如何實(shí)現(xiàn)倍流整流DC/DC電源變換器的設(shè)計(jì)？電路圖分析

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著能源的過(guò)度消耗和環(huán)境的嚴(yán)重污染，在全球的汽車工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展新能源汽車正是時(shí)候。

相對(duì)于傳統(tǒng)領(lǐng)域的汽車，新能源汽車普遍使用低廉無(wú)污染的電力能源代替高能耗、高污染的石油，對(duì)全球能源及環(huán)境保護(hù)具有極大的意義。

新能源汽車從種類上來(lái)說(shuō)有很多種形式，包括混合動(dòng)力汽車(HEV)、增程式混合動(dòng)力(PHEV)、純電動(dòng)汽車(EV)、燃料電池汽車(FCV)等。

在這些系列的新能源汽車設(shè)計(jì)中，需要使用到不同電壓等級(jí)的電源系統(tǒng)，如高壓系統(tǒng)、低壓系統(tǒng)等，所以DC/DC變換器成為新能源汽車設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)不可或缺的關(guān)鍵部件。

DC/DC變換器是一種直流電源的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，在工業(yè)和民用領(lǐng)域應(yīng)用十分普遍。

在新能源汽車領(lǐng)域依據(jù)不同的應(yīng)用需求有不同的定義，通常可以分為三種：高壓轉(zhuǎn)高壓DC/DC變換器、高壓轉(zhuǎn)低壓DC/DC變換器、低壓穩(wěn)壓DC/DC變換器。

01. 高壓轉(zhuǎn)高壓DC/DC變換器

在新能源汽車上使用的高壓轉(zhuǎn)高壓DC/DC變換器主要用于高壓系統(tǒng)的升壓，將動(dòng)力電池系統(tǒng)的電壓等級(jí)再進(jìn)行升高，以匹配更高等級(jí)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

例如混合動(dòng)力汽車使用144V系統(tǒng)的動(dòng)力電池，為了匹配400V的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在動(dòng)力連接上設(shè)計(jì)此類DC/DC變換器將動(dòng)力電池系統(tǒng)的電壓等級(jí)升高，以匹配電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

02. 高壓轉(zhuǎn)低壓DC/DC變換器

高壓轉(zhuǎn)低壓DC/DC變換器一般代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車的發(fā)電機(jī)，提供低壓蓄電池及低壓電氣設(shè)備的電源，這類DC/DC變換器在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用十分普遍，已經(jīng)成為新能源汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)必要的關(guān)鍵電氣部件之一。

03. 低壓穩(wěn)壓DC/DC變換器

不論傳統(tǒng)汽車還是新能源汽車，由于車內(nèi)的低壓電器設(shè)備較多，在不同的工況下的低壓功率需求差異很大，及時(shí)有+12V蓄電池穩(wěn)壓的情況下，仍不能保證+12V的低壓電源是穩(wěn)定可靠的。

例如在啟動(dòng)引擎的時(shí)候，蓄電池瞬間可以跌落到6V，這樣使用低壓穩(wěn)壓DC/DC變換器來(lái)進(jìn)行有效的穩(wěn)壓變得必要。

又如一些高級(jí)配置常規(guī)車，配備低壓穩(wěn)壓DC/DC變換器，提供車載電腦的穩(wěn)壓。

隨著新能源汽車的發(fā)展，DC/DC變換器在新能源汽車上得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，DC/DC變換器作為一種電源轉(zhuǎn)換裝置，其核心是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，對(duì)于以傳統(tǒng)工業(yè)電源、軍工電源起家的迪龍新能源科技河北有限公司來(lái)說(shuō)，研發(fā)生產(chǎn)DC/DC變換器有得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

迪龍新能源科技河北有限公司(以下簡(jiǎn)稱“迪龍新能源”)依托迪龍集團(tuán)20年傳統(tǒng)電源、軍工電源研發(fā)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，深耕研發(fā)創(chuàng)新，主要致力于電動(dòng)汽車電源充電系統(tǒng)、新能源車載充電系統(tǒng)及設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)、安裝、維修及銷售。

迪龍新能源將具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高壓全磚技術(shù)應(yīng)用于DC-DC變換器，產(chǎn)品可靠性高，質(zhì)量穩(wěn)定，深受國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車廠商的信賴與支持。

并通過(guò)了IATF16949：2016汽車質(zhì)量管理體系認(rèn)證，面向市場(chǎng)推出了先進(jìn)的自冷式、液冷式、集成式車載DC/DC變換器產(chǎn)品，在國(guó)際同行業(yè)水平中處于前列。

