在汽車行業(yè)向電動化轉型的浪潮中，電動汽車(EV)與混合動力汽車(HEV)的市場份額逐步擴大。DC-DC 轉換器作為這兩類汽車的關鍵部件，其性能優(yōu)劣直接關乎車輛電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運行與整體能效。隨著車載系統(tǒng)的日益復雜，如高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)與車載信息娛樂系統(tǒng)的普及，對 DC-DC 轉換器的設計與測試提出了更高要求。

DC-DC 轉換器的作用與背景

DC-DC 轉換器承擔著電壓轉換的重任，為各類車載系統(tǒng)供電。在電動汽車與混合動力汽車中，大容量電池輸出的高壓總線，需經(jīng) DC-DC 轉換器轉換為傳統(tǒng)的 12V 電源總線電壓，以適配大多數(shù)電氣負載。例如，輕混合動力汽車的 DC-DC 轉換器將 48V 電壓轉換為 12V，而電動汽車 / 混合動力汽車則是將數(shù)百伏的高壓轉換為 12V。這一轉換過程不僅要保證電壓穩(wěn)定輸出，還需滿足不同系統(tǒng)對功率的需求。

創(chuàng)新設計方向

新型功率半導體技術應用

為應對設計和測試環(huán)節(jié)的降本增效壓力，設計師開始采用基于寬禁帶(WBG)器件的新型功率半導體技術。相較于傳統(tǒng)的硅基(Si)功率轉換器，碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。在功率效率方面，WBG 器件開關速度遠超硅器件，能大幅降低電源轉換過程中的功率損耗，即開關損耗。同時，更高的開關頻率使磁性元器件尺寸得以減小，進而降低設計成本。從高壓運行角度看，WBG 器件可在 600V 以上的高壓環(huán)境工作，允許高壓總線架構以更小電流為混動 / 電動汽車組件供電，減輕了線束重量。而且，寬禁帶器件憑借出色的熱傳導性和高熔點，能夠在 300°C 以上的高溫環(huán)境穩(wěn)定運行，為高溫運行需求的汽車應用提供了可靠解決方案。

多應用集成設計

為減少液冷模塊數(shù)量，制造商將多個電源轉換器應用集成到一個模塊中，如將 DC-DC 轉換器與板載充電器集成。這種集成設計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，某些電動汽車采用集成模塊后，車輛內部布線更加簡潔，減少了故障點，提高了系統(tǒng)可靠性。

測試方法與挑戰(zhàn)

仿真寬禁帶器件設計的挑戰(zhàn)

寬禁帶器件的出現(xiàn)使 DC-DC 轉換器的仿真和設計復雜度大幅提升。由于 GaN 和 SiC 器件制造商對器件的表征有限，用戶需自行逐個測試，以確定其在特定設計中的適用性。傳統(tǒng) “集中分析” 式仿真器因快速開關特性，無法精確仿真寬禁帶功率轉換器設計。功率晶體管開關轉換時，傳統(tǒng)模型 / 仿真結果與實際測得結果存在明顯差異，這種不準確的仿真會導致設計周期延長、成本增加，因為設計師需不斷重復設計與測試，直至樣本達到預期性能。

雙向測試難題

隨著雙向 DC-DC 轉換器的增多，測試設備需具備雙向功率流測量能力，即能為 DC-DC 轉換器供給功率并吸收功率。傳統(tǒng)做法是并聯(lián)電源與電子負載，但外部電路(如阻止電流流入電源的二極管)及復雜的 “雙儀器” 編程，阻礙了供給功率和吸收功率之間的流暢信號轉換，導致工作條件仿真不準確。而且，電子負載在消散 DC-DC 轉換器傳輸?shù)墓β蕰r會產(chǎn)生熱量，尤其在多個 DC-DC 轉換器同步測試時，散熱問題突出，常需大型風扇強制冷卻或水冷系統(tǒng)，增加了測試設備的體積與成本。

可靠性與安全性測試的重要性

在 DC-DC 轉換器設計中，隨著新功率半導體技術的應用，必須進行更多設計驗證和可靠性測試，以確保產(chǎn)品能在嚴苛的汽車運行條件下長期穩(wěn)定工作。若測試不到位，直流對直流轉換器存在質量問題，將給混動汽車 / 電動汽車帶來極高風險。例如，在高溫、高濕等極端環(huán)境下，若 DC-DC 轉換器性能不穩(wěn)定，可能引發(fā)車輛電氣故障，危及行車安全。同時，混動汽車 / 電動汽車中 DC-DC 轉換器的輸入電壓超過 60V 安全電壓限值，在生產(chǎn)測試過程中，必須嚴格遵循專用安全規(guī)范，如 NFPA 79 工業(yè)機械電氣標準，這增加了測試系統(tǒng)的設計、成本與復雜性。

效率測試的復雜性

設計人員需最大化提高轉換器效率，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量到 0.1% 的效率變化，對測量儀器要求極高，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，這使得測量挑戰(zhàn)愈發(fā)艱巨。

應對挑戰(zhàn)的創(chuàng)新測試方案

高頻率模型 / 仿真技術

鑒于寬禁帶器件開關波形中的高頻率成分(升降時間 <10ns)，需運用高頻率(或電磁)模型和仿真器來精確模擬功率半導體行為。通過 EMI 仿真，可了解直流對直流轉換器對輻射和傳導干擾的影響。工程師還需考慮轉換器版圖中零部件的物理定位，對半導體封裝寄生效應和 PCB 效應進行表征。熱仿真和熱分析也不可或缺，其有助于明確冷卻要求。半導體工程師采用實證分析 / 數(shù)學模型，結合高頻表征(如開關晶體管模型中 “零偏” 和導通狀態(tài)的 S 參數(shù)測量)與電子設計自動化軟件，可顯著提升仿真數(shù)據(jù)與實測數(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)品可無縫實現(xiàn)從供給電流到吸收電流的轉換，無需外部電路或對單獨電源和電子負載進行同步編程。這種集成系統(tǒng)能夠利用流暢的輸出波形，準確仿真雙向直流對直流轉換器在兩個方向上的功率流。在功率電平較高(5kW 及以上)時，供給 / 吸收功率系統(tǒng)和電子負載可將功率再生(或返回)至交流電源，雖不能實現(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，降低了測試系統(tǒng)的 HVAC 成本。但使用此類可再生解決方案時，需關注返回到交流電源中的功率質量，確保其低失真度。

電動汽車和混動汽車 DC-DC 轉換器的創(chuàng)新設計與測試方法是推動汽車電動化發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)。通過采用新型功率半導體技術、多應用集成設計等創(chuàng)新設計思路，以及運用高頻率模型 / 仿真技術、具有再生能力的供給功率 / 吸收功率集成系統(tǒng)等創(chuàng)新測試方案，可有效提升 DC-DC 轉換器的性能與可靠性，降低設計與測試成本，滿足汽車行業(yè)不斷發(fā)展的需求，為電動汽車和混動汽車的廣泛普及奠定堅實基礎。