構(gòu)以更小電流為混動(dòng) / 電動(dòng)汽車(chē)組件供電，減輕了線束重量。而且，寬禁帶器件憑借出色的熱傳導(dǎo)性和高熔點(diǎn)，能夠在 300°C 以上的高溫環(huán)境穩(wěn)定運(yùn)行，為高溫運(yùn)行需求的汽車(chē)應(yīng)用提供了可靠解決方案。

多應(yīng)用集成設(shè)計(jì)

為減少液冷模塊數(shù)量，制造商將多個(gè)電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用集成到一個(gè)模塊中，如將 DC-DC 轉(zhuǎn)換器與板載充電器集成。這種集成設(shè)計(jì)不僅降低了冷卻成本，還優(yōu)化了系統(tǒng)布局，提升了整體空間利用率。例如，某些電動(dòng)汽車(chē)采用集成模塊后，車(chē)輛內(nèi)部布線更加簡(jiǎn)潔，減少了故障點(diǎn)，提高了系統(tǒng)可靠性。

測(cè)試方法與挑戰(zhàn)

仿真寬禁帶器件設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

寬禁帶器件的出現(xiàn)使 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的仿真和設(shè)計(jì)復(fù)雜度大幅提升。由于 GaN 和 SiC 器件制造商對(duì)器件的表征有限，用戶(hù)需自行逐個(gè)測(cè)試，以確定其在特定設(shè)計(jì)中的適用性。傳統(tǒng) “集中分析” 式仿真器因快速開(kāi)關(guān)特性，無(wú)法精確仿真寬禁帶功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。功率晶體管開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，傳統(tǒng)模型 / 仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)得結(jié)果存在明顯差異，這種不準(zhǔn)確的仿真會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期延長(zhǎng)、成本增加，因?yàn)樵O(shè)計(jì)師需不斷重復(fù)設(shè)計(jì)與測(cè)試，直至樣本達(dá)到預(yù)期性能。

雙向測(cè)試難題

隨著雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的增多，測(cè)試設(shè)備需具備雙向功率流測(cè)量能力，即能為 DC-DC 轉(zhuǎn)換器供給功率并吸收功率。傳統(tǒng)做法是并聯(lián)電源與電子負(fù)載，但外部電路(如阻止電流流入電源的二極管)及復(fù)雜的 “雙儀器” 編程，阻礙了供給功率和吸收功率之間的流暢信號(hào)轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致工作條件仿真不準(zhǔn)確。而且，電子負(fù)載在消散 DC-DC 轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)墓β蕰r(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，尤其在多個(gè) DC-DC 轉(zhuǎn)換器同步測(cè)試時(shí)，散熱問(wèn)題突出，常需大型風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻或水冷系統(tǒng)，增加了測(cè)試設(shè)備的體積與成本。

可靠性與安全性測(cè)試的重要性

在 DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，隨著新功率半導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用，必須進(jìn)行更多設(shè)計(jì)驗(yàn)證和可靠性測(cè)試，以確保產(chǎn)品能在嚴(yán)苛的汽車(chē)運(yùn)行條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。若測(cè)試不到位，直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器存在質(zhì)量問(wèn)題，將給混動(dòng)汽車(chē) / 電動(dòng)汽車(chē)帶來(lái)極高風(fēng)險(xiǎn)。例如，在高溫、高濕等極端環(huán)境下，若 DC-DC 轉(zhuǎn)換器性能不穩(wěn)定，可能引發(fā)車(chē)輛電氣故障，危及行車(chē)安全。同時(shí)，混動(dòng)汽車(chē) / 電動(dòng)汽車(chē)中 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓超過(guò) 60V 安全電壓限值，在生產(chǎn)測(cè)試過(guò)程中，必須嚴(yán)格遵循專(zhuān)用安全規(guī)范，如 NFPA 79 工業(yè)機(jī)械電氣標(biāo)準(zhǔn)，這增加了測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、成本與復(fù)雜性。

效率測(cè)試的復(fù)雜性

設(shè)計(jì)人員需最大化提高轉(zhuǎn)換器效率，但效率受溫度、工作電壓、額定功率百分比及其他環(huán)境條件等多種因素影響，難以全面仿真所有條件。而且，要在 95% 或更高效率中精確測(cè)量到 0.1% 的效率變化，對(duì)測(cè)量?jī)x器要求極高，通常需要 16 位或更高分辨率，還需精確的電流互感器和同步良好的電流、電壓波形，這使得測(cè)量挑戰(zhàn)愈發(fā)艱巨。

應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的創(chuàng)新測(cè)試方案

高頻率模型 / 仿真技術(shù)

鑒于寬禁帶器件開(kāi)關(guān)波形中的高頻率成分(升降時(shí)間 <10ns)，需運(yùn)用高頻率(或電磁)模型和仿真器來(lái)精確模擬功率半導(dǎo)體行為。通過(guò) EMI 仿真，可了解直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器對(duì)輻射和傳導(dǎo)干擾的影響。工程師還需考慮轉(zhuǎn)換器版圖中零部件的物理定位，對(duì)半導(dǎo)體封裝寄生效應(yīng)和 PCB 效應(yīng)進(jìn)行表征。熱仿真和熱分析也不可或缺，其有助于明確冷卻要求。半導(dǎo)體工程師采用實(shí)證分析 / 數(shù)學(xué)模型，結(jié)合高頻表征(如開(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)與電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，可顯著提升仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的匹配度。

具有再生能力的供給功率 / 吸收功率集成系統(tǒng)

許多廠商推出集成式供給 / 吸收解決方案，產(chǎn)品可無(wú)縫實(shí)現(xiàn)從供給電流到吸收電流的轉(zhuǎn)換，無(wú)需外部電路或?qū)为?dú)電源和電子負(fù)載進(jìn)行同步編程。這種集成系統(tǒng)能夠利用流暢的輸出波形，準(zhǔn)確仿真雙向直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器在兩個(gè)方向上的功率流。在功率電平較高(5kW 及以上)時(shí)，供給 / 吸收功率系統(tǒng)和電子負(fù)載可將功率再生(或返回)至交流電源，雖不能實(shí)現(xiàn) 100% 效率，但可將約 90% 的功率傳回到電網(wǎng)，僅 10% 的功率以熱量形式耗散，顯著減小了產(chǎn)品尺寸，降低了測(cè)試系統(tǒng)的 HVAC 成本。但使用此類(lèi)可再生解決方案時(shí)，需關(guān)注返回到交流電源中的功率質(zhì)量，確保其低失真度。

電動(dòng)汽車(chē)和混動(dòng)汽車(chē) DC-DC 轉(zhuǎn)換器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與測(cè)試方法是推動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)化發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)采用新型功率半導(dǎo)體技術(shù)、多應(yīng)用集成設(shè)計(jì)等創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路，以及運(yùn)用高頻率模型 / 仿真技術(shù)、具有再生能力的供給功率 / 吸收功率集成系統(tǒng)等創(chuàng)新測(cè)試方案，可有效提升 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的性能與可靠性，降低設(shè)計(jì)與測(cè)試成本，滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)不斷發(fā)展的需求，為電動(dòng)汽車(chē)和混動(dòng)汽車(chē)的廣泛普及奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。