新能源電動汽車的大三電是指電池、電機和高壓“電控”，小三電則指車載充電機(OBC)、直流/直流變換器(DC/DC變換器)和高壓直流配電盒(PDU)。
圖1、新能源汽車核心零部件
這篇文章我們分析一下直流/直流變換器的芯片方案。直流/直流變換器(DC/DC變換器)可以將動力電池輸出的高壓直流電轉(zhuǎn)變?yōu)橛秒娫O(shè)備和低壓蓄電池可直接使用的低壓直流電，具有低電壓高電流的特點。動力電池輸出的電壓較高，通常為100V~400V甚至是800V架構(gòu)，不能被車輛中的用電器直接使用，因此需要降壓型的DC/DC變換器將高壓直流電轉(zhuǎn)換為恒定的12V、14V、28V或48V低壓直流電，才能為燈光照明、電動車窗、刮水器、除霜器、儀表系統(tǒng)、娛樂系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、駕駛控制、電動座椅、喇叭等用電器供電或給蓄電池充電。由于整車用電器消耗功率較大而所需電壓較低，因此DC/DC變換器具有低電壓、高電流的特點。
圖2、直流/直流變換器的主要應(yīng)用
直流/直流變換器可以將動力電池輸出的某一數(shù)值的直流電源電壓轉(zhuǎn)化為另一數(shù)值的直流電源電壓，起到調(diào)節(jié)電源輸出、穩(wěn)定電源電壓的作用。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。
圖3、新能源汽車的核心模塊
直流/直流變換器輸入端連接動力電池高壓輸出端，輸出端連接呈并聯(lián)關(guān)系的低壓用電器和蓄電池。當整車控制器(VCU)未接到高壓指令時，蓄電池給低壓用電器供電。當VCU收到上高壓指令后，直流/直流變換器啟動，動力電池輸出的高壓電經(jīng)直流/直流變換器轉(zhuǎn)換后輸出穩(wěn)定的低壓電。直流/直流變換器要根據(jù)車輛用電器實際用電情況和蓄電池的充放電平衡給低壓用電器和蓄電池供電。
圖4、DC/DC變換器控制原理示意圖
直流/直流變換器可以單獨安裝，也可以集成在電源分配單元(PDU)或電力電子集成模塊(PEU)內(nèi)部。DC/DC分為自然冷卻和水冷卻。DC/DC變換器具有輸入過電壓、欠電壓保護，輸出過電壓、欠電壓保護，輸出過載、短路保護，過溫保護等功能。DC/DC內(nèi)部的高壓部分和低壓部分是相互隔離的，低壓部分輸出負極仍采用與車身搭鐵，這就使得低壓用電設(shè)備的12V供電網(wǎng)絡(luò)與燃油汽車保持一致。DC/DC變換流程如下圖所示。DC/DC變換器的高壓部件有動力電池、高壓線束、高壓盒、DC/DC;低壓部件有蓄電池正極線束、蓄電池、蓄電池負極線束。
圖5、DC/DC變換流程
工程師設(shè)計一款直流/直流變換器，需要充分考慮的主要技術(shù)指標有：
1、輸入輸出電壓范圍：這指的是直流/直流變換器能夠接受的輸入電壓和輸出電壓的范圍。通常，輸入電壓范圍在6V至28V之間，而輸出電壓范圍則根據(jù)具體的應(yīng)用需求來確定，常見的有5V、12V、19.2V、24V、36V、48V等。
2、輸出電流能力：這指的是直流/直流變換器能夠提供的最大輸出電流。這個指標直接影響到汽車電子系統(tǒng)的功率需求。
3、功率等級：不同等級的車輛在配置上可能存在很大的差異，這會導(dǎo)致14V系統(tǒng)的動態(tài)功率需求發(fā)生變化。因此，需要根據(jù)車輛等級選擇合適的功率等級的DC/DC變換器。例如，乘用車通常匹配1.5KW-2KW的DC/DC變換器，而客車可能需要3KW-5KW的大功率DC/DC變換器。
4、轉(zhuǎn)換效率：這是DC/DC變換器的一個重要指標，它決定了汽車電力能源的利用率，同時也影響整個部件的散熱方式和使用壽命。目前，一些先進的DC/DC變換器，轉(zhuǎn)換效率普遍達到了90%以上，部分產(chǎn)品甚至達到了95%。
5、體積、重量和功率密度：由于電動汽車的整體空間有限，因此DC/DC變換器的體積越小、功率密度越高，對整車空間的節(jié)約越有利。目前，主流的設(shè)計趨勢是將DC/DC變換器與其他部件進行集成，以提高功率密度并減少體積。
