新興油電混合車與電動車直流對直流轉換器新興技術

隨著混合動力與電動車銷量不斷成長，最新新聞持續鼓吹對車輛電氣化的大規模投資與開發。2016 年電動車 (EV) 銷量在整體汽車市場的市佔率仍不到 1%，但其成長幅度從 2015 年至 2016年飆升了 60%。Tesla、Chevrolet 以及其他電動車正致力於解決一些阻礙 EV 熱賣的負面因素。現在電動車單次充電可支援超過 200 英哩（Chevy Bolt – 238 英里，Tesla Model 3 – 220 英哩）的行車里程數，因此不必擔憂里程問題。這樣的里程數，讓通勤者及「當天來回」的旅行者能順利完成往返駕駛，無需擔心充電站位置以及充電時間等問題。此外，電動車價格呈現下降趨勢，Tesla 最近發表的 Model 3，最低售價為 35,000 美元。Model 3 是 Elon Musk 首款主打大眾市場的 EV，目的是將 EV 總產量提高 10 倍。中國政府在最新的 5 年計劃中確立了在 2020 年之前不數 480 萬個充電站的目標。中國的空氣污染情況日益加劇，而且全國人口超過 100 萬的城市有100 多個，因此中國必定得轉用零碳排放車輛。

但是，許多汽車製造商僅只是製造「符合」CO2 排放標準的汽車，這些電動車目前都還沒辦法獲利。根據經驗，新的動力傳動系統技術通常要經過一個以上的設計週期才能實現獲利。為了減輕EV 動力傳動系統元件（牽引馬達/牽引變流器、功率轉換器以及電池）的成本壓力，汽車產業努力推動著全新基礎技術的發展。例如，為延長 EV 里程，廠商正致力於開發續電量更高（達到 60Ah 及以上）的鋰離子電池。此技術有助於延長 EV 里程，但所付出的代價是，其可靠性不如鉛酸電池，因而需進行額外的驗證測試並持續監控製造流程。EV 產業試圖搶佔傳統內燃引擎 (ICE)汽車輛市場的佔有率，因此 EV 製造商將繼續面臨巨大的成本壓力。

相較之下，油電混合車（HEV）早已開始獲利了。根據 Nikkei 的統計，自 2009 年開始，Honda和 Toyota 所銷售的每一台 HEV 均實現獲利，利潤與傳統 ICE 驅動汽車不相上下。HEV 目前的銷量遠高於 EV，預計在可預見的未來將在市場中佔據領導地位（參見圖 1）。歐洲OEM汽車製造商正大力將輕度混合動力技術融入諸多車型中。事實上，Volvo 已於近期宣佈，到 2019 年，所有新款汽車都將配備電動馬達。輕度混合動力 (MH) 技術所需的投資比全混合動力技術要低了約 50%，但仍有助於降低 15-20% 的 CO2 排放量。MH 方法可降低 CO2 的排放量，既能夠讓製造商符合相關規定，又能大幅地降低投資成本，讓 MH 車能維持與 ICE 驅動車的價格競爭優勢。


HEV 和 EV 具有多種不同結構。圖 2 顯示其中幾種結構的簡易方塊圖。透過大型電池供電的高壓(HV) 匯流排負責驅動強度（並聯）油電混合車以及純 EV 車（無引擎）的動力傳動系統。電源逆變器以及馬達/發電機的功率位準介於 60 kW 至高達 180 kW 之間，甚至可超過 180 kW。汽車製造商需進行大規模投資來開發這些結構與大型鋰離子電池。這些元件大多採用雙向設計，讓電力能夠從電池轉向逆變器，以帶動馬達轉動並驅動汽車（牽引驅動）。這些元件大多採用雙向設計，讓電力能夠從電池轉向逆變器，以帶動馬達轉動並驅動汽車輛（牽引驅動）。它們並沒有大到可以獨立驅動汽車（如同 HEV 或 EV 一樣），而是用於在加速過程中為引擎提供補充功率，並且在減速過程中對電池充電。MH 車的電壓通常為 48 V，使得匯流排結構維持在 HV 60V 的安全額定值以下，但可提供的功率是採用相同定電流之 12 V 匯流排的 4 倍。


