综述：电动汽车用先进DC-DC转换器拓扑结构：宽禁带技术、新兴趋势与未来挑战

《Electrical Materials and Applications》：Advanced DC–DC Converter Topologies for Electric Vehicles: Wide Bandgap Technologies, Emerging Trends and Future Challenges

分析电动汽车（BEV/HEV/PEV/FCEV）中DC-DC转换器拓扑，探讨高效（83%-98.9%）、低纹波（≤2%）及抗EMI设计，提出基于宽禁带半导体（SiC/GaN）和智能控制（AI/数字孪生）的未来方向。

　　随着全球交通领域向电气化转型，电动汽车（EVs）的快速发展对电力电子转换器（PECs）提出了更高的要求。这些转换器是连接电池、牵引电机、再生制动系统和辅助负载的关键设备，负责管理能量流动。本文对直流-直流（DC–DC）转换器拓扑结构进行了全面综述，重点分析了四种主要EV架构——纯电动汽车（BEVs）、混合动力汽车（HEVs）、插电式混合动力汽车（PEVs）和燃料电池汽车（FCEVs）——所采用的转换器类型。转换器被分类为单向、双向和多输入类型，并从电压增益、纹波抑制、效率、开关策略和控制复杂性等方面进行了评估。典型效率范围在非隔离双向转换器中为83%–88%，交错拓扑结构通常在90%–96%，而使用宽禁带（WBG）器件的谐振转换器则可达95%–98.9%。文章还探讨了先进的设计，如零电压开关（ZVS）/零电流开关（ZCS）、隔离全桥和多端口转换器等。特别强调了碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）器件在数百千赫兹（实验室演示接近1 MHz）的高频操作中的应用，以及高功率密度的优势。然而，仍面临电磁干扰（EMI）、在超快充电（ΔTj > 70°C）期间的热管理以及WBG器件可靠性等挑战。新兴方向包括基于人工智能（AI）的诊断，实现电容器老化预测超过99%，车辆到电网（V2G）与ISO 15118标准的整合，以及硅光子学和量子控制在下一代电动汽车中的应用。

电动汽车的普及显著提升了对电力电子转换器的需求。根据国际能源署（IEA）的数据，从2014年到2024年，电动汽车销量迅速增长，达到1710万辆，占全球汽车市场的18.2%。2024年的区域贡献大致为：中国640万辆BEV和490万辆PEV，欧洲220万辆BEV和100万辆PEV，美国120万辆BEV和30万辆PEV，以及其余地区100万辆BEV和30万辆PEV。展望2030年，销量预计在Stated Policies Scenario下约为2600万辆（约占16%），而在Sustainable Development Scenario下约为4700万辆（约占34%），表明电动车正逐渐向BEV方向转移。本文通过图表展示了区域分布和年度销售情况，为理解EV市场趋势提供了基础。

在电动车领域，电力电子转换器对于车辆动力系统至关重要。转换器不仅负责多领域能量转换，还影响车辆的续航、性能和生命周期成本。不同EV架构对转换器设计提出了独特的约束条件。例如，BEVs（如特斯拉Model 3，通常为400 V总线，一些高端平台则针对800 V）完全依赖锂离子电池。而HEVs（如丰田Prius）则使用双向降压-升压转换器动态结合内燃机（ICE）和电动机的功率，以实现毫秒级的扭矩瞬态和再生制动期间的亚毫秒级电流控制。PEVs（如三菱Outlander）利用多输入转换器配合优先级切换逻辑，协调电网充电与ICE发电，这带来了控制理论上的挑战。FCEVs（如丰田Mirai）则需要隔离的高增益DC–DC转换器，将低电压燃料电池输出（80–100 V）提升至400 V的推进总线，同时提供隔离以防止地环电流并满足安全要求。

电力电子转换器的发展反映了开关理论和磁路设计的根本性进步。双向转换器因其支持V2G功能和再生制动而取代了早期的单向架构。这种演变包括交错多相设计（3–6相），利用谐波抵消原理显著降低电流纹波。谐振拓扑结构通过LC谐振腔实施ZVS/ZCS，从而大幅减少开关损耗。多端口转换器则利用共享阻抗网络实现电池-超级电容的混合。WBG半导体（如SiC和GaN）的引入突破了硅基器件的理论限制，使转换器能够在更高的工作温度（超过175°C）下运行，支持更高的开关频率，这在生产中通常为Si/SiC牵引逆变器约10–40 kHz，SiC隔离/辅助DC–DC阶段约100–300 kHz，GaN车载充电器（OBC）约200–500 kHz，而MHz级别的操作仍主要停留在实验室演示中。