6、散熱方式：同大部分功率電子部件一樣，DC/DC變換器在功率2KW左右的等級上，有主動風冷和液冷兩種散熱方式。選擇哪種散熱方式取決于系統(tǒng)的具體需求和設(shè)計。
7、成本：考慮到汽車部件的成本要求非常嚴格，因此在設(shè)計DC/DC變換器時，需要充分考慮到成本因素，以實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化。
此外，DC/DC變換器還兼?zhèn)涔ぷ鞣€(wěn)定可靠、使用壽命長、安全性高等特點，以滿足電動汽車對部件性能的高要求。同時，它還應(yīng)滿足整車復(fù)雜運行環(huán)境的需求，并具備IP67的防塵防水性能。
圖6、DC/DC變換器
DC/DC變換器由控制芯片、電感線圈、二極管、晶體管、電容器組成，通過重復(fù)通斷開關(guān)，將直流電壓轉(zhuǎn)換成高頻方波電壓，再經(jīng)整流平滑變?yōu)橹绷麟妷狠敵觯妱悠嘍C/DC采用的是降壓型，常見的拓撲結(jié)構(gòu)類型主要有以下幾種：1、全橋PWM硬開關(guān)變換器：這種變換器采用硬開關(guān)工作，效率相對較低，副邊有電壓過沖現(xiàn)象。其輸出波紋較小，對Co的ESR要求較低，典型效率約為92%。2、移相全橋ZVS變換器：這種變換器在電路拓撲上與全橋PWM硬開關(guān)變換器相差無幾，主要區(qū)別在于控制上M1和M4有相位差。由于電壓較小(如13.4V)，可能導(dǎo)致電感Ld上有大電流，Ip有環(huán)流，變壓器會發(fā)熱，典型效率約為94%。目前這是行業(yè)內(nèi)使用最多的方案。3、LLC變換器：在移掉Ld電感后，二級電路采用LLC拓撲，前面加上BOOST并聯(lián)交錯升壓電路，電壓范圍在200-400V之間。這種設(shè)計可以提高效率至大于95.5%，且不需要大電流輸出電感Ld。4、雙向半橋Buck/Boost電路：這是一種常用的非隔離型拓撲，其結(jié)構(gòu)簡單，所需器件數(shù)量少，因此電路損耗小，效率高。此外，這種電路通過電感傳遞能量，無需耐高壓大容量電容。在同樣的工作條件下，其開關(guān)器件的電壓應(yīng)力最小，因此可以選擇電壓額定值較小的器件。5、隔離型雙向DC/DC變換器：在大多數(shù)應(yīng)用場合，如電動汽車電池充電，出于安全考慮，電氣隔離是必要的，因此大多采用隔離型的拓撲。這種拓撲一般由一個逆變網(wǎng)絡(luò)、一個高頻隔離變壓器和一個整流網(wǎng)絡(luò)組成。也可分為不同類型，例如半橋、全橋、反激式、正激式和推挽式DC-DC轉(zhuǎn)換器。直流/直流變換器的參考設(shè)計方案：1、意法半導(dǎo)體
意法半導(dǎo)體的基于SPC58NN84E7 MCU的3KW DC/DC變換器采用的是移相全橋+同步整流的拓撲結(jié)構(gòu)。
圖7、車載DCDC系統(tǒng)方案
意法半導(dǎo)體的2.5kW DCDC系統(tǒng)解決方案，基于ASIL-D多核MCU SPC58NN，使用一顆芯片即可完成功率控制、整車通信、功能安全、AUTOSAR和信息安全等功能。該方案的系統(tǒng)框圖如下所示，使用SPC58NN的一個核實現(xiàn)功率控制，另一個核配置成鎖步模式，實現(xiàn)系統(tǒng)的功能安全診斷，CAN-FD通信等任務(wù)。功率拓撲采用PSFB，開關(guān)頻率100kHz，額定輸入電壓為360V，額定輸出電壓為14V,額定輸出功率為2.5kW。
圖8、2.5kW DCDC系統(tǒng)方案
意法半導(dǎo)體的基于STM32G474RET6 MCU參考設(shè)計方案STDES-6KWHVDCDC，將STW40N95DK5 MDmesh DK5功率MOSFET用于LLC級、STPSC40H12CWL SiC二極管用于整流、用于管理控制。并且輔助電源以次級GND為基準，為MOSFET柵極驅(qū)動器、微控制器和信號調(diào)理器供電。除了PM8834MTR柵極驅(qū)動器IC外，LLC MOSFET的柵極驅(qū)動還通過柵極驅(qū)動變壓器進行隔離。
