新能源汽车中的大功率DC-DC变压转换部件

新能源汽车中的大功率DC-DC变压转换部件
变压转换器部件的性能评价指标
变压转换器部件的历史 日本企业基于在磁性材料和精密生产的优势，以及日本混合动力汽车市场的培育较为成功，与日本整车汽车同步发展，所以在这个领域日本供应商耕耘比较好的，比如TDK；其产品线一代代进化如图所示，产品主要应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，则在不同的普锐斯/凯美瑞的混合动力车上使用，如图5所示。日系企业还有Shindengen Electric和Nichicon，也是依托其基础部件优势正在努力挤入汽车大功率电子部件市场。而传统的汽车部件供应商，如博世（Bosch）、大陆（Continental）和德尔福(Delphi)，法雷奥(Valeo)早早切入这个领域，但这个部件的特征就决定，很难依靠单一部品来盈利，所以在早期产量不高的阶段，材料成本会很高，不太容易切入。其他在工业功率电源中比较老牌的外资品牌艾默生（Emerson）和台达电子(Delta)，特别是后者，基于其工业&消费功率电子的份额，在积极开拓汽车大功率DC-DC市场。
性能评价指标 DC-DC的部件主要有以下的技术指标，如下表所示： 1. 功率等级：在不同等级的车辆上，往往配置存在很大的差异，导致了14V系统的动态功率需求产生变化。按照模块化开发的理念，要选择不同的功率等级，来匹配不同等级的车辆，达到电气平衡之后，即可覆盖更多的车型。这是目前较为流行的做法。 2. 效率：对这个电磁部件而言，效率是个极端重要的参数。它既决定了整个部件的散热方式，也决定了整个部件的寿命。当我们评价效率的时候，通常采用与输出电流相对应的效率曲线来表征，单点上的效率极值 ，其实是个非常有欺骗性的数据。 3. 容积/重量/功率密度：元件一体化的设计，在目前，对于部件的重量和体积有着严苛的要求，从上面的图形来看，在这两个指标上，演进是较为迅速的。 4. 散热方式：同大部分功率电子元件一样，在2KW左右的等级上，有液冷和主动风冷这两种方式。前者对于系统风道有较高要求，而后者对于冷却液管路的排布有着限制。即使开发出来可用的元件，在整车集成的时候，解决散热问题也是一个很大的课题。 5. 成本：目前来说，这个部件的成本要求是非常严格的，所以后面全桥这样的拓扑结构所需要较多的MOSFET，也会被大家放弃。 DC-DC产品性能表

早期的混合动力汽车上，DC-DC基本是以全桥结构拓扑来实现，其优点是： 1. 在早期的大功率电器设备内非常常见到全桥应用，所以早期的混合动力系统从中借鉴。 2. 输入范围宽：全桥电路在较宽的输入范围内都有很好的特性。 缺点： 1. 显而易见，用了较多MOSFET，成本较高。 2. 控制复杂，一般需要独立的控制单元。 英飞凌和ST所推荐的评估系统，其本身就是以全桥系统为蓝本设计的。根据有限的资料和信息来看，目前的发展使用拓扑结构，也是借鉴工业电源上使用的经验，有源钳位正激和2 Stage直流变化拓扑都是值得尝试的。
围墙&瓶颈 这个部件先进的拓扑结构其实并不是很高的壁垒，电动汽车的安全性要求很高，所以隔离设计一定是必须的。其设计难点为： 1. 散热设计：对DC-DC需要进行良好的散热设计，对液冷需要设计较好的流道。 2.EMC设计：需要设计输入滤波电感以及输出滤波电感，以确保EMC过关，这点在汽车上应用尤其关键。 3.效率：不同的输入电压下，都能达到较高的效率曲线。 4.保护功能设计：设计各种保护功能，用以匹配整个全输入电压曲线，以及12V保护系统要求。 5.可制造性要求：至少要可能达到50%自动化的要求，因此对于整个板级的设计以及功率电路的连接都比较关键。如果电气化的量能够按照混合动力这么发展，未来自动化制程的要求就成为筛选供应商的一个重要的条件。 在国内做这个部件，可能需要应对的挑战，是找到好的汽车用磁性元器件供应商，摆脱向日本厂家采购。从部件级别上面来看，笔者有以下几点看法： 1.变压器：车用的2KW大功率变压器，国内供应商可选择性是非常的少，基本上以广东深圳区域的企业为主，深圳上市公司中的可立克（Click），京泉华(在这个领域的投入越来越多，而深圳海光，深圳瑞格精密（Rigir）也是这个行业中技术比较领先的企业。而变压器的设计，本身就是整个功率电子元器件里面一个非常核心的事情，其产品的特性，绝大一部分是源于材料。铁氧体材料的发展已经从主流的PC40材质，历经PC44，PC47等已经走向损耗与高磁饱和密度较高级的“PC95”（PC95 ferrite core material），但已经不能满足车载变压器使用，宽温25-140度功耗与磁饱和密度更好的PC96，PC97材，正在广泛的应用，但国内厂商材质的稳定性还需要提升。 1）平板变压器：笔者初次接触充电机，美国人最初的想法就是用平板变压器，这种对PCB和制程工艺要求极高的做法，固然是一种路径，但是参数差异风险也直接与制程工艺联系起来了。国外平面变压器品牌佩顿（Payton）也在国内陆续扩大代工厂代工，上述的可立克，京泉华，瑞格精密，海光电子在平板变压器方面的品质水平也正在逼进国外品牌。 2）集成化：Denso的说明文档里面是将变压器与Chock coil合在一起，根据公开的资料，这不是其一家的想法。DC-DC的硬件工程师有时候只能就地取材，这种器件级别的突破，已经不是工程师选个好方案那么简单的事情了。 2.MOSFET：能选用的，只有有限的几家，根据性能的情况来看，选择更加有限。所以这块的成本，居高不下。 3. 滤波电感：情况与变压器类似，由于工艺相对简单，主要问题在于材料。高导锰锌材料在国内的发展已经非常不错，而且在制程方面，扁平线所制作的高效率能EMI共模电感也正在民用适配器领域广泛应用，而大功率充电机与汽车电子虽然用量不大，没有大产能瓶颈问题，但能实现更佳的EMI效果以及更低成本的生产，也会对汽车大功率DC-DC带来积极的影响。

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