• 車(chē)載DCDC轉換器

    日期:12-01  點(diǎn)擊:  屬于:行業(yè)動(dòng)態(tài)

    DC/DC 變換器,作為電動(dòng)汽動(dòng)力系統中很重要的一部分,它的一類(lèi)重要功用是為動(dòng)力轉向系統,空調以及其他輔助設備提供所需的電力。另一類(lèi),是出現在復合電源系統中,與超級電容串聯(lián),起到調節電源輸出,穩定母線(xiàn)電壓的作用。

     

    給車(chē)載電氣供電,DCDC在電動(dòng)汽車(chē)電氣系統中的位置,如下圖所示。它的電能來(lái)自于動(dòng)力電池包,去處是給車(chē)載用電器供電。

     

    與超級電容配合使用的DCDC,在整車(chē)電源中的位置如下圖所示,它可能出現在圖(b)、(c)、(d)中所示位置上,而(b)是應用較多的一種形式。

    1、DCDC分類(lèi)和工作原理
    1.1 隔離型和非隔離型

    什么是電氣隔離?

    電氣隔離,就是將電源與用電回路作電氣上的隔離,即將用電的分支電路與整個(gè)電氣系統隔離,使之成為一個(gè)在電氣上被隔離的、獨立的不接地安全系統,以防止在裸露導體故障帶電情況下發(fā)生間接觸電危險。實(shí)現電氣隔離以后,兩個(gè)電路之間沒(méi)有電氣上的直接聯(lián)系。即,兩個(gè)電路之間是相互絕緣的。同時(shí)還要保證兩個(gè)電路維持能量傳輸的關(guān)系。電氣隔離的作用主要是減少兩個(gè)不同的電路之間的相互干擾,降低噪聲。

    非隔離雙向DCDC,結構比較簡(jiǎn)單,每個(gè)部件都是直接相連,沒(méi)有額外的能量損失,工作效率比較髙。對升壓側的電容要求比較高。主要的非隔離DCDC電路結構有雙向半橋boost-buck電路,雙向buck-boost電路,雙向buck電路,雙向Zate-Sepic電路,如下圖所示。

     

    隔離型雙向DCDC,在非隔離型雙向DCDC轉換器的基礎上加上一個(gè)高頻變壓器就構成了隔離型雙向DCDC轉換器,高頻變壓器兩側的電路拓撲可以是全橋式、半橋式、推挽式等等。這幾種隔離型的雙向DCDC轉換器,采用了更多的功率開(kāi)關(guān),電壓變比大,帶電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)。但是這類(lèi)DCDC轉換器結構復雜,成本也相對較高,轉換器的損耗高,低頻時(shí)會(huì )導致隔離變壓器鐵芯飽和,損耗會(huì )進(jìn)一步增加。因此,非隔離型雙向DCDC轉換器比隔離型在電動(dòng)汽車(chē)上運用更具有優(yōu)勢。

     

    當能量由高皮側流向低壓側時(shí),雙向DCDC轉換器工作在BUCK模式;能量由低壓側流向高壓側時(shí),雙向DCDC轉換器工作在BOOST工作模式。

    1.2 DCDC系統三個(gè)組成分

    主電路

    又叫做功率模塊,是整個(gè)DCDC的主體。一個(gè)典型的全橋型 DCDC 變換器主電路拓撲如下圖所示。

     

    上圖中,Vin為輸入電壓,需要通過(guò)DCDC回路,在輸出端得到一個(gè)需要的輸出電壓。原邊開(kāi)關(guān)電路,將輸入電流調制成矩形波,這個(gè)過(guò)程主要依靠控制器調制特定占空比的PWM波,用以驅動(dòng)四個(gè)開(kāi)關(guān)管按照既定的順序和時(shí)間開(kāi)閉,從而實(shí)現電流逆變過(guò)程。原邊輸入電壓可以通過(guò)占空比調節,占空比增加輸出電壓也增加,占空比減小輸出電壓減小。頻率則可以通過(guò)調節開(kāi)關(guān)頻率調節。T1位變壓器,變比你n。變壓器既可以實(shí)現電氣隔離,又可以起到電壓調節的作用。一個(gè)固定的原邊線(xiàn)圈匝數,副邊改變匝數,即可得到不同的電壓等級。變壓器的輸入,是經(jīng)過(guò)左側全橋電路逆變得到的脈沖矩形波,傳遞到變壓器的副邊,得到的是另一個(gè)電壓幅值的交流正弦波。經(jīng)過(guò)DR1和DR2整流以后,再經(jīng)由Cf和Rl濾波處理,得到直流電,提供給輸出端。

