新能源轿车中不得不说的大功率DC-DC

聊这个主题，首要是想提一下功率电子在未来电气化里边的效果，大功率的DC-DC在轿车电气化体系里边起到了一个要害的效果，但也与逆变器这种和车辆安全有着直接相关的设备有着实质的差异，关于车辆的功用安全，在这儿暂不打开，实践上表1中不同产品的附加值，与是否触及中心的车辆安全有直接的联系，更会影响到整车企业是否想把部件做成in-house的部件。

表1 功率电子在新能源轿车的根本散布

　
因而咱们所触及的DC-DC首要有三种类型。

1）高低压转化器（辅佐功率模块）
此模块的首要效果是替代传统的12V发电机。如图1所示，强混以上的体系之中，发动机输出的动力直接驱动高压继电器对高压电池体系进行补电，传统的12V用电负荷，则彻底依托这个DC/DC变压器供应，因而传统的用电负荷补给也就执行到了这儿。此类器材，简直一切的新能源轿车都会运用，功率规模从1KW～2.2KW，也是未来48V体系的一个中心元件，将对此器材进行打开。

图1 高电压转化器的运用环境

2）12V电压稳定器
12V电压稳定器，如图2所示，首要是用在部分Start-Stop体系（假如有或许，后续对Start-Stop即将做个分类，现在在欧洲SS体系现已运用十分广泛了。在发动过程中，假如选用某种架构用来避免电压动摇对一些灵敏器材产生影响。这儿的灵敏负载，首要包含用户可见的用电负载，如内饰灯和收音机等。电压稳压器的功率等级，跟着灵敏用电器的负荷而定，一般为200～400W；全体而言，此类器材功率等级较小，本钱要求较为严苛，欧洲的零部件厂家切入较早，这类器材的技能现已十分老练。

图2 12V电压

3）高压升压器
这种高压升压器，如图3所示是一种挑选性的架构，首要是某些整车企业，为了进步动力体系的功率，挑选用一个Boost的升压器来进步逆变器输入的总线电压。因而，这个部件集成在逆变器里边，作为动力总成的一部分。此类器材，因为在特定的部件条件下，通过体系规划优化出来的一个顺便产品，并不是每个整车企业都需求挑选，特别是跟着锂电化带来的体系电压等级的升高，这个器材关于一般的零配件企业而言不是很好的时机。

图3 高压升压器

高低压转化器部件的前史
因为在磁性资料和部件范畴的优势，加之日本混合动力轿车商场的培养较为成功，与日本整车轿车同步开展，在这个范畴耕耘比较好的，是日本供货商，比方TDK；其产品线一代代进化如图所示，产品首要运用在本田的混合动力产品线上。其竞争对手Denso和Toyota Industry的产品，在不同的普锐斯/凯美瑞的混合动力车上运用，在全体销量上，是处于领先地位的，如图5所示。其他日本厂家如Shindengen Electric和Nichicon，也在依托其部件优势挤入轿车功率电子零部件商场。传统的轿车部件供货商，如博世、大陆和德尔福，尽管切入这个范畴不算太晚，但这个部件的特色就决议较难依托单一部件来盈余，在产值较低的时分，BOM本钱会很高，不易切入。其他在工业功率电子中比较成功的艾默生和台达电子，特别是后者依托其工业消费功率电子的份额，在活跃开辟这个商场。

图4 TDK DC-DC产品进化蓝图

图5 Denso和Toyota Industry的DC-DC 产品

功用点评方针
表2 DC-DC产品功用表

DC-DC的部件首要有以下的技能方针，如表2所示：
1. 功率等级：不同等级的车辆，往往在装备上存在十分大的差异，导致14V体系的动态功率需求改变。依照模块化开发的理念，挑选不同的功率等级，来匹配不同等级的车辆，通过电气平衡之后，就可以掩盖许多的车型。这算是现在较为盛行的做法。
2. 功率：对这个部件而言，功率是个极点注重的方针。它既决议了整个部件的散热方法，也决议了整个部件的寿数。点评功率的时分，往往选用与输出电流对应的功率曲线来表征，单个点上的最大功率其实是个很有欺骗性的数据。
3. 容积分量功率密度：部件一体化的规划，现在关于部件的体积和分量都有着严苛的要求，从上面的图形来看，在这两个方针上，演进是较为敏捷的。
4. 散热方法：同大部分功率电子部件相同，在2KW左右的等级上，有自动风冷和液冷两种方法。前者关于体系风道有要求，后者关于冷却液管路的排布有着约束。即便开发出来可用的部件，在整车集成的时分，散热也是一个很大的问题点。
5. 本钱：现在来说，这个部件的本钱要求是十分严厉的，所以后边全桥这样的拓扑结构所需求的MOSFET较多，也会被人抛弃掉。