尽管有这些进展，但电力电子转换器在热力学、电磁学和控制理论交汇处仍面临关键挑战。热管理尤为关键：在350 kW超快充电过程中，结温波动ΔTj > 70°C会加速导线连接器的退化，需要液体冷却系统以达到超过1 W/cm2的散热能力。电磁兼容性（EMC）挑战随着开关频率的提升而加剧：GaN转换器在500 kHz以上运行时，dv/dt率超过100 V/ns，可能需要额外的滤波和屏蔽来满足CISPR 25 Class 5标准。充电标准的互操作性和延迟仍然是实践中的障碍：现场实施的ISO 15118必须与区域生态系统（如IEEE 2030.5）共存，而实际握手时间和堆栈兼容性仍是工程优化的重点。此外，WBG器件的可靠性问题依然存在，有报告指出其在偏压、温度和湿度应力下的敏感性。

新兴解决方案利用跨学科方法，包括量子物理、人工智能（AI）和材料科学。在预测性维护方面，最近的研究报告了基于LSTM模型的高精度（≈95%–99%）电容器老化预测，通过关联ESR漂移与热电应力配置，提升了诊断和可靠性。高电压原型使用光/光子门驱动技术实现了亚微秒级的故障隔离，同时提高了共模免疫性。相比之下，量子控制的开关技术仍是一个长期研究方向：尽管实验室环境下存在MHz级别的演示，但低温和封装目前限制了其在汽车领域的应用。可持续性相关的创新包括可逆无环氧树脂磁性材料，目标是实现高达90%的高回收率，以及理论上的Baliga性能指标约为SiC的10倍的氧化镓（Ga?O?）半导体。

现有的综述文章存在局限性，本文则针对这些不足进行补充。近年来的调查通常集中在某一类转换器家族（如三端口/多端口）而没有跨架构映射，或强调器件层面的WBG物理特性，而未将其转化为可部署的系统目标（频率/热/EMI范围）。此外，许多综述仅限于单一EV类别或忽略了前沿的控制/封装主题（如光学/光子门驱动和量子启发的开关），而本文则明确地探讨了这些内容。本文通过将四种EV架构（BEV/HEV/PEV/FCEV）与超过20种转换器家族联系起来，并引入标准化的基准框架（峰值+负载平均效率、HV/LV纹波目标、指示EMI裕度和ΔTj透明度）来覆盖一个精心挑选的2018–2025文献库（超过150个设计），从而填补了这一空白。

本文的结构如下：第一部分介绍了电动车和电力电子转换器技术的背景与动机。第二部分提供了现代电动车分类，并探讨了各种架构中转换器的关键作用。第三部分综述了下一代电动车、混合动力车和燃料电池车的电力电子和转换器技术。第四部分提供了EV和转换器类型的比较分析，综合了性能数据和应用趋势。第五部分讨论了影响转换器发展的关键挑战和未来趋势。最后，第六部分总结了全文，并提出了未来研究的重点方向。

本文为电动车电力电子领域做出了多项创新贡献。它提出了一种统一的分类法，将四种主要EV架构——BEVs、HEVs、PEVs和FCEVs——与对应的DC–DC转换器拓扑结构联系起来，基于设计参数如电压增益、纹波特性、控制复杂性和应用适配性。本文首次对2018年至2025年间发表的超过150种转换器设计进行了综合评估，将它们归类为单向、双向、隔离和多输入配置，并附有相关性能指标。除了综合现有文献，本文还识别出三种新兴趋势，可能塑造下一代电动车转换器技术：光/光子门控制用于高电压隔离，AI辅助的预测用于可靠性与可回收性，以及量子控制用于超高频开关。这些贡献旨在指导学术研究和工业开发，朝着更高效、更可靠和未来适应的转换器架构发展。

