聊這個(gè)主題，主要是想提一下功率電子在未來(lái)電氣化里面的作用，大功率的DC-DC在汽車(chē)電氣化系統里面起到了一個(gè)關(guān)鍵的作用，但也與逆變器這種和車(chē)輛安全有著(zhù)直接關(guān)聯(lián)的設備有著(zhù)本質(zhì)的區別，對于車(chē)輛的功能安全，在這里暫不展開(kāi)，實(shí)際上表1中不同產(chǎn)品的附加值，與是否涉及核心的車(chē)輛安全有直接的關(guān)系，更會(huì )影響到整車(chē)企業(yè)是否想把部件做成in-house的部件。
表1 功率電子在新能源汽車(chē)的基本分布

　
因此我們所涉及的DC-DC主要有三種類(lèi)型。
1）高低壓轉換器（輔助功率模塊）
此模塊的主要作用是取代傳統的12V發(fā)電機。如圖1所示，強混以上的系統之中，發(fā)動(dòng)機輸出的動(dòng)力直接驅動(dòng)高壓繼電器對高壓電池系統進(jìn)行補電，傳統的12V用電負荷，則完全依靠這個(gè)DC/DC變壓器供給，因此傳統的用電負荷補給也就落實(shí)到了這里。此類(lèi)器件，幾乎所有的新能源汽車(chē)都會(huì )應用，功率范圍從1KW～2.2KW，也是未來(lái)48V系統的一個(gè)核心元件，將對此器件進(jìn)行展開(kāi)。

圖1 高電壓轉換器的應用環(huán)境

圖2 12V電壓

3）高壓升壓器
這種高壓升壓器，如圖3所示是一種選擇性的架構，主要是某些整車(chē)企業(yè)，為了提高動(dòng)力系統的效率，選擇用一個(gè)Boost的升壓器來(lái)提高逆變器輸入的總線(xiàn)電壓。因此，這個(gè)部件集成在逆變器里面，作為動(dòng)力總成的一部分。此類(lèi)器件，由于在特定的部件條件下，通過(guò)系統設計優(yōu)化出來(lái)的一個(gè)附帶產(chǎn)物，并不是每個(gè)整車(chē)企業(yè)都需要選擇，特別是隨著(zhù)鋰電化帶來(lái)的系統電壓等級的升高，這個(gè)器件對于普通的零配件企業(yè)而言不是很好的機會(huì )。

圖3 高壓升壓器

高低壓轉換器部件的歷史
由于在磁性材料和部件領(lǐng)域的優(yōu)勢，加之日本混合動(dòng)力汽車(chē)市場(chǎng)的培育較為成功，與日本整車(chē)汽車(chē)同步發(fā)展，在這個(gè)領(lǐng)域耕耘比較好的，是日本供應商，比如TDK；其產(chǎn)品線(xiàn)一代代進(jìn)化如圖所示，產(chǎn)品主要應用在本田的混合動(dòng)力產(chǎn)品線(xiàn)上。其競爭對手Denso和Toyota Industry的產(chǎn)品，在不同的普銳斯/凱美瑞的混合動(dòng)力車(chē)上使用，在整體銷(xiāo)量上，是處于領(lǐng)先地位的，如圖5所示。其他日本廠(chǎng)家如Shindengen Electric和Nichicon，也在依托其部件優(yōu)勢擠入汽車(chē)功率電子零部件市場(chǎng)。傳統的汽車(chē)部件供應商，如博世、大陸和德?tīng)柛�，雖然切入這個(gè)領(lǐng)域不算太晚，但這個(gè)部件的特點(diǎn)就決定較難依靠單一部件來(lái)盈利，在產(chǎn)量較低的時(shí)候，BOM成本會(huì )很高，不易切入。其他在工業(yè)功率電子中比較成功的艾默生和臺達電子，特別是后者依托其工業(yè)&消費功率電子的份額，在積極開(kāi)拓這個(gè)市場(chǎng)。

圖4 TDK DC-DC產(chǎn)品進(jìn)化藍圖
  

  
圖5 Denso和Toyota Industry的DC-DC 產(chǎn)品

性能評價(jià)指標
表2 DC-DC產(chǎn)品性能表

DC-DC的部件主要有以下的技術(shù)指標，如表2所示：
1. 功率等級：不同等級的車(chē)輛，往往在配置上存在非常大的差異，導致14V系統的動(dòng)態(tài)功率需求變化。按照模塊化開(kāi)發(fā)的理念，選擇不同的功率等級，來(lái)匹配不同等級的車(chē)輛，經(jīng)過(guò)電氣平衡之后，就可以覆蓋很多的車(chē)型。這算是目前較為流行的做法。
2. 效率：對這個(gè)部件而言，效率是個(gè)極端重視的目標。它既決定了整個(gè)部件的散熱方式，也決定了整個(gè)部件的壽命。評價(jià)效率的時(shí)候，往往采用與輸出電流對應的效率曲線(xiàn)來(lái)表征，單個(gè)點(diǎn)上的最大效率其實(shí)是個(gè)很有欺騙性的數據。
3. 容積&重量&功率密度：部件一體化的設計，目前對于部件的體積和重量都有著(zhù)苛刻的要求，從上面的圖形來(lái)看，在這兩個(gè)指標上，演進(jìn)是較為迅速的。
4. 散熱方式：同大部分功率電子部件一樣，在2KW左右的等級上，有主動(dòng)風(fēng)冷和液冷兩種方式。前者對于系統風(fēng)道有要求，后者對于冷卻液管路的排布有著(zhù)限制。即使開(kāi)發(fā)出來(lái)可用的部件，在整車(chē)集成的時(shí)候，散熱也是一個(gè)很大的問(wèn)題點(diǎn)。
5. 成本：目前來(lái)說(shuō)，這個(gè)部件的成本要求是非常嚴格的，所以后面全橋這樣的拓撲結構所需要的MOSFET較多，也會(huì )被人放棄掉。

