隨著混合動力與電動車(EV)銷量不斷成長,最近的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2015~2016年飆升了60%。特斯拉(Tesla)、雪佛蘭(Chevrolet),以及其他電動車廠正致力於解決一些阻礙電動車熱賣的負面因素。

現在電動車單次充電可支援超過200英哩(Chevy Bolt是238英哩;Tesla Model 3則為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發表的Model 3,最低售價為35,000美元。Model 3是伊隆 . 馬斯克(Elon Musk)首款主打大眾市場的電動車,目的是將電動車總產量提高10倍。中國政府在最新的5年計劃中確立了在2020年之前部署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。

為了減輕電動車動力傳動系統元件(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,為延長電動車里程,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。此技術有助於延長電動車里程,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。電動車產業試圖搶佔傳統內燃引擎(ICE)汽車市場的佔有率,因此電動車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,本田(Honda)和豐田(Toyota)所銷售的每一台油電混合車均實現獲利,利潤與傳統ICE驅動汽車不相上下。油電混合車目前的銷量遠高於電動車,預計在可預見的未來將在市場中佔據領導地位(圖1)。歐洲OEM汽車製造商正大力將輕度混合動力(MH)技術融入諸多車型中。事實上,Volvo已宣佈,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。

20190411TA01P1 圖1 2011~2020年全球油電混合車和電動車的出貨量估計。(資料來源:BofA Merrill Lynch Global Research estimates)

油電混合車和電動車具有多種不同結構。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,以及純電動車(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60kW至高達180kW之間,甚至可超過180kW。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(如同油電混合車或電動車一樣),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48V,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12V匯流排的4倍。

20190411TA01P2 圖2 油電混合車/電動車動力傳動系統架構。

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為48V或電動車/油電混合車是100V),轉換至傳統的12V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。在重度油電混合車或電動車應用中,直流對直流轉換器可將HV匯流排的電力轉換為12V的電力,以便為12V電池充電。業界還沒有可將12V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48V匯流排為12V電池充電外,直流對直流轉換器還需將12V匯流排的電力轉換為48V匯流排。主要應用為在接觸器將48V電池連接至48V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變成油電混合車市場的關鍵要件。

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12V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12V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。

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。然而油電混合車/電動車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(600V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)來驅動油電混合車/電動車元件,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℃的溫度條件下運作。這項特性使得支援油電混合車/電動車應用(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。

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,實現順暢的訊號傳送,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油電混合車/電動車的價格競爭力。在油電混合車/電動車製造過程中,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。油電混合車/電動車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感測器,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。

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< 10ns),因此需使用支援高頻(或者電磁)的模型及模擬器,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及分析,有助於確切掌握冷卻需求。

羅姆半導體(Rohm Semiconductor)使用經驗/數學模型(包括高頻特性,亦即零偏壓條件下的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)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。

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),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(圖3)。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。

20190411TA01P3 圖3 供電/接電電源系統。

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4kW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(圖3)。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5kW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?」如果在製造環境中運作,則送回交流電網的任何功率失真,透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(圖4)。

20190411TA01P4 圖4 量測經由Keysight RP7900A再生電力系統送回交流電網的功率總諧波失真(THD)和功率因數(PF),使用PA2203A IntegraVision功率分析儀進行量測。

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,可以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(< 5μs );

˙由上而下的程控設計(< 2ms );

˙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電動車1003A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,以保障員工安全(參見圖5)。

20190411TA01P5 圖5 配備2象限再生電力系統及整合式安全斷開解決方案的Keysight電動車1003A功率轉換器測試解決方案。

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,而且由於電動車和油電混合車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。

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