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wordpress4.5.3中文版,网站内容很少如何做seo,网站建设的最终目标,php商场网站开发经验汽车 DC-DC 转换器市场规模将达到187亿美元#xff0c;年复合增长率为10%。 DC-DC 转换器是汽车的重要组成部分#xff0c;它可以通过电压转换为各种车载系统供电#xff0c;例如日益复杂的车载信息娱乐系统、使用驾驶辅助系统#xff08;ADAS#xff09;实现的增强安全功…汽车 DC-DC 转换器市场规模将达到187亿美元年复合增长率为10%。 DC-DC 转换器是汽车的重要组成部分它可以通过电压转换为各种车载系统供电例如日益复杂的车载信息娱乐系统、使用驾驶辅助系统ADAS实现的增强安全功能等。 包括纯电动汽车和混合动力汽车HEV在内的电动汽车EV的日益普及也带动了整个市场对 DC-DC 转换器的需求。 下面本文将介绍一些有助于开发更高效 DC-DC 转换器的行业趋势和技术。 混合动力汽车和电动汽车有多种架构变化。图 1和图2显示的是这些架构的简化框图。大容量电池提供的高压HV总线可驱动强混合动力或并联混合动力以及纯电动汽车的动力总成系统。 图 1. 强混合动力/全混合动力汽车的简化框图 图 2. 轻混合动力汽车的简化框图 DC-DC 转换器是这两种架构中的关键零部件它将较高的总线电压轻混合动力汽车为48 V电动汽车/混合动力汽车为数百伏转换为传统的12 V电源总线电压以便为大多数电气负载供电。本文将重点探讨这种 DC-DC 转换器的模拟、设计、调试、验证和制造测试。 行业趋势如何影响电动汽车设计以及电动汽车 DC-DC 转换器测试 在整个 DC-DC 转换器开发周期中设计和测试环节都面临着极大的降本增效压力。大多数 DC-DC 转换器采用基于水冷结构的硅基Si功率转换器设计。在设计和测试过程中需要使用蓄水池、泵和软管来冷却 DC-DC 转换器这给设计和测试工程师转嫁了额外的冷却成本。 因此为了地减少液冷模块的数量制造商会将多个电源转换器应用集成到一个模块中如 DC-DC 转换器和板载充电器等。 另外设计师已开始采用基于宽禁带WBG器件的新型功率半导体技术。与硅相比碳化硅SiC和氮化镓GaN这两种技术具有一些显著的优势。 功率效率 WBG 器件的开关速度比硅器件快得多因此能够地减少电源转换过程中的功率损耗开关损耗。另外频率越高磁性元器件的尺寸就越小进一步降低了设计成本。 高压运行 与硅基器件相比WBG 器件可在更高的电压600 V以上下工作。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 DC-DC 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师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 双向测试 随着越来越多的 DC-DC 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 DC-DC 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 DC-DC 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 DC-DC 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 DC-DC 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 DC-DC 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 DC-DC 转换器的输入电压都超过了 60 V 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。 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。 地提高转换器效率 设计人员还有一项挑战就是要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。 新兴解决方案 为了应对电动汽车 DC-DC 转换器设计和测试方面的挑战 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 10 ns这就需要使用高频率或电磁的模型和仿真器来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。 此外工程师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。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。 半导体工程师可以为其转换器器件仿真采用实证分析/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 参数测量以及电子设计自动化软件。凭借该技术他们能够显著改进仿真数据与测得数据的匹配度参见图 4。 图 4. 高频下的模型/模拟结果 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 2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 DC-DC 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 DC-DC 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 DC-DC 转换器的功率电平约 4 kW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 5 kW 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参见图5。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 5 kW 产品中为 500 W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” 如果从事生产工作用户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。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. 对从再生功率系统返回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功率分析仪进行测量 总结 DC-DC 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。正如本文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 DC-DC 转换器的质量和可靠性同时限度降低不必要的成本。