圖6 基于模塊化開(kāi)發(fā)的DC-DC部件戰略

拓撲結構
早期的混合動(dòng)力汽車(chē)上裝的DC-DC基本是以全橋結構的拓撲來(lái)實(shí)現的，如圖7，其優(yōu)點(diǎn)是：
1. 全橋應用早期在大功率電器設備內非常常見(jiàn)，所以早期的混合動(dòng)力系統從中學(xué)習。
2. 輸入范圍寬：全橋電路在較寬的范圍內都有比較好的特性。
缺點(diǎn)：
1. 顯而易見(jiàn)的是，用了較多MOSFET，成本較高。
2. 控制較為復雜，一般需要獨立的控制單元。

如果感興趣，可以看看英飛凌和ST所推薦的評估系統，其本身是以全橋系統為藍本設計的。根據有限的資料和信息來(lái)看，目前的發(fā)展使用拓撲結構，也是借鑒工業(yè)上使用的經(jīng)驗，有源鉗位正激和2 Stage直流變化拓撲都是值得嘗試的。

圖7 普銳斯中的全橋拓撲結構和當前Denso的新一代拓撲結構 

圍墻&瓶頸
對于這個(gè)部件來(lái)說(shuō)，先進(jìn)的拓撲結構其實(shí)并不是很高的壁壘，對于安全性要求較高的電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，隔離設計是必須的。其設計難點(diǎn)為：
1.熱設計：對DC-DC需要進(jìn)行良好的熱設計，對液冷需要設計較好的流道。
2.EMC設計：需要設計輸入濾波器以及輸出濾波器，以確保EMC能過(guò)關(guān)，這點(diǎn)在汽車(chē)上應用尤其關(guān)鍵。
3.效率：在不同的輸入電壓條件下，達到較高的效率曲線(xiàn)。
4.保護功能設計：設計各種保護功能，以匹配整個(gè)輸入電壓曲線(xiàn)，以及12V保護系統要求。
5.可制造性要求：至少要可能達到半自動(dòng)化的要求，因此對于整個(gè)板級的設計以及功率電路的連接都比較關(guān)鍵。如果電氣化的量能夠按照混合動(dòng)力這么發(fā)展，未來(lái)制程的要求就成為篩選供應商的一個(gè)重要的條件。

在國內做這個(gè)部件，可能最大的挑戰，是找不到好的車(chē)用磁性元件，向日本廠(chǎng)家買(mǎi)又是很困難的事情。從部件級別上面來(lái)看，有以下幾點(diǎn)看法：

圖8  變壓器的發(fā)展

1.變壓器：車(chē)用的2KW大功率變壓器，似乎沒(méi)有國內合格的供應商，想要繞開(kāi)這個(gè)又是不可能的事情。而變壓器的設計，本身就是整個(gè)功率電子里面一個(gè)核心的事情，出來(lái)產(chǎn)品的特性，很大一部分是源于材料。按照TDK的說(shuō)明，其變壓器的鐵氧體材料“PC95”（PC95 ferrite core material），原料為Fe（鐵）、Mn（錳）、Zn（鋅），Fe的混合比例等與原產(chǎn)品（“PC44”、“PC45”等）不同。
1）平板變壓器：我初次接觸充電機，美國人想法就是用平板變壓器，這種對PCB和制程工藝要求極高的做法，固然是一種路徑，但是參數差異風(fēng)險也直接與制程工藝聯(lián)系起來(lái)了。
2）集成化：Denso的說(shuō)明文檔里面是將變壓器與Chock coil合在一起，根據各個(gè)展會(huì )的資料，這不是它一家的想法。在我看來(lái)，DC-DC的硬件工程師有時(shí)候只能就地取材，這種器件級別的突破，已經(jīng)不是工程師選個(gè)好方案那么簡(jiǎn)單的事情了。
2.MOSFET：能選用的，只有有限的幾家，根據性能的情況來(lái)看，選擇更加有限。所以這塊的成本，居高不下。
3. 濾波電感：情況與變壓器類(lèi)似，由于工藝相對簡(jiǎn)單，主要問(wèn)題在于材料。

上次偶然吃飯的時(shí)候，聽(tīng)到朋友談及其友人，拿新能源車(chē)DC-DC作為創(chuàng )業(yè)產(chǎn)品，我個(gè)人以為還是有些難的。在國內走訪(fǎng)的供應商里面，看到的積極因素不多。