在现代电动车中，电力电子转换器的分类和应用是其性能的关键。SHEVs和SPHEVs通常采用单向DC–DC转换器，将ICE驱动的发电机输出整流并稳定地传输到主推进系统和辅助子系统。PEVs和FCEVs则更复杂，需要多输入转换器来协调多个能量源，如电池、超级电容和燃料电池，这为多源能量管理提供了灵活性。对于BEVs，单向转换器常用于将高电压电池输出（通常为400–800 V）转换为12 V或48 V的辅助负载，确保高低压子系统在动态运行条件下高效运作。在再生制动期间，双向转换器是关键，使电动机在发电机模式下将动能转化为电能，并将其储存回电池，而不是通过摩擦制动浪费。

随着电动车架构向800 V甚至更高发展，转换器拓扑优化变得尤为重要。交错多相设计（3–6相）利用谐波抵消原理显著降低电流纹波。谐振拓扑结构通过LC谐振腔实施ZVS/ZCS，从而大幅减少开关损耗。多端口转换器则利用共享阻抗网络实现电池-超级电容的混合。这些设计的灵活性和性能提升，使得现代电动车能够更高效地管理多源能量转换。

WBG半导体（如SiC和GaN）的引入为电动车转换器性能带来了革命性的变化。与硅基器件相比，WBG器件具有更高的临界电场（SiC为2.8 MV/cm，硅为0.3 MV/cm），允许更高的电子饱和速度。这些特性使得转换器能够在更高的结温下运行，支持更高的开关频率。在生产中，典型的Si/SiC牵引逆变器开关频率为10–40 kHz，SiC隔离/辅助DC–DC阶段为100–300 kHz，而GaN车载充电器的开关频率可达200–500 kHz，尽管MHz级别的操作仍主要停留在实验室演示中。公开的拆解报告显示，使用SiC MOSFET的牵引逆变器在高端BEV中比硅IGBT基线提高了几个百分点的效率。GaN基于的车载充电器设计则实现了数百千赫兹下的多千瓦/升的功率密度，使磁性元件显著减小。

尽管有这些优势，WBG器件仍带来了成本、门驱动设计、封装寄生效应和EMI控制等方面的挑战。在预测性维护方面，AI辅助的电容器健康监测已经实现了超过99%的老化预测精度，提升了诊断和可靠性。高电压原型使用光学/光子门驱动技术，展示了亚微秒级的故障隔离能力，同时改善了共模免疫性。相比之下，量子控制的开关技术仍是一个长期研究方向：尽管在实验室环境中存在MHz级别的演示，但低温和封装限制了其在汽车领域的应用。可持续性相关的创新包括可逆无环氧树脂磁性材料，目标是实现高回收率（>90%），以及理论上的Baliga性能指标约为SiC的10倍的氧化镓（Ga?O?）半导体。

现有的综述文章和本文的范围存在限制：近年来的调查往往（i）聚焦于一个转换器家族（如三端口/多端口）而没有跨架构映射，（ii）强调器件层面的WBG物理特性而未将其转化为可部署的系统目标（频率/热/EMI范围）或（iii）报告峰值效率于异构操作点，限制了同类比较。此外，许多综述局限于单一EV类别或忽略了前沿的控制/封装主题（如光学/光子门驱动和量子启发的开关），而本文则明确地探讨了这些内容。本文通过将四种EV架构（BEV/HEV/PEV/FCEV）与超过20种转换器家族联系起来，并引入标准化的基准框架（峰值+负载平均效率、HV/LV纹波目标、指示EMI裕度和ΔTj透明度）来覆盖一个精心挑选的2018–2025文献库（超过150个设计），从而填补了这些空白。

本文的结构如下：第一部分介绍了电动车和电力电子转换器技术的背景与动机。第二部分提供了现代电动车分类，并探讨了各种架构中转换器的关键作用。第三部分综述了下一代电动车、混合动力车和燃料电池车的电力电子和转换器技术。第四部分提供了EV和转换器类型的比较分析，综合了性能数据和应用趋势。第五部分讨论了影响转换器发展的关键挑战和未来趋势。最后，第六部分总结了全文，并提出了未来研究的重点方向。