除此之外，迪龍新能源還擁有強(qiáng)大的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，配備專業(yè)一流的實(shí)驗(yàn)室和研發(fā)設(shè)備，以及擁有技術(shù)完備的產(chǎn)品生產(chǎn)線和訓(xùn)練有素的技術(shù)工人，能夠快速靈活地為國(guó)內(nèi)外客戶提供不同的產(chǎn)品解決方案。

目前迪龍新能源公司開(kāi)發(fā)的車載DC/DC變換器已經(jīng)涵蓋自冷式、液冷式、集成式、客車專用等類型產(chǎn)品，產(chǎn)品電壓輸入范圍9V-950V(細(xì)分為21種機(jī)型)，單機(jī)輸出功率覆蓋數(shù)百瓦至幾千瓦。近年來(lái)， 隨著計(jì)算機(jī)微處理器的輸入電壓要求越來(lái)越低， 低壓大電流DC - DC 變換器的研究得到了許多研究者的重視， 各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)層出不窮，同步整流技術(shù)、多重多相技術(shù)、磁集成技術(shù)等也都應(yīng)用于這個(gè)領(lǐng)域。筆者提出了一種交錯(cuò)并聯(lián)的低壓大電流DC - DC 變換器， 它的一次側(cè)采用對(duì)稱半橋結(jié)構(gòu)， 而二次側(cè)采用倍流整流結(jié)構(gòu)。采用這種結(jié)構(gòu)可以極大地減小濾波電容上的電流紋波， 從而極大地減小了濾波電感的大小與整個(gè)DC - DC 變換器的尺寸。這種變換器運(yùn)行于48 V 的輸入電壓和100 kHz 的開(kāi)關(guān)頻率的環(huán)境。

隨著微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器的不斷發(fā)展，對(duì)芯片的供電電源的要求越來(lái)越高了。不論是功率密度、效率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面都有了新要求，特別是要求輸出電壓越來(lái)越低，電流卻越來(lái)越大。輸出電壓會(huì)從過(guò)去的3.3V降低到1.1～1.8V之間，甚至更低[1]。從電源的角度來(lái)看，微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器等都是電源的負(fù)載，而且它們都是動(dòng)態(tài)的負(fù)載，這就意味著負(fù)載電流會(huì)在瞬間變化很大，從過(guò)去的13A/μs到將來(lái)的30A/μs～50A/μs[2]。這就要求有能夠輸出電壓低、電流大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的變換器拓?fù)洹６鴮?duì)稱半橋加倍流同步整流結(jié)構(gòu)的DC/DC變換器是最能夠滿足上面的要求的[3]。

本文對(duì)這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變換器的工作原理作出了詳細(xì)的分析說(shuō)明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了它的合理性。

1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

主電路拓?fù)淙鐖D1中所示。由圖1可以看出，輸入級(jí)的拓?fù)錇榘霕螂娐罚敵黾?jí)是倍流整流加同步整流結(jié)構(gòu)。由于要求電路輸出低壓大電流，則倍流同步整流結(jié)構(gòu)是最合適的，這是因?yàn)椋?

1)變壓器副邊只需一個(gè)繞組，與中間抽頭結(jié)構(gòu)相比較，它的副邊繞組數(shù)只有中間抽頭結(jié)構(gòu)的一半，所以損耗在副邊的功率相對(duì)較小;

2)輸出有兩個(gè)濾波電感，兩個(gè)濾波電感上的電流相加后得到輸出負(fù)載電流，而這兩個(gè)電感上的電流紋波有相互抵消的作用，所以，最終得到了很小的輸出電流紋波;

3)流過(guò)每個(gè)濾波電感的平均電流只有輸出電流的一半，與中間抽頭結(jié)構(gòu)相比較，在輸出濾波電感上的損耗明顯減小了;

4)較少的大電流連接線(high current inter-connection)，在倍流整流拓?fù)渲?，它的副邊大電流連接線只有2路，而在中間抽頭的拓?fù)渲杏?路;

5)動(dòng)態(tài)響應(yīng)很好。

它唯一的缺點(diǎn)就是需要兩個(gè)輸出濾波電感，在體積上相對(duì)要大些。但是，有一種叫集成磁(integrated magnetic)的方法，可以將它的兩個(gè)輸出濾波電感和變壓器都集成到同一個(gè)磁芯內(nèi)，這樣可以大大地減小變換器的體積。