直流對直流轉換器是這兩種架構的關鍵元件，將電壓更高的匯流排（MH - 48 V 或 EV/HEV - 100 V），轉換至傳統的 12 V 電力匯流排，電氣負載大多由後者進行驅動。本文主要探討直流對直流轉換器的模擬、設計、除錯、驗證以及製造測試。在重度 HEV 或 EV 應用中，直流對直流轉換器可將 HV 匯流排的電力轉換為 12 V 的電力，以便為 12 V 電池充電。業界還沒有可將 12 V匯流排的電力「提升」至更高電壓電力的應用，因此在這類架構中，多數直流對直流轉換器採用單向設計。但是，在 MH 架構中，除透過 48 V 匯流排為 12 V 電池充電外，直流對直流轉換器還需將 12 V 匯流排的電力轉換為 48 V 匯流排。主要應用為在接觸器將 48 V 電池連接至 48 V 匯流排之前，先將匯流排預充電（即逆變器的輸入電容）。預充電可等化電池電壓與逆變器輸入，進而大幅降低接觸器的電弧效應。如前所述，歐洲正大力推動 MH 技術的應用，此舉預料可讓 MH變成 HEV 市場的關鍵要件。

隨著兩大架構的市場均蓬勃發展，HV 匯流排將陸續加入新負載。HV 匯流排的負載效率，比透過低電壓匯流排進行驅動時要來得出色。此外，對電負載進行電子控制並僅在必要時對其進行充電（比如幫浦），其效率比始終連接至機械傳動系統的機械操作負載高很多。隨著越來越多負載轉移至 HV 匯流排，業界有必要將 12 V 匯流排的電力提升至 HV 匯流排位準。例如，在冷溫條件下，鋰離子電池的效能並不理想。因此，透過 HV 匯流排驅動引擎起動器時，採用 12 V 鉛酸電池比較有效，因其具備優良的冷起動特性，可透過直流對直流轉換器將電力回供給 HV 匯流排，以協助引擎起動器順利運轉。

產業趨勢對直流對直流轉換器的 EV 設計以及 EV 測試有何影響？

成本壓力
在開發直流對直流轉換器時，工程師在設計和測試階段便面臨著需大幅降低成本的壓力。大多數直流對直流轉換器採用基於矽 (Si) 的功率轉換器設計，因此具水冷式特性。然而 HEV/EV 製造商卻面臨額外的冷卻設計成本壓力，使得設計與測試工程師必須在設計與測試階段透過油壺、幫浦以及軟管，對直流對直流轉換器提供冷卻作用。因此，製造商正致力於將多個功率轉換器應用，整合入單一模組（例如 直流對直流轉換器 + 車載充電器），以大幅減少液態冷卻模組的數量。此外，設計工程師藉由使用寬能隙 (WBG) 元件，來導入全新的功率半導體技術。此領域有兩大領先技術，亦即碳化矽 (SiC) 以及氮化鎵 (GaN)。相較於 Si 元件，WBG 元件提供更多重要優勢：

– 功率效率
由於 WBG 元件的切換速度遠比 Si 快很多，因此可有效減少功率轉換過程出現的大多數功率損耗（即切換損耗）。此外，頻率更高，代表電磁元件必須更小，以便降低設計成本。

– 高電壓運作
相較於 Si 元件，WBG 元件可因應更高的電壓（600 V 或更高）。如此一來，HV 匯流排架構便能以更小的電流（即電線直徑更小）來驅動 HEV/EV 元件，以減輕電源線束的重量。

– 高溫運作
WBG 元件的導熱性以及熔點特性，使其能夠在超過 300°C 的溫度條件下運作。這項特性使得支援 HEV/EV 應用（元件需在高溫條件下運作）的解決方案更為可靠。

WBG 設計的模擬
將 WBG 元件用於功率轉換器設計，使得直流對直流轉換器的模擬和設計趨於複雜。GaN 和 SiC 元件製造商目前仍可有效控制其製程，因此並未對其元件進行大規模特性分析。然而，使用者需對每一個元件進行評估，以確定 WBG 元件在其設計中是否可行。此外，由於 WBG 元件具備快速切換特性，因此傳統的「集總分析」模擬器無法精準模擬 WBG 功率轉換器設計（參見圖 3）。

在開啟和關閉功率電晶體時，若採用傳統的建模/模擬方法，則模擬結果（粗線）與量測結果（模糊線）之間，將存在巨大差異。如果模擬不夠精準，那麼設計工程師需重複進行設計，以期下一個原型能夠如預期般運作，因而導致設計延遲，損失慘重。此外，實現可靠模擬，還有助於提升直流對直流轉換器設計的可靠性！