本文为电动车电力电子领域做出了多项创新贡献。它提出了一种统一的分类法，将四种主要EV架构——BEVs、HEVs、PEVs和FCEVs——与对应的DC–DC转换器拓扑结构联系起来，基于设计参数如电压增益、纹波特性、控制复杂性和应用适配性。本文首次对2018年至2025年间发表的超过150种转换器设计进行了综合评估，将它们归类为单向、双向、隔离和多输入配置，并附有相关性能指标。除了综合现有文献，本文还识别出三种新兴趋势，可能塑造下一代电动车转换器技术：光/光子门控制用于高电压隔离，AI辅助的预测用于可靠性与可回收性，以及量子控制用于超高频开关。这些贡献旨在指导学术研究和工业开发，朝着更高效、更可靠和未来适应的转换器架构发展。

在现代电动车中，电力电子转换器的分类和应用是其性能的关键。SHEVs和SPHEVs通常采用单向DC–DC转换器，将ICE驱动的发电机输出整流并稳定地传输到主推进系统和辅助子系统。PEVs和FCEVs则更复杂，需要多输入转换器来协调多个能量源，如电池、超级电容和燃料电池，这为多源能量管理提供了灵活性。对于BEVs，单向转换器常用于将高电压电池输出（通常为400–800 V）转换为12 V或48 V的辅助负载，确保高低压子系统在动态运行条件下高效运作。在再生制动期间，双向转换器是关键，使电动机在发电机模式下将动能转化为电能，并将其储存回电池，而不是通过摩擦制动浪费。

随着电动车架构向800 V甚至更高发展，转换器拓扑优化变得尤为重要。交错多相设计（3–6相）利用谐波抵消原理显著降低电流纹波。谐振拓扑结构通过LC谐振腔实施ZVS/ZCS，从而大幅减少开关损耗。多端口转换器则利用共享阻抗网络实现电池-超级电容的混合。这些设计的灵活性和性能提升，使得现代电动车能够更高效地管理多源能量转换。

WBG半导体（如SiC和GaN）的引入为电动车转换器性能带来了革命性的变化。与硅基器件相比，WBG器件具有更高的临界电场和更低的开关损耗，而SiC的热导率也高于硅，GaN的热性能则强烈依赖于器件结构和封装。因此，SiC/GaN器件使得转换器能够在更高的开关频率下运行，减小被动元件，改善热性能并提升功率密度。在生产中，典型的Si/SiC牵引逆变器开关频率为10–40 kHz，SiC隔离/辅助DC–DC阶段为100–300 kHz，GaN OBC为200–500 kHz，而MHz级别的操作仍主要停留在实验室演示中。公开的拆解报告显示，使用SiC MOSFET的牵引逆变器在高端BEV中比硅IGBT基线提高了几个百分点的效率。GaN基于的车载充电器设计则实现了数百千赫兹下的多千瓦/升的功率密度，使磁性元件显著减小。

尽管有这些优势，WBG器件仍带来了成本、门驱动设计、封装寄生效应和EMI控制等方面的挑战。在预测性维护方面，AI辅助的电容器健康监测已经实现了超过99%的老化预测精度，提升了诊断和可靠性。高电压原型使用光学/光子门驱动技术，展示了亚微秒级的故障隔离能力，同时改善了共模免疫性。相比之下，量子控制的开关技术仍是一个长期研究方向：尽管在实验室环境中存在MHz级别的演示，但低温和封装限制了其在汽车领域的应用。可持续性相关的创新包括可逆无环氧树脂磁性材料，目标是实现高回收率（>90%），以及理论上的Baliga性能指标约为SiC的10倍的氧化镓（Ga?O?）半导体。

本文在文献综述中也对电动车转换器技术的分类和应用进行了详细分析。在现代电动车中，尤其是那些采用800 V架构的车型，WBG半导体器件（如SiC和GaN）的使用日益增多，因其卓越的电气性能。这些器件使转换器能够在更高的电压、更高的开关频率（高达1 MHz）下运行，并且相比传统硅基组件具有更低的传导和开关损耗。在实践中，生产中的开关频率通常为Si/SiC牵引逆变器约10–40 kHz，SiC隔离/辅助DC–DC阶段约100–300 kHz，而GaN OBC的开关频率可达200–500 kHz；尽管MHz级别的操作仍主要停留在实验室演示中，但其受限于EMI和损耗。公开的拆解报告指出，使用SiC MOSFET的牵引逆变器在高销量的BEV中比硅IGBT基线提高了约3–5个百分点的效率。GaN基于的车载充电器设计在数百千赫兹下报告了多千瓦/升的功率密度，从而实现了有意义的磁性元件减小。

