电动汽车和混动汽车 DC-DC 转换器的创新设计与测试方法

在汽车行业向电动化转型的浪潮中，电动汽车(EV)与混合动力汽车(HEV)的市场份额逐步扩大。DC-DC 转换器作为这两类汽车的关键部件，其性能优劣直接关乎车辆电气系统的稳定运行与整体能效。随着车载系统的日益复杂，如高级驾驶辅助系统(ADAS)与车载信息娱乐系统的普及，对 DC-DC 转换器的设计与测试提出了更高要求。

DC-DC 转换器的作用与背景

DC-DC 转换器承担着电压转换的重任，为各类车载系统供电。在电动汽车与混合动力汽车中，大容量电池输出的高压总线，需经 DC-DC 转换器转换为传统的 12V 电源总线电压，以适配大多数电气负载。例如，轻混合动力汽车的 DC-DC 转换器将 48V 电压转换为 12V，而电动汽车 / 混合动力汽车则是将数百伏的高压转换为 12V。这一转换过程不仅要保证电压稳定输出，还需满足不同系统对功率的需求。

创新设计方向

新型功率半导体技术应用

为应对设计和测试环节的降本增效压力，设计师开始采用基于宽禁带(WBG)器件的新型功率半导体技术。相较于传统的硅基(Si)功率转换器，碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)展现出显著优势。在功率效率方面，WBG 器件开关速度远超硅器件，能大幅降低电源转换过程中的功率损耗，即开关损耗。同时，更高的开关频率使磁性元器件尺寸得以减小，进而降低设计成本。从高压运行角度看，WBG 器件可在 600V 以上的高压环境工作，允许高压总线架构以更小电流为混动 / 电动汽车组件供电，减轻了线束重量。而且，宽禁带器件凭借出色的热传导性和高熔点，能够在 300°C 以上的高温环境稳定运行，为高温运行需求的汽车应用提供了可靠解决方案。

多应用集成设计

为减少液冷模块数量，制造商将多个电源转换器应用集成到一个模块中，如将 DC-DC 转换器与板载充电器集成。这种集成设计不仅降低了冷却成本，还优化了系统布局，提升了整体空间利用率。例如，某些电动汽车采用集成模块后，车辆内部布线更加简洁，减少了故障点，提高了系统可靠性。

测试方法与挑战

仿真宽禁带器件设计的挑战

宽禁带器件的出现使 DC-DC 转换器的仿真和设计复杂度大幅提升。由于 GaN 和 SiC 器件制造商对器件的表征有限，用户需自行逐个测试，以确定其在特定设计中的适用性。传统 “集中分析” 式仿真器因快速开关特性，无法精确仿真宽禁带功率转换器设计。功率晶体管开关转换时，传统模型 / 仿真结果与实际测得结果存在明显差异，这种不准确的仿真会导致设计周期延长、成本增加，因为设计师需不断重复设计与测试，直至样本达到预期性能。

双向测试难题

随着双向 DC-DC 转换器的增多，测试设备需具备双向功率流测量能力，即能为 DC-DC 转换器供给功率并吸收功率。传统做法是并联电源与电子负载，但外部电路(如阻止电流流入电源的二极管)及复杂的 “双仪器” 编程，阻碍了供给功率和吸收功率之间的流畅信号转换，导致工作条件仿真不准确。而且，电子负载在消散 DC-DC 转换器传输的功率时会产生热量，尤其在多个 DC-DC 转换器同步测试时，散热问题突出，常需大型风扇强制冷却或水冷系统，增加了测试设备的体积与成本。

可靠性与安全性测试的重要性

在 DC-DC 转换器设计中，随着新功率半导体技术的应用，必须进行更多设计验证和可靠性测试，以确保产品能在严苛的汽车运行条件下长期稳定工作。若测试不到位，直流对直流转换器存在质量问题，将给混动汽车 / 电动汽车带来极高风险。例如，在高温、高湿等极端环境下，若 DC-DC 转换器性能不稳定，可能引发车辆电气故障，危及行车安全。同时，混动汽车 / 电动汽车中 DC-DC 转换器的输入电压超过 60V 安全电压限值，在生产测试过程中，必须严格遵循专用安全规范，如 NFPA 79 工业机械电气标准，这增加了测试系统的设计、成本与复杂性。

效率测试的复杂性

设计人员需最大化提高转换器效率，但效率受温度、工作电压、额定功率百分比及其他环境条件等多种因素影响，难以全面仿真所有条件。而且，要在 95% 或更高效率中精确测量到 0.1% 的效率变化，对测量仪器要求极高，通常需要 16 位或更高分辨率，还需精确的电流互感器和同步良好的电流、电压波形，这使得测量挑战愈发艰巨。

应对挑战的创新测试方案

高频率模型 / 仿真技术

鉴于宽禁带器件开关波形中的高频率成分(升降时间 <10ns)，需运用高频率(或电磁)模型和仿真器来精确模拟功率半导体行为。通过 EMI 仿真，可了解直流对直流转换器对辐射和传导干扰的影响。工程师还需考虑转换器版图中零部件的物理定位，对半导体封装寄生效应和 PCB 效应进行表征。热仿真和热分析也不可或缺，其有助于明确冷却要求。半导体工程师采用实证分析 / 数学模型，结合高频表征(如开关晶体管模型中 “零偏” 和导通状态的 S 参数测量)与电子设计自动化软件，可显著提升仿真数据与实测数据的匹配度。

具有再生能力的供给功率 / 吸收功率集成系统

许多厂商推出集成式供给 / 吸收解决方案，产品可无缝实现从供给电流到吸收电流的转换，无需外部电路或对单独电源和电子负载进行同步编程。这种集成系统能够利用流畅的输出波形，准确仿真双向直流对直流转换器在两个方向上的功率流。在功率电平较高(5kW 及以上)时，供给 / 吸收功率系统和电子负载可将功率再生(或返回)至交流电源，虽不能实现 100% 效率，但可将约 90% 的功率传回到电网，仅 10% 的功率以热量形式耗散，显著减小了产品尺寸，降低了测试系统的 HVAC 成本。但使用此类可再生解决方案时，需关注返回到交流电源中的功率质量，确保其低失真度。

电动汽车和混动汽车 DC-DC 转换器的创新设计与测试方法是推动汽车电动化发展的关键环节。通过采用新型功率半导体技术、多应用集成设计等创新设计思路，以及运用高频率模型 / 仿真技术、具有再生能力的供给功率 / 吸收功率集成系统等创新测试方案，可有效提升 DC-DC 转换器的性能与可靠性，降低设计与测试成本，满足汽车行业不断发展的需求，为电动汽车和混动汽车的广泛普及奠定坚实基础。