图6 依据模块化开发的DC-DC部件战略

拓扑结构
前期的混合动力轿车上装的DC-DC根本是以全桥结构的拓扑来完成的，如图7，其长处是：
1. 全桥运用前期在大功率电器设备内十分常见，所以前期的混合动力体系从中学习。
2. 输入规模宽：全桥电路在较宽的规模内都有比较好的特性。
缺陷：
1. 清楚明了的是，用了较多MOSFET，本钱较高。
2. 操控较为杂乱，一般需求独立的操控单元。

假如感兴趣，可以看看英飞凌和ST所引荐的评价体系，其自身是以全桥体系为蓝本规划的。依据有限的资料和信息来看，现在的开展运用拓扑结构，也是学习工业上运用的经历，有源钳位正激和2 Stage直流改变拓扑都是值得测验的。

图7 普锐斯中的全桥拓扑结构和当时Denso的新一代拓扑结构

围墙瓶颈
关于这个部件来说，先进的拓扑结构其实并不是很高的壁垒，关于安全性要求较高的电动轿车来说，阻隔规划是有必要的。其规划难点为：
1.热规划：对DC-DC需求进行杰出的热规划，对液冷需求规划较好的流道。
2.EMC规划：需求规划输入滤波器以及输出滤波器，以保证EMC能过关，这点在轿车上运用特别要害。
3.功率：在不同的输入电压条件下，到达较高的功率曲线。
4.维护功用规划：规划各种维护功用，以匹配整个输入电压曲线，以及12V维护体系要求。
5.可制作性要求：至少要或许到达半自动化的要求，因而关于整个板级的规划以及功率电路的衔接都比较要害。假如电气化的量可以依照混合动力这么开展，未来制程的要求就成为挑选供货商的一个重要的条件。

在国内做这个部件，或许最大的应战，是找不到好的车用磁性元件，向日本厂家买又是很困难的工作。从部件等级上面来看，有以下几点观点：

图8 变压器的开展

1.变压器：车用的2KW大功率变压器，好像没有国内合格的供货商，想要绕开这个又是不或许的工作。而变压器的规划，自身便是整个功率电子里边一个中心的工作，出来产品的特性，很大一部分是源于资料。依照TDK的阐明，其变压器的铁氧体资料“PC95”（PC95 ferrite core material），质料为Fe（铁）、Mn（锰）、Zn（锌），Fe的混合份额等与原产品（“PC44”、“PC45”等）不同。
1）平板变压器：我初度触摸充电机，美国人主意便是用平板变压器，这种对PCB和制程工艺要求极高的做法，固然是一种途径，可是参数差异危险也直接与制程工艺联系起来了。
2）集成化：Denso的阐明文档里边是将变压器与Chock coil合在一起，依据各个展会的资料，这不是它一家的主意。在我看来，DC-DC的硬件工程师有时分只能因地制宜，这种器材等级的打破，现已不是工程师选个好计划那么简略的工作了。
2.MOSFET：能选用的，只要有限的几家，依据功用的状况来看，挑选愈加有限。所以这块的本钱，居高不下。
3. 滤波电感：状况与变压器相似，因为工艺相对简略，首要问题在于资料。

前次偶尔吃饭的时分，听到朋友谈及其友人，拿新能源车DC-DC作为创业产品，我个人认为仍是有些难的。在国内造访的供货商里边，看到的活跃因素不多。

参阅文件
1.日经技能在线【电动轿车拆解】DC-DC转化器进步电压转化功率，保存铅蓄电池和DC-DC转化器的功用
2. A High Power DC/DC Converter Designed for Single oolant Loop Hybrid Electric Vehicle Application Zhu, Miaosen Shen and Matthew Obrigkeit Continental Automotive Systems
3. TDK DC-DC Converter for Automotive
4. Highly Efficient and Compact DC-DC Converter for Ultra-Fast Charging of Electric Vehicles D. Christen, S. Tschannen, J. Biela Laboratory for High Power Electronic Systems
5. Cars to drive electronic component demand Industry overview Bank of America Merrill Lynch
6. 英飞凌 HV to LV DC/DC-Converter Evaluation Kit with Easy Automotive Module F4-50R07W1H3_B11A
7. ST DC-DC converter for Hybrid Electric Vehicle and EV

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