尽管有这些进展，但在热力学、电磁学和控制理论的交叉点上仍存在关键挑战。热管理是首要任务：在350 kW超快充电期间，结温波动ΔTj > 70°C会加速导线连接器的退化，需要液体冷却系统以达到超过1 W/cm2的散热能力。

电磁兼容性（EMC）挑战随着开关频率的增加而加剧：GaN转换器在500 kHz以上运行时，dv/dt率超过100 V/ns，这会激发寄生谐振，通常需要额外的滤波和屏蔽以满足CISPR 25 Class 5标准。充电标准的互操作性和延迟仍然是实践中的障碍：现场实施的ISO 15118必须与区域生态系统（如IEEE 2030.5）共存，而实际握手时间和堆栈兼容性仍是工程优化的重点。此外，WBG器件的可靠性问题依然存在，有报告指出其在偏压、温度和湿度应力下的敏感性。

新兴解决方案利用跨学科方法，包括量子物理、人工智能（AI）和材料科学。在预测性维护方面，最近的研究报告了基于LSTM模型的高精度（≈95%–99%）电容器老化预测，通过关联ESR漂移与热电应力配置，提升了诊断和可靠性。高电压原型使用光学/光子门驱动技术，展示了亚微秒级的故障隔离能力，同时改善了共模免疫性。相比之下，量子控制的开关技术仍是一个长期研究方向：尽管在实验室环境中存在MHz级别的演示，但低温和封装目前限制了其在汽车领域的应用。可持续性相关的创新包括可逆无环氧树脂磁性材料，目标是实现高回收率（>90%），以及理论上的Baliga性能指标约为SiC的10倍的氧化镓（Ga?O?）半导体。

现有的综述文章存在局限性，本文则针对这些不足进行补充。近年来的调查通常集中在某一类转换器家族（如三端口/多端口）而没有跨架构映射，或强调器件层面的WBG物理特性，而未将其转化为可部署的系统目标（频率/热/EMI范围）。此外，许多综述局限于单一EV类别或忽略了前沿的控制/封装主题（如光学/光子门驱动和量子启发的开关），而本文则明确地探讨了这些内容。本文通过将四种EV架构（BEV/HEV/PEV/FCEV）与超过20种转换器家族联系起来，并引入标准化的基准框架（峰值+负载平均效率、HV/LV纹波目标、指示EMI裕度和ΔTj透明度）来覆盖一个精心挑选的2018–2025文献库（超过150个设计），从而填补了这一空白。

本文的结构如下：第一部分介绍了电动车和电力电子转换器技术的背景与动机。第二部分提供了现代电动车分类，并探讨了各种架构中转换器的关键作用。第三部分综述了下一代电动车、混合动力车和燃料电池车的电力电子和转换器技术。第四部分提供了EV和转换器类型的比较分析，综合了性能数据和应用趋势。第五部分讨论了影响转换器发展的关键挑战和未来趋势。最后，第六部分总结了全文，并提出了未来研究的重点方向。

本文为电动车电力电子领域做出了多项创新贡献。它提出了一种统一的分类法，将四种主要EV架构——BEVs、HEVs、PEVs和FCEVs——与对应的DC–DC转换器拓扑结构联系起来，基于设计参数如电压增益、纹波特性、控制复杂性和应用适配性。本文首次对2018年至2025年间发表的超过150种转换器设计进行了综合评估，将它们归类为单向、双向、隔离和多输入配置，并附有相关性能指标。除了综合现有文献，本文还识别出三种新兴趋势，可能塑造下一代电动车转换器技术：光/光子门控制用于高电压隔离，AI辅助的预测用于可靠性与可回收性，以及量子控制用于超高频开关。这些贡献旨在指导学术研究和工业开发，朝着更高效、更可靠和未来适应的转换器架构发展。

在现代电动车中，电力电子转换器的分类和应用是其性能的关键。SHEVs和SPHEVs通常采用单向DC–DC转换器，将ICE驱动的发电机输出整流并稳定地传输到主推进系统和辅助子系统。PEVs和FCEVs则更复杂，需要多输入转换器来协调多个能量源，如电池、超级电容和燃料电池，这为多源能量管理提供了灵活性。对于BEVs，单向转换器常用于将高电压电池输出（通常为400–800 V）转换为12 V或48 V的辅助负载，确保高低压子系统在动态运行条件下高效运作。在再生制动期间，双向转换器是关键，使电动机在发电机模式下将动能转化为电能，并将其储存回电池，而不是通过摩擦制动浪费。

