如何實現(xiàn)倍流整流DC/DC電源變換器的設(shè)計?電路圖分析
進入21世紀以來,隨著能源的過度消耗和環(huán)境的嚴重污染,在全球的汽車工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展新能源汽車正是時候。
相對于傳統(tǒng)領(lǐng)域的汽車,新能源汽車普遍使用低廉無污染的電力能源代替高能耗、高污染的石油,對全球能源及環(huán)境保護具有極大的意義。
新能源汽車從種類上來說有很多種形式,包括混合動力汽車(HEV)、增程式混合動力(PHEV)、純電動汽車(EV)、燃料電池汽車(FCV)等。
在這些系列的新能源汽車設(shè)計中,需要使用到不同電壓等級的電源系統(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)計開發(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)域應用十分普遍。
在新能源汽車領(lǐng)域依據(jù)不同的應用需求有不同的定義,通??梢苑譃槿N: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,將動力電池系統(tǒng)的電壓等級再進行升高,以匹配更高等級的電機驅(qū)動系統(tǒng)。
例如混合動力汽車使用144V系統(tǒng)的動力電池,為了匹配400V的電機驅(qū)動系統(tǒng),在動力連接上設(shè)計此類DC/DC變換器將動力電池系統(tǒng)的電壓等級升高,以匹配電機驅(qū)動系統(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,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)域的應用十分普遍,已經(jīng)成為新能源汽車設(shè)計領(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。
例如在啟動引擎的時候,蓄電池瞬間可以跌落到6V,這樣使用低壓穩(wěn)壓DC/DC變換器來進行有效的穩(wěn)壓變得必要。
又如一些高級配置常規(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越廣泛的應用,DC/DC變換器作為一種電源轉(zhuǎn)換裝置,其核心是開關(guān)電源技術(shù),對于以傳統(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說,研發(fā)生產(chǎn)DC/DC變換器有得天獨厚的技術(shù)優(yōu)勢。
迪龍新能源科技河北有限公司(以下簡稱“迪龍新能源”)依托迪龍集團20年傳統(tǒng)電源、軍工電源研發(fā)生產(chǎn)經(jīng)驗,深耕研發(fā)創(chuàng)新,主要致力于電動汽車電源充電系統(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產(chǎn)權(quán)的高壓全磚技術(shù)應用于DC-DC變換器,產(chǎn)品可靠性高,質(zhì)量穩(wěn)定,深受國內(nèi)外電動汽車廠商的信賴與支持。
并通過了IATF16949:2016汽車質(zhì)量管理體系認證,面向市場推出了先進的自冷式、液冷式、集成式車載DC/DC變換器產(chǎn)品,在國際同行業(yè)水平中處于前列。
除此之外,迪龍新能源還擁有強大的研發(fā)團隊,配備專業(yè)一流的實驗室和研發(fā)設(shè)備,以及擁有技術(shù)完備的產(chǎn)品生產(chǎn)線和訓練有素的技術(shù)工人,能夠快速靈活地為國內(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(細分為21種機型),單機輸出功率覆蓋數(shù)百瓦至幾千瓦。近年來, 隨著計算機微處理器的輸入電壓要求越來越低, 低壓大電流DC - DC 變換器的研究得到了許多研究者的重視, 各種拓撲結(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)等也都應用于這個領(lǐng)域。筆者提出了一種交錯并聯(lián)的低壓大電流DC - DC 變換器, 它的一次側(cè)采用對稱半橋結(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DC - DC 變換器的尺寸。這種變換器運行于48 V 的輸入電壓和100 kHz 的開關(guān)頻率的環(huán)境。
隨著微處理器和數(shù)字信號處理器的不斷發(fā)展,對芯片的供電電源的要求越來越高了。不論是功率密度、效率和動態(tài)響應等方面都有了新要求,特別是要求輸出電壓越來越低,電流卻越來越大。輸出電壓會從過去的3.3V降低到1.1~1.8V之間,甚至更低[1]。從電源的角度來看,微處理器和數(shù)字信號處理器等都是電源的負載,而且它們都是動態(tài)的負載,這就意味著負載電流會在瞬間變化很大,從過去的13A/μs到將來的30A/μs~50A/μs[2]。這就要求有能夠輸出電壓低、電流大、動態(tài)響應好的變換器拓撲。而對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]。
本文對這種拓撲結(jié)構(gòu)的變換器的工作原理作出了詳細的分析說明,實驗結(jié)果證明了它的合理性。
1 主電路拓撲結(jié)構(gòu)
主電路拓撲如圖1中所示。由圖1可以看出,輸入級的拓撲為半橋電路,而輸出級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,這是因為:
1)變壓器副邊只需一個繞組,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較小;
2)輸出有兩個濾波電感,兩個濾波電感上的電流相加后得到輸出負載電流,而這兩個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)流過每個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),在倍流整流拓撲中,它的副邊大電流連接線只有2路,而在中間抽頭的拓撲中有3路;
5)動態(tài)響應很好。
它唯一的缺點就是需要兩個輸出濾波電感,在體積上相對要大些。但是,有一種叫集成磁(integrated magnetic)的方法,可以將它的兩個輸出濾波電感和變壓器都集成到同一個磁芯內(nèi),這樣可以大大地減小變換器的體積。