    驅動(dòng)模塊

    對于控制芯片輸出的四路 PWM 驅動(dòng)信號來(lái)說(shuō),并不能直接驅動(dòng)四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管。所以,一般來(lái)說(shuō),開(kāi)關(guān)電源是需要配套一個(gè)驅動(dòng)電路來(lái)驅動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管。驅動(dòng)電路種類(lèi)很多,主要由以下三種:

    直接耦合型:控制芯片的每一路輸出 PWM 驅動(dòng)信號經(jīng)過(guò)由兩個(gè)三極管組成的放大電路來(lái)驅動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管。此種方法無(wú)法實(shí)現控制部分與主電路的隔離。

    脈沖變壓器耦合型驅動(dòng)電路:此電路是在直接耦合型的基礎上加上了一個(gè)脈沖變壓器,實(shí)現了控制電路與主電路的隔離。但是這種結構的缺點(diǎn)是,涉及到變壓器的設計、制作等方面,比較復雜。

    驅動(dòng)芯片的驅動(dòng)電路:為了更加方便地來(lái)驅動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管,很多公司研制出驅動(dòng)芯片,驅動(dòng)芯片可以輸出較大的功率,驅動(dòng)開(kāi)關(guān)管,而且隨著(zhù)芯片的小型化發(fā)展,現在的驅動(dòng)芯片體積非常小,有各種封裝形式。利用驅動(dòng)芯片對功率開(kāi)關(guān)管驅動(dòng),這種方法比較簡(jiǎn)單,但是控制電路與主電路仍然沒(méi)有實(shí)現隔離。

    控制模塊

    主電路的反饋主要有三種控制模式:電壓控制模式,峰值電流控制模式,平均電流控制模式。

    電壓控制模式:屬于電壓反饋,利用輸出電壓進(jìn)行校正,是單環(huán)反饋模式,輸出電壓采樣與輸入基準電壓比較,得到的輸出信號與一鋸齒波電壓比較,輸出 PWM波信號。電壓控制模式設計以和運用都比較簡(jiǎn)單,但是電壓控制模式?jīng)]有對輸出電流進(jìn)行控制,有一定的誤差存在,并且輸出電壓先經(jīng)過(guò)電感以及電容的濾波,使得動(dòng)態(tài)響應比較差。

    峰值電流控制模式:峰值電流控制模式與電壓控制模式的區別在于,峰值電流控制模式中,把電壓控制模式的那一路鋸齒波形,轉換成了電感的瞬時(shí)電流與一個(gè)小鋸齒波的疊加。但是電感的瞬時(shí)電流并不能表示平均電流的情況。

    平均電流控制模式:屬于雙環(huán)控制方式,電壓環(huán)的輸出信號作為基準電流與電感電流的反饋信號比較。設置誤差放大器,可以平均化輸入電流的一些高頻分量,輸出的經(jīng)過(guò)平均化處理的電流,再與芯片產(chǎn)生的鋸齒波進(jìn)行比較,輸出合適的 PWM 波形。

    電感電流和電容電壓因此需要對兩個(gè)變量都要進(jìn)行PID整定,一個(gè)典型的控制流程如下圖所示??刂颇K是由兩個(gè)PID控制器組成,分別是電壓控制控制外環(huán)和電流控制內環(huán),在流程圖中給出一個(gè)參考電壓,設計合理的參數,就可以很快速的達到控制系統的目的。

    相比三種控制方式,平均電流的控制方式不限制占空比,對輸出電壓和電感電流均進(jìn)行反饋,有比較好的控制效果。采用平均電流控制方式進(jìn)行反饋電路的設計時(shí),把電流環(huán)是看作電壓環(huán)的一部分。

    1.3 軟開(kāi)關(guān)和硬開(kāi)關(guān)

    DCDC中的硬開(kāi)關(guān)與軟開(kāi)關(guān)有何區別?

    硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)是針對開(kāi)關(guān)管來(lái)講的。

    硬開(kāi)關(guān)是不管開(kāi)關(guān)管(DS極或CE極)上的電壓或電流,強行turn on或turn off開(kāi)關(guān)管。當開(kāi)關(guān)管上(DS極或CE極)電壓及電流較大時(shí)開(kāi)關(guān)管動(dòng)作,由于開(kāi)關(guān)管狀態(tài)間的切換(由開(kāi)到關(guān),或由關(guān)到開(kāi))需要一定的時(shí)間,這會(huì )造成在開(kāi)關(guān)管狀態(tài)間切換的某一段時(shí)間內電壓和電流會(huì )有一個(gè)交越區域,這個(gè)交越造成的開(kāi)關(guān)管損耗稱(chēng)為開(kāi)關(guān)管的切換損耗。

    軟開(kāi)關(guān)是指通過(guò)檢測開(kāi)關(guān)管電流或其他技術(shù),做到當開(kāi)關(guān)管兩端電壓或流過(guò)開(kāi)關(guān)管電流為零時(shí)才導通或關(guān)斷開(kāi)關(guān)管,這樣開(kāi)關(guān)管就不會(huì )存在切換損耗。

    一般來(lái)說(shuō)軟開(kāi)關(guān)的效率較高(因為沒(méi)有切換損);操作頻率較高,PFC或變壓器體積可以減少,所以體積可以做的更小。但成本也相對較高,設計較復雜。

     

    進(jìn)一步的,軟開(kāi)關(guān)包括三種控制方式:雙極性控制,有限雙極性控制,移相全橋控制,得到的矩形波波形如下圖所示。

     

    Q1 和 Q3 為超前橋臂上的開(kāi)關(guān)管,屬于同一橋臂,而 Q1 和 Q4 為對角的開(kāi)關(guān)管,分別屬于兩個(gè)橋臂。第一種控制方式為硬開(kāi)關(guān),第二和第三種均可以實(shí)現軟開(kāi)關(guān),但是第三種的控制方式較靈活,比較容易實(shí)現。

    由于對功率密度越來(lái)越高的要求,可以通過(guò)提高頻率來(lái)提高功率性能的軟開(kāi)關(guān)類(lèi)DCDC是當前研究的主要方向。軟開(kāi)關(guān)包括3種主要控制方式:ZVS 移相全橋變換, ZCS 移相全橋變換,ZVZCS移相全橋變換。

    2 給車(chē)載用電器供電,怎樣估計DCDC功率

    每一個(gè)用電設備都有自身工作的額定電壓和額定電流,如果電動(dòng)汽車(chē)中的用電設備經(jīng)常處于非額定狀態(tài)下工作的話(huà),會(huì )大大降低電能轉換效率,壽命受損甚至會(huì )導致設備損壞。因此,DCDC的規格與所在系統的需求相匹配,才能更好的發(fā)揮功能。一般的選型思路不是直接將全部電氣功率加在一起,因為他們可能并不是全部同時(shí)工作的。

    根據純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載電子設備的不同屬性,能把用電設備分為長(cháng)期用電、連續用電、短時(shí)間間歇用電和附加用電設備種類(lèi)型,并賦于不同的權值。其中,長(cháng)期用電設備包括組合儀表和蓄電池,權值取1;連續用電設備包括雨刮、電機、音響系統和儀表照明等設備,權值可取0.5;短時(shí)間間歇用電設備包括電喇機、各類(lèi)信號燈、控制器等設備,權值可取0.1;附加用電設備電動(dòng)真空泵、電動(dòng)水泵和電動(dòng)轉向,權值根據實(shí)際情況分別取0.1、1、0.3。各類(lèi)設備所消耗功率分析如表所示。

    3 配合超級電容應用的DCDC怎樣確定電氣參數?

    在復合電源系統中,超級電容一般都被定義成應對大功率的部分,放電過(guò)程,針對工況峰值,提供均值以上的部分;制動(dòng)能量回收過(guò)程,承擔全部或者絕大部分回收電流的吸納。面對沖擊功率,DCDC在兩個(gè)方面的要求比較高。一個(gè)是反應速度,電池與超級電容并聯(lián)的電源回路中,制動(dòng)能量從電機產(chǎn)生,通過(guò)母線(xiàn)向電源傳遞。如果DCDC的反應不夠靈敏,接通時(shí)間較長(cháng),則涌來(lái)的能量被DCDC隔離在超級電容以外,得不到吸納,只能由電池吸納,過(guò)大的功率會(huì )給電池帶來(lái)永久性的損傷。DCDC的另一個(gè)要求就是能夠承受瞬時(shí)大功率的沖擊,串聯(lián)在電容回路的DCDC,需要經(jīng)常面對沖擊功率的工作狀態(tài)。因此,選擇與超級電容串聯(lián)在統一支路的DCDC,最重要的參數就是功率范圍,工作電壓和動(dòng)作時(shí)間。

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