随着电动车架构向800 V甚至更高发展，转换器拓扑优化变得尤为重要。交错多相设计（3–6相）利用谐波抵消原理显著降低电流纹波。谐振拓扑结构通过LC谐振腔实施ZVS/ZCS，从而大幅减少开关损耗。多端口转换器则利用共享阻抗网络实现电池-超级电容的混合。这些设计的灵活性和性能提升，使得现代电动车能够更高效地管理多源能量转换。

WBG半导体（如SiC和GaN）的引入为电动车转换器性能带来了革命性的变化。与硅基器件相比，WBG器件具有更高的临界电场和更低的开关损耗，而SiC的热导率也高于硅，GaN的热性能则强烈依赖于器件结构和封装。因此，SiC/GaN器件使得转换器能够在更高的开关频率下运行，减小被动元件，改善热性能并提升功率密度。在生产中，典型的Si/SiC牵引逆变器开关频率为10–40 kHz，SiC隔离/辅助DC–DC阶段为100–300 kHz，而GaN OBC的开关频率可达200–500 kHz；尽管MHz级别的操作仍主要停留在实验室演示中，但其受限于EMI和损耗。公开的拆解报告指出，使用SiC MOSFET的牵引逆变器在高销量的BEV中比硅IGBT基线提高了约3–5个百分点的效率。GaN基于的车载充电器设计在数百千赫兹下报告了多千瓦/升的功率密度，从而实现了有意义的磁性元件减小。

尽管有这些优势，WBG器件仍带来了成本、门驱动设计、封装寄生效应和EMI控制等方面的挑战。在预测性维护方面，AI辅助的电容器健康监测已经实现了超过99%的老化预测精度，提升了诊断和可靠性。高电压原型使用光学/光子门驱动技术，展示了亚微秒级的故障隔离能力，同时改善了共模免疫性。相比之下，量子控制的开关技术仍是一个长期研究方向：尽管在实验室环境中存在MHz级别的演示，但低温和封装目前限制了其在汽车领域的应用。可持续性相关的创新包括可逆无环氧树脂磁性材料，目标是实现高回收率（>90%），以及理论上的Baliga性能指标约为SiC的10倍的氧化镓（Ga?O?）半导体。

现有的综述文章存在局限性，本文则针对这些不足进行补充。近年来的调查通常集中在某一类转换器家族（如三端口/多端口）而没有跨架构映射，或强调器件层面的WBG物理特性，而未将其转化为可部署的系统目标（频率/热/EMI范围）。此外，许多综述局限于单一EV类别或忽略了前沿的控制/封装主题（如光学/光子门驱动和量子启发的开关），而本文则明确地探讨了这些内容。本文通过将四种EV架构（BEV/HEV/PEV/FCEV）与超过20种转换器家族联系起来，并引入标准化的基准框架（峰值+负载平均效率、HV/LV纹波目标、指示EMI裕度和ΔTj透明度）来覆盖一个精心挑选的2018–2025文献库（超过150个设计），从而填补了这一空白。

本文的结构如下：第一部分介绍了电动车和电力电子转换器技术的背景与动机。第二部分提供了现代电动车分类，并探讨了各种架构中转换器的关键作用。第三部分综述了下一代电动车、混合动力车和燃料电池车的电力电子和转换器技术。第四部分提供了EV和转换器类型的比较分析，综合了性能数据和应用趋势。第五部分讨论了影响转换器发展的关键挑战和未来趋势。最后，第六部分总结了全文，并提出了未来研究的重点方向。

本文为电动车电力电子领域做出了多项创新贡献。它提出了一种统一的分类法，将四种主要EV架构——BEVs、HEVs、PEVs和FCEVs——与对应的DC–DC转换器拓扑结构联系起来，基于设计参数如电压增益、纹波特性、控制复杂性和应用适配性。本文首次对2018年至2025年间发表的超过150种转换器设计进行了综合评估，将它们归类为单向、双向、隔离和多输入配置，并附有相关性能指标。除了综合现有文献，本文还识别出三种新兴趋势，可能塑造下一代电动车转换器技术：光/光子门控制用于高电压隔离，AI辅助的预测用于可靠性与可回收性，以及量子控制用于超高频开关。这些贡献旨在指导学术研究和工业开发，朝着更高效、更可靠和未来适应的转换器架构发展。