雙向測試
隨著越來越多的直流對直流轉換器開始採用雙向設計，工程師需使用可將功率導入直流對直流轉換器，使其功率降低的測試設備，以便測試兩個不同方向的電流。傳統的方法是以並聯方式連接電源供應器以及電子負載。但是，外部電路（即二極體阻止電流流入電源供應器）以及繁瑣的「雙儀器」程控模式，通常無法在導入及降低功率之間，實現順暢的信號傳送，使得精準模擬操作條件變得極其困難。

電子負載通常會消耗直流對直流轉換器所傳輸的功率。然而，所消耗的功率（熱能）會開始累積，在以並聯方式測試多個直流對直流轉換器時，這個問題尤其嚴重。由於需消除電子負載產生的熱量，因此其尺寸通常比較大，並提供強大的強制空氣冷卻（透過風扇），甚至還需提供水冷功能。

未經檢驗的可靠性與安全問題
隨著在諸多直流對直流轉換器設計中採用全新的功率半導體技術，工程師需進行額外的設計驗證與可靠性測試，以便確保產品能長期地在嚴峻的汽車運作條件下，提供可靠且出色的效能。當然，支出額外的費用來進行驗證以及可靠性測試也絕不可少，即使這些成本會降低 HEV/EV 的價格競爭力。在 HEV/EV 製造過程中，如果因某些原因導致直流對直流轉換器出現品質問題，那麼潦草進行測試會帶來極大風險。

以直流對直流轉換器所採用的功率與電壓位準而言，設計工程師、技術人員以及操作人員需審慎對轉換器進行測試。HEV/EV 直流對直流轉換器的輸入超過 60V 的安全限制，因此製造過程中需採用專門的安全機制（例如 NFPA 79）。這類安全標準要求廠商使用備援系統，以避免在測試系統出現故障時，將操作人員置於高壓環境中。備援安全系統通常採客製化設計，使用可程式邏輯控制器 (PLC) 邏輯，以獨立於測試系統的方式運作。如此會額外增加製造測試系統的設計作業、成本以及複雜性。

效率最大化
最後一點，設計師正面臨大幅提高轉換器效率的挑戰。效率取決於多個因素，包括溫度、工作電壓、額定功率百分比以及其他環境條件。因此之故，設計工程師很難面面俱到地對所有條件進行模擬，以便有效評估設計。此外，設計工程師試著在效率達到 95% 或更高的條件下，對 0.1%的效率變化進行量測。執行這項任務，需使用具備高動態範圍（通常為 16 位元或更高解析度）的量測儀器。不僅如此，他們需採用精準的電流傳感器，以及妥善維持同步的電流與電壓波形使得量測挑戰更為複雜。

而動力傳動系統的「整體系統」運作也需予以考慮，以便顯著提高效率。目前業界已針對不同的ICE 驅動以及馬達驅動推進和再生組合，開發出效率更高的控制演算法，因此直流對直流轉換器將可望被廣泛用於電力傳送。在驗證直流對直流轉換器中的韌體，以及驗證動力傳動系統元件普遍採用的控制演算法的過程中，功率硬體迴路 (PHIL) 測試是對整體系統效率進行「實際」測試的重要環節。

新興的直流對直流轉換器之 EV 設計和 EV 測試解決方案

為克服其中一部分設計與測試挑戰，業界正致力於開發前所未有的創新方法。

支援高頻率的模型/模擬

由於 WBG 切換波形具備高頻成分（上升以及下降時間 < 10 ns），因此需使用支援高頻（或者電磁）的模型以及模擬器，來精準模擬功率半導體的特性。需執行電磁干擾 (EMI) 模擬，以瞭解直流對直流轉換器所產生的輻射和傳導干擾。另外還需考慮在轉換器佈局中，對元件進行實體定位，以便分析半導體封裝寄生現象以及印刷電路板(PCB) 效應的特性。最後，由於溫度對直流對直流轉換器的設計影響甚鉅，因此執行熱特性模擬以及分析，有助於確切掌握冷卻需求。

Rohm Semiconductor 使用經驗/數學模型（包括高頻特性（零偏壓條件下的 S 參數量測以及切換電晶體模型的通路狀態））、是德科技先進設計系統 (ADS) 以及電子設計自動化軟體，在轉換器設計中進行元件模擬。利用此技術可大幅改善模擬資料與量測資料的匹配度（參見圖 4）。


