功率电子在新能源汽车的基本分布 聊这个主题，主要是想提一下功率电子在未来电气化里面的作用，大功率的DC-DC在汽车电气化系统里面起到了一个关键的作用，但也与逆变器这种和车辆安全有着直接关联的设备有着本质的区别，对于车辆的功能安全，在这里暂不展开，实际上表1中不同产品的附加值，与是否涉及核心的车辆安全有直接的关系，更会影响到整车企业是否想把部件做成in-house的部件。
表1 功率电子在新能源汽车的基本分布
因此我们所涉及的DC-DC主要有三种类型。
1）高低压转换器（辅助功率模块）
此模块的主要作用是取代传统的12V发电机。如图1所示，强混以上的系统之中，发动机输出的动力直接驱动高压继电器对高压电池系统进行补电，传统的12V用电负荷，则完全依靠这个DC/DC变压器供给，因此传统的用电负荷补给也就落实到了这里。此类器件，几乎所有的新能源汽车都会应用，功率范围从1KW～2.2KW，也是未来48V系统的一个核心元件，将对此器件进行展开。
图1 高电压转换器的应用环境
DC-DC的三种类型
2）12V电压稳定器
12V电压稳定器，如图2所示，主要是用在部分Start-Stop系统（如果有可能，后续对Start-Stop将要做个分类，目前在欧洲SS系统已经应用非常广泛了。在启动过程中，如果采用某种架构用来防止电压波动对一些敏感器件产生影响。这里的敏感负载，主要包括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，随着敏感用电器的负荷而定，一般为200～400W；总体而言，此类器件功率等级较小，成本要求较为苛刻，欧洲的零部件厂家切入较早，这类器件的技术已经非常成熟。
图2 12V电压
3）高压升压器
这种高压升压器，如图3所示是一种选择性的架构，主要是某些整车企业，为了提高动力系统的效率，选择用一个Boost的升压器来提高逆变器输入的总线电压。因此，这个部件集成在逆变器里面，作为动力总成的一部分。此类器件，由于在特定的部件条件下，通过系统设计优化出来的一个附带产物，并不是每个整车企业都需要选择，特别是随着锂电化带来的系统电压等级的升高，这个器件对于普通的零配件企业而言不是很好的机会。
图3 高压升压器
高低压转换器部件的历史及性能评价指标
高低压转换器部件的历史
由于在磁性材料和部件领域的优势，加之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，在这个领域耕耘比较好的，是日本供应商，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，在不同的普锐斯/凯美瑞的混合动力车上使用，在整体销量上，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汽车功率电子零部件市场。传统的汽车部件供应商，如博世、大陆和德尔福，虽然切入这个领域不算太晚，但这个部件的特点就决定较难依靠单一部件来盈利，在产量较低的时候，BOM成本会很高，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，在积极开拓这个市场。
图4 TDK DC-DC产品进化蓝图
图5 Denso和Toyota Industry的DC-DC 产品
性能评价指标
表2 DC-DC产品性能表
| | | Denso | TDK | | 1 | 输入电压范
围 | 288V(norminal) | | | 2 | 输出电压范
围 | 13 ～15V | 14.5V | | 3 | 最大输出电
流 | 120A | 100A | | 4 | 最大效
率 | 96% | 94% | | 5 | 半载效
率 | | | | 6 | 尺
寸 | 360mm × 95mm × 105mm | | | 7 | 重
量 | 2.7kg | |
拓扑结构
DC-DC的部件主要有以下的技术指标，如表2所示：
1. 功率等级：不同等级的车辆，往往在配置上存在非常大的差异，导致14V系统的动态功率需求变化。按照模块化开发的理念，选择不同的功率等级，来匹配不同等级的车辆，经过电气平衡之后，就可以覆盖很多的车型。这算是目前较为流行的做法。
2. 效率：对这个部件而言，效率是个极端重视的目标。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。评价效率的时候，往往采用与输出电流对应的效率曲线来表征，单个点上的最大效率其实是个很有欺骗性的数据。
3. 容积&重量&功率密度：部件一体化的设计，目前对于部件的体积和重量都有着苛刻的要求，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：同大部分功率电子部件一样，在2KW左右的等级上，有主动风冷和液冷两种方式。前者对于系统风道有要求，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部件，在整车集成的时候，散热也是一个很大的问题点。
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的MOSFET较多，也会被人放弃掉。
图6 基于模块化开发的DC-DC部件战略
拓扑结构
早期的混合动力汽车上装的DC-DC基本是以全桥结构的拓扑来实现的，如图7，其优点是：
1. 全桥应用早期在大功率电器设备内非常常见，所以早期的混合动力系统从中学习。
2. 输入范围宽：全桥电路在较宽的范围内都有比较好的特性。
缺点：
1. 显而易见的是，用了较多MOSFET，成本较高。
2. 控制较为复杂，一般需要独立的控制单元。
如果感兴趣，可以看看英飞凌和ST所推荐的评估系统，其本身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。 
图7 普锐斯中的全桥拓扑结构和当前Denso的新一代拓扑结构
DC-DC围墙&瓶颈 围墙&瓶颈
对于这个部件来说，先进的拓扑结构其实并不是很高的壁垒，对于安全性要求较高的电动汽车来说，隔离设计是必须的。其设计难点为：
1.热设计：对DC-DC需要进行良好的热设计，对液冷需要设计较好的流道。
2.EMC设计：需要设计输入滤波器以及输出滤波器，以确保EMC能过关，这点在汽车上应用尤其关键。
3.效率：在不同的输入电压条件下，达到较高的效率曲线。
4.保护功能设计：设计各种保护功能，以匹配整个输入电压曲线，以及12V保护系统要求。
5.可制造性要求：至少要可能达到半自动化的要求，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，可能最大的挑战，是找不到好的车用磁性元件，向日本厂家买又是很困难的事情。从部件级别上面来看，有以下几点看法： 
图8 变压器的发展
1.变压器：车用的2KW大功率变压器，似乎没有国内合格的供应商，想要绕开这个又是不可能的事情。而变压器的设计，本身就是整个功率电子里面一个核心的事情，出来产品的特性，很大一部分是源于材料。按照TDK的说明，其变压器的铁氧体材料“PC95”（PC95 ferrite core material），原料为Fe（铁）、Mn（锰）、Zn（锌），Fe的混合比例等与原产品（“PC44”、“PC45”等）不同。
1）平板变压器：我初次接触充电机，美国人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。
2）集成化：Denso的说明文档里面是将变压器与Chock coil合在一起，根据各个展会的资料，这不是它一家的想法。在我看来，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。
上次偶然吃饭的时候，听到朋友谈及其友人，拿新能源车DC-DC作为创业产品，我个人以为还是有些难的。在国内走访的供应商里面，看到的积极因素不多。 | 