在现代电动车中，电力电子转换器的分类和应用是其性能的关键。SHEVs和SPHEVs通常采用单向DC–DC转换器，将ICE驱动的发电机输出整流并稳定地传输到主推进系统和辅助子系统。PEVs和FCEVs则更复杂，需要多输入转换器来协调多个能量源，如电池、超级电容和燃料电池，这为多源能量管理提供了灵活性。对于BEVs，单向转换器常用于将高电压电池输出（通常为400–800 V）转换为12 V或48 V的辅助负载，确保高低压子系统在动态运行条件下高效运作。在再生制动期间，双向转换器是关键，使电动机在发电机模式下将动能转化为电能，并将其储存回电池，而不是通过摩擦制动浪费。

随着电动车架构向800 V甚至更高发展，转换器拓扑优化变得尤为重要。交错多相设计（3–6相）利用谐波抵消原理显著降低电流纹波。谐振拓扑结构通过LC谐振腔实施ZVS/ZCS，从而大幅减少开关损耗。多端口转换器则利用共享阻抗网络实现电池-超级电容的混合。这些设计的灵活性和性能提升，使得现代电动车能够更高效地管理多源能量转换。

WBG半导体（如SiC和GaN）的引入为电动车转换器性能带来了革命性的变化。与硅基器件相比，WBG器件具有更高的临界电场和更低的开关损耗，而SiC的热导率也高于硅，GaN的热性能则强烈依赖于器件结构和封装。因此，SiC/GaN器件使得转换器能够在更高的开关频率下运行，减小被动元件，改善热性能并提升功率密度。在生产中，典型的Si/SiC牵引逆变器开关频率为10–40 kHz，SiC隔离/辅助DC–DC阶段为100–300 kHz，而GaN OBC的开关频率可达200–500 kHz；尽管MHz级别的操作仍主要停留在实验室演示中，但其受限于EMI和损耗。公开的拆解报告指出，使用SiC MOSFET的牵引逆变器在高销量的BEV中比硅IGBT基线提高了约3–5个百分点的效率。GaN基于的车载充电器设计在数百千赫兹下报告了多千瓦/升的功率密度，从而实现了有意义的磁性元件减小。

尽管有这些优势，WBG器件仍带来了成本、门驱动设计、封装寄生效应和EMI控制等方面的挑战。在预测性维护方面，AI辅助的电容器健康监测已经实现了超过99%的老化预测精度，提升了诊断和可靠性。高电压原型使用光学/光子门驱动技术，展示了亚微秒级的故障隔离能力，同时改善了共模免疫性。相比之下，量子控制的开关技术仍是一个长期研究方向：尽管在实验室环境中存在MHz级别的演示，但低温和封装目前限制了其在汽车领域的应用。可持续性相关的创新包括可逆无环氧树脂磁性材料，目标是实现高回收率（>90%），以及理论上的Baliga性能指标约为SiC的10倍的氧化镓（Ga?O?）半导体。

现有的综述文章存在局限性，本文则针对这些不足进行补充。近年来的调查通常集中在某一类转换器家族（如三端口/多端口）而没有跨架构映射，或强调器件层面的WBG物理特性，而未将其转化为可部署的系统目标（频率/热/EMI范围）。此外，许多综述局限于单一EV类别或忽略了前沿的控制/封装主题（如光学/光子门驱动和量子启发的开关），而本文则明确地探讨了这些内容。本文通过将四种EV架构（BEV/HEV/PEV/FCEV）与超过20种转换器家族联系起来，并引入标准化的基准框架（峰值+负载平均效率、HV/LV纹波目标、指示EMI裕度和ΔTj透明度）来覆盖一个精心挑选的2018–2025文献库（超过150个设计），从而填补了这一空白。

