新型降壓大電流車用DC/DC變換器

翁浩宇 ，王玉玨

（河北省汽車工程技術研究中心 長城汽車股份有限公司技術中心，河北 保定 071000）

混合動力汽車、電動汽車、增程式電動汽車等新能源汽車是未來汽車的主要發展方向，由于新能源汽車沒有專用發電機而配有高壓大容量電池包，故需使用降壓DC/DC變換器將高壓直流電轉換為車載12V/24V低壓直流電供車用電器使用，以達到節能高效的目的。傳統DC/DC變換器是由4個IGBT模塊通過單片機控制其開關調制電壓，國外代表車型豐田普銳斯，國內代表車型比亞迪FD3M，它們都存在轉換效率低、成本高的問題。另外由于傳統DC/DC電路器件多，結構復雜，勢必造成大體積、大質量、低可靠性、加工難度大等一系列問題。筆者設計了一種兩種調制模式降壓大電流車用DC/DC變換器來解決上述問題。

脈沖頻率調制 (PFM)在低負載工況下有較高的效率，但在高負載工況下效率較低；而脈沖寬度調制 (PWM)在高負載工況下有很好的效率和良好的控制性能，但低負載工況時開關損耗大、效率低。實際應用中，例如汽車夜間照明燈開啟和發動機急加速模式下，DC/DC變換器負載變化的范圍很大，只用一種調制模式其工作效率、工作可靠性難以滿足整車需求。本設計采用通過ADC對輸出電壓采取數字控制外加大閉環反饋機構兩種調制方法綜合調制，反應更快，結構更簡單更可靠，成本更低，體積更小，利用2個IGBT整流橋即可實現100～400 V輸入，設置電壓上限～設置電壓下限之間穩定800～1000 W輸出，平均效率相對傳統DC/DC可提升10%以上。DC/DC開關電源的損耗主要包括IGBT導通電阻和電感電容等效串聯電阻的損耗，IGBT開關同時導通損耗和控制芯片工作電流帶來的損耗[1]，后者在低負載時占據比重很大，采用PFM方式可有效降低低負載時IGBT開關損耗。

本設計數字控制系統DC/DC[2]，通過ADC對輸出電壓進行取樣，經過PID調節補償后根據負載輸出PFM或PWM控制信號，有效提高了控制精度和工作穩定性，降低了功耗。目前，采用該技術方案的DC/DC變換器已經搭載在長城C20EV純電動車上，使用效果良好。

1 電路工作原理

1.1 整體結構

PFM開關損耗隨負載的變化而變化，在低負載區域工作時損耗低，故適合低負載的工況使用[3]。而PWM開關頻率高，頻率固定,開關損耗與負載變化無關，且控制精度高，對系統電感電容要求小，輸出電源波紋小，故適合高負載狀態使用。本設計通過對輸出電流的采樣判斷計算負載，在高負載狀態下使用PWM，低負載狀態下使用PFM。

PFM脈沖寬度設置:PFM脈沖寬度適當加大有利于減少在低負載下PFM脈沖的數量，進一步降低開關損耗，另外脈沖寬度加大使負載加大時PFM頻率上升較為平滑，在擴大PFM調制區間的同時有利于控制精度提升[4]。但另一方面，電感效應PFM波形脈沖寬度如果過大，將導致輸入級電流急劇上升，對半導體功率器件，變壓器輸入級線圈以及電容等器件的耐壓要求將大大提高。在實際設計過程中，對PFM脈沖寬度設置需根據整體DC/DC成本要求、功率要求、效率要求、體積要求等綜合考量合理設置。

1.2 核心電路設計

車用DC電源較普通DC電源不同，工作環境惡劣、電流瞬變、電流大是其基本的特征，傳統PFM結構系統中單穩態觸發部分和電壓采樣部分常使用多個比較器，為抑制模擬比較器直流偏置存在造成的靜態功耗，必須在控制級采用零偏置電流比較器結構。由于車載用電器電流需求大，故車用DC/DC放電電流一般在幾安培到幾十安培之間，一般不存在毫安級工作負載，故根據需求將控制級電路做出優化，將不必要的冗余電路設計去除。注意:因輸出電壓是PWM波形，其中含有大量的高次諧波，故必須用適當的濾波器濾除[5，6]。

1.2.1 Buck型零電流開關準諧振變換電路[5]

零電流開關準諧振變換器與普通的Buck型變換電路相比，實現了電路中開關器件的零電流導通與關斷。

Buck型零電流開關準諧振變換基本拓撲如圖1所示:由于L1的作用，Q1在零電流下導通。開關導通后，L1與C1諧振，使通過Q1的電流近似正弦波形。當電感電流諧振到零時，Q1可在零電流條件下關斷。