具再生功能的整合式供電/接電（source/sink）電源系統

目前多家廠商推出多合一的供電/接電解決方案。這類產品可從源極電流（第一象限）無間隙地轉移至汲極電流（第二象限），您無需使用外部電路，或者對單獨的電源供應器以及電子負載進行同步程控設計（參見圖 5）。這樣的整合式設計可實現平順的輸出波形，進而準確模擬雙向直流對直流轉換器如何進行切換，以便在兩個相反方向傳送電流。


電源系統向直流對直流轉換器輸入電力時，大部分功率（取決於轉換效率）會經由轉換器傳輸至汽車負載。電源系統輸出直流對直流轉換器的功率時，則須由電源系統吸收這些功率。大多數電源系統（或者電子負載）以熱量的形式消耗此功率，導致產品體積變大並需配備風扇，以滿足直流對直流轉換器的功率位準要求（最高 4 kW 左右）。如此一來，除需加大測試系統體積，還需加裝空調系統 (HVAC) ，以便去除設施中的熱量。當功率位準達到 5kW 或更高時，供電/接電源原系統以及電子負載會為交流電源重新產生（或送回）電力（參見圖 5）。此技術無法實現100% 的效率，但大多數的設計可將大約 90% 的功率重新傳回電網。只有 10% 的功率（對於5 kW 的產品，約為 500W）以熱能形式消耗。如此不但可大幅縮小產品體積，同時還可減少為了去除測試系統環境熱量所產生的 HVAC 成本。再生解決方案的一個重要問題是：「送回到交流電網的電源清潔程度如何？」如果您在製造環境中運作，則送回交流電網的任何功率失真，通過設施中的多個測試系統後不斷放大。「不乾淨的電力」會導致設施出現間歇性問題，因而需對每個測試系統採用隔離變壓器，以緩解不良再生所引發的問題。最好的辦法是與產品廠商進行確認，以盡可能降低送回交流電網的功率失真程度（參見圖 6）。


#RP7900A #PA2203A
安全性
如上所述，安全斷開系統通常根據各個不同應用進行客製化設計。它們通常會佔據大量空間，而且需手動進行佈線。不論用於何種應用，安全斷開產品的多項功能都一樣，因此購買市面上現成的安全斷開產品（約 80% 的功能已整合入小型機箱）有助於節省設計時間和成本。

安全斷開系統的重要特性包括：
– 備援斷電裝置（實體繼電器）可將測試系統中高壓電源供應器的 + 與 – 輸出開路。
– 單獨感測斷路繼電器的位置（例如機械耦合感測繼電器）。
– 操作人員確定出現緊急情況時，可感測急停 (E-Stop) 開關，以便開啟斷路繼電器。
– 可感測測試夾具保護蓋的位置，可避免切換直流對直流轉換器的操作人員處於高壓環境中。
– 採用洩漏電阻器，可對直流對直流轉換器外部端子的高壓進行放電處理。
– 具備安全與不安全狀態指示燈。

此外，如果供電/接電電源系統、電源供應器或者電子負載具有下列安全相關功能，將可提高測試系統的安全性：
– 過電壓保護
– 過電流保護
– 過熱保護
– 感測導線開路偵測
– 固態斷開裝置 (< 5 us)
– 由上而下的程控設計 (< 2 ms)
– 監視計時器

為利用電源產品的這些安全功能，如果偵測到任何電源產品處於「警報」狀態，它們可立即與安全斷開系統進行通訊。Keysight EV1003A 功率轉換器測試解決方案，將市售安全斷開系統與採用優良設計的供電/接電電源系統合而為一，以保障您的員工安全（參見圖 7）。


結語

總而言之，隨著模組功能將隨著市場變化而不斷演進，使得直流對直流轉換器的設計與測試更具挑戰性。如前所述，這個市場的成本壓力非常大，而且由於 EV 和 HEV 的價格競爭力開始上升，其成本壓力將無法降低。容量更高的鋰離子電池以及 WBG 功率半導體等新技術，有助於使此一市場佔據主流地位。不過業界需要慎重地採用新設計與測試技術和方法，讓工程師能夠維持直流對直流轉換器的品質與可靠性，並且顯著地降低不必要的成本。

是德科技提供各種適用於 HEV/EV 市場的解決方案，包括直流對直流轉換器設計與測試解 決方案。