本文的结构如下：第一部分介绍了电动车和电力电子转换器技术的背景与动机。第二部分提供了现代电动车分类，并探讨了各种架构中转换器的关键作用。第三部分综述了下一代电动车、混合动力车和燃料电池车的电力电子和转换器技术。第四部分提供了EV和转换器类型的比较分析，综合了性能数据和应用趋势。第五部分讨论了影响转换器发展的关键挑战和未来趋势。最后，第六部分总结了全文，并提出了未来研究的重点方向。

本文为电动车电力电子领域做出了多项创新贡献。它提出了一种统一的分类法，将四种主要EV架构——BEVs、HEVs、PEVs和FCEVs——与对应的DC–DC转换器拓扑结构联系起来，基于设计参数如电压增益、纹波特性、控制复杂性和应用适配性。本文首次对2018年至2025年间发表的超过150种转换器设计进行了综合评估，将它们归类为单向、双向、隔离和多输入配置，并附有相关性能指标。除了综合现有文献，本文还识别出三种新兴趋势，可能塑造下一代电动车转换器技术：光/光子门控制用于高电压隔离，AI辅助的预测用于可靠性与可回收性，以及量子控制用于超高频开关。这些贡献旨在指导学术研究和工业开发，朝着更高效、更可靠和未来适应的转换器架构发展。

在现代电动车中，电力电子转换器的分类和应用是其性能的关键。SHEVs和SPHEVs通常采用单向DC–DC转换器，将ICE驱动的发电机输出整流并稳定地传输到主推进系统和辅助子系统。PEVs和FCEVs则更复杂，需要多输入转换器来协调多个能量源，如电池、超级电容和燃料电池，这为多源能量管理提供了灵活性。对于BEVs，单向转换器常用于将高电压电池输出（通常为400–800 V）转换为12 V或48 V的辅助负载，确保高低压子系统在动态运行条件下高效运作。在再生制动期间，双向转换器是关键，使电动机在发电机模式下将动能转化为电能，并将其储存回电池，而不是通过摩擦制动浪费。

随着电动车架构向800 V甚至更高发展，转换器拓扑优化变得尤为重要。交错多相设计（3–6相）利用谐波抵消原理显著降低电流纹波。谐振拓扑结构通过LC谐振腔实施ZVS/ZCS，从而大幅减少开关损耗。多端口转换器则利用共享阻抗网络实现电池-超级电容的混合。这些设计的灵活性和性能提升，使得现代电动车能够更高效地管理多源能量转换。

WBG半导体（如SiC和GaN）的引入为电动车转换器性能带来了革命性的变化。与硅基器件相比，WBG器件具有更高的临界电场和更低的开关损耗，而SiC的热导率也高于硅，GaN的热性能则强烈依赖于器件结构和封装。因此，SiC/GaN器件使得转换器能够在更高的开关频率下运行，减小被动元件，改善热性能并提升功率密度。在生产中，典型的Si/SiC牵引逆变器开关频率为10–40 kHz，SiC隔离/辅助DC–DC阶段为100–300 kHz，而GaN OBC的开关频率可达200–500 kHz；尽管MHz级别的操作仍主要停留在实验室演示中，但其受限于EMI和损耗。公开的拆解报告指出，使用SiC MOSFET的牵引逆变器在高销量的BEV中比硅IGBT基线提高了约3–5个百分点的效率。GaN基于的车载充电器设计在数百千赫兹下报告了多千瓦/升的功率密度，从而实现了有意义的磁性元件减小。

尽管有这些优势，WBG器件仍带来了成本、门驱动设计、封装寄生效应和EMI控制等方面的挑战。在预测性维护方面，AI辅助的电容器健康监测已经实现了超过99%的老化预测精度，提升了诊断和可靠性。高电压原型使用光学/光子门驱动技术，展示了亚微秒级的故障隔离能力，同时改善了共模免疫性。相比之下，量子控制的开关技术仍是一个长期研究方向：尽管在实验室环境中存在MHz级别的演示，但低温和封装目前限制了其在汽车领域的应用。可持续性相关的创新包括可逆无环氧树脂磁性材料，目标是实现高回收率（>90%），以及理论上的Baliga性能指标约为SiC的10倍的氧化镓（Ga?O?）半导体。

现有的综述文章存在局限性，本文则针对这些不足进行补充。近年来的调查通常集中在某一类转换器家族（如三端口/多端口）而没有跨架构映射，或强调器件