圖9、STM32G4x車載DCDC方案
2、德州儀器
德州儀器基于C2000的參考設(shè)計《TIDM-PSFB-DCDC》，主控芯片采用的TI公司的C2000 TMS320F280049;采用了移相全橋+同步整流的拓撲結(jié)構(gòu)。
圖10、TIDM-PSFB-DCDC系統(tǒng)框圖
3、英飛凌
英飛凌的REF-DAB11KIZSICSYS是一個基于XMC4400 MCU的CLLC諧振DC/DC轉(zhuǎn)換器板，能夠提供高達11kW的800V輸出電壓，英飛凌的IMZ120R030M1H(30mΩ/1200V SiC MOSFET)加上1EDC20I12AH，使其性價比和功率密度更高。憑借其高效的雙向功率變換能力和軟開關(guān)特性，是電動汽車和能量存儲系統(tǒng)(ESS)等DCDC項目的理想選擇。
圖11、11kW DC-DC轉(zhuǎn)換器架構(gòu)圖
4、兆易創(chuàng)新
兆易創(chuàng)新的3.3kW隔離型雙向DC/DC變換器基于GD32F303RCT6 MCU，采用了CLLC(電容-電感-變壓器-電感-電容)電路拓撲，具有對稱諧振腔和軟開關(guān)特性以及更高頻率工作的能力，是實現(xiàn)OBC高效、高功率密度的良好選擇。CLLC拓撲的設(shè)計、控制和實施架構(gòu)，如下圖所示：
圖12、3.3kW隔離型雙向DC/DC變換器拓撲架構(gòu)
電動汽車DC/DC變換器選型是根據(jù)整車低壓用電器功率進行整車用電功率核算的，整車低壓用電器按照不同的使用工況可以分為：連續(xù)使用、短時使用、隨機使用。
1、連續(xù)使用的車載用電器包括：DC/DC、MCU、VCU、電子水泵、BMS、組合儀表、遠程監(jiān)控、低壓轉(zhuǎn)向泵、散熱風扇等。
2、短時使用負載包括：位置燈、轉(zhuǎn)向燈、牌照燈、近光燈、大燈高度調(diào)節(jié)、玻璃升降器、遠光燈、前后雨刮電機、制動燈、前后霧燈、倒車燈、倒車雷達、換擋手柄、真空泵、行人提醒、電喇叭等。
3、隨機使用的車載電器包括：鼓風機、冷凝風扇、室內(nèi)燈、空調(diào)控制器、ABS控制器、點煙器、音響系統(tǒng)、洗滌噴水、安全氣囊、碰撞傳感器、后風窗電加熱、電動門窗、中控鎖。
整車用電設(shè)備的電平衡設(shè)計也很重要。上述用電器的使用頻度不同，所以每個用電器都有不同的頻度系數(shù)，額定電流乘以頻度系數(shù)就稱為用電器的加權(quán)電流，加權(quán)電流的總和就是整車用電最低需求電流。根據(jù)不同的使用季節(jié)，整車用電器又分別在冬季白天、冬季雪夜、夏季白天、夏季雨夜四種情況下取不同的頻度系數(shù)，根據(jù)不同的頻度系數(shù)計算出四種極限用電電流。綜上所述，整車用電共計算出5種用電電流，正常情況下夏季雨夜的用電電流是最大的，整車DC/DC變換器功率的選型必須滿足夏季雨夜的用電需求。DC/DC變換器的設(shè)計最好在夏季雨夜整車用電功率的基礎(chǔ)上再留一定的余量，以防止給蓄電池充電，正常情況下至少預(yù)留1.2倍的額定功率，以滿足整車正常的用電需求。
在DC/DC變換器產(chǎn)品設(shè)計，調(diào)試，生產(chǎn)到裝車聯(lián)調(diào)過程中需要嚴格參考相關(guān)的國家標準 GB/T 20237-2021《電動汽車DC/DC變換器》。工程師從0到1設(shè)計一款DC/DC變換器并不是容易的事情。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平臺，過去數(shù)年已積累了海量極具優(yōu)勢的芯片貨源。我們聚焦服務(wù)元器件長尾客戶群，讓每一家芯片原廠或分銷商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，幫助工程師的方案選型、試樣及采購，為電子產(chǎn)業(yè)供需略盡綿薄之力。
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