從上面的分析可以看出，Buck型零電流開關準諧振變換電路中，Q1在良好的條件下完成導通與關斷，避免了寄生震蕩，保證了系統穩定性。

1.2.2 零電流開關PWM變換控制電路[5]

PWM變換控制電路采用滯環比較的方式，把指令電壓和半橋逆變器電路輸出的電壓進行比較，通過濾波器濾除偏差信號中的諧波分量，濾波器的輸出送入滯環比較器，由比較器的輸出控制主電路開關器件的通斷，從而實現電壓跟隨控制。

使用零偏置電壓比較器對輸出電壓值進行量化，結構簡單，性能穩定，容易單片集成且功耗較低[2]，Buck型零電流開關PWM變換器基本拓撲如圖2所示。

Buck型零電流開關PWM變換器初始時刻，Q1在L2的作用下零電流導通，電感電流IL2在VCC的作用下線性上升。當IL2=IR1時刻，D2在零電流條件下自然關斷，之后L2與C2開始諧振，經過半個諧振周期，L2上電流IL2以諧振方式再次達到IR0，UC2上升到2VCC，此時Q2處于關斷狀態，故IL2和C2將保持在該值上，無法繼續諧振。此狀態的持續時間由電路的PWM控制決定，當需關斷Q1時，先開通Q2，L2與C2再次諧振，當IL2諧振到零時，D2導通，IL2繼續反方向諧振并到零。此期間Q1可在零電流零電壓條件下完成關斷過程，此時UC2在I0作用下衰減到零，D1自然導通，Q2可在此后至下個PMW高電平到來之前以零電流零電壓方式完成關斷。

從上面的分析可以看出，零電流開關PWM變換電路中所有開關管及二極管都是在零電壓或零電流狀態下完成通斷的，并且主開關管電壓應力低。

2 實驗結果

DC/DC變換器使用輸出電壓信號構成單環反饋系統，有脈沖寬度調節占空比不受限制，對輸出負載的變化有較好的響應調節等優點[7]。同時具有較好的抗噪聲裕量，且調試、維修容易。其瞬態波形見圖3，顯示了DC電源在額定負載下控制級控制IGBT的波形，采用新型半橋不對稱式整流方式，控制信號嚴格鑒相，保證了IGBT的鑒相導通和完全關斷。

變換器的輸出電壓波紋如圖4所示，分別顯示了系統在不同負載下穩定和負載電流跳變的波形。可以看出，系統軟啟動功能防止了電感電流的突變;根據輸出電壓Vout的波形可得到穩定時紋波小于100 mV；負載電流突變后，可以在100μs內恢復穩定。

電路芯片大量采用COMS器件，得益于寬輸入范圍設計，變換器可以在輸入100～400 V的寬范圍工作，可用于純電動汽車、混合動力汽車車用低壓電器供電。 輸出電壓為14.0～14.4 V， 負載電流范圍0.1 mA～50 A，輸出電壓紋波小于40 mV，在圖5中，分別給出了文中設計和傳統電路效率的比較。得益于低功耗設計，在小于5 A低負載情況下仍有70%以上的效率，同模擬方式實現相比，平均效率提高5%。在20 A以上的大負載下，數字PWM控制體現了良好的性能。

3 結束語

文中設計了一種采用PFM、PWM雙控制大閉環反饋機構低電壓大電流DC/DC變換器，與傳統DC/DC變換器相比反應更快，結構更簡單可靠，成本更低，體積更小，利用2個IGBT整流橋即可實現100～400 V輸入，設置電壓上限～設置電壓下限之間穩定0.1～50 A輸出，使用雙模控制方式。無論系統處于待機還是全速工作情況下，它都有很高的轉換效率，整體性能較現有電路有較大的提升，效率相對傳統DC/DC可提升10%以上，伴隨著新能源汽車的發展，它將有著廣泛的應用前景。

［1］徐 峰，常玉春，田小建，等.PWM/PFM混合控制DC-DC變換器芯片的設計[J].微電子學，2006，36(5):662-665.

［2］Abram Dancy,Anantha Chandrakasan.A Reconfigurable Dual Output Low Power Digital PWM Power Converter[J].Low Power Electronics and Design，1998， (1):191-196.

［3］孟 浩，賈 晨，陳志良.數字控制PFM/PWM混合型DC-DC開關電源[J].微電子學與計算機，2008，25(1):166-169.

［4］許海平.大功率雙向DC/DC變換器拓撲結構及其分析理論研究[D].華中科技大學，2005.

［5］周志敏，周紀海.開關電源實用技術設計與應用[M].北京:人民郵電出版社，2004.

［6］阮新波，嚴仰光.直流開關電源的軟開關技術[M].北京:科學出版社，2000.

［7］范然然，林爭輝，馮 暉.一種新型的DC-DC芯片設計[J].微電子學與計算機，2003，20(5):51-54.