一種電動(dòng)汽車車載DC/DC變換器的研究與設(shè)計(jì)

曹仁俊，楊 波，孫龍龍，王雪巍，丁志鵬

（安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

隨著傳統(tǒng)汽車工業(yè)的發(fā)展，燃油汽車越來(lái)越普及。在給人們帶來(lái)生活便利的同時(shí)，燃油汽車已成為自然環(huán)境的主要污染源。隨著環(huán)境的日益惡化和能源的短缺，世界各國(guó)都在提倡環(huán)保和節(jié)能的出行方式［1］。為了解決這一問(wèn)題，人們大力發(fā)展新能源汽車來(lái)逐步取代燃油汽車。電動(dòng)汽車因節(jié)能和環(huán)保受到了各國(guó)的 “熱捧”，不少國(guó)家紛紛投入巨資開(kāi)展電動(dòng)汽車的研究，電動(dòng)汽車以及相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)獲得了迅速發(fā)展。

電動(dòng)汽車的核心器件之一就是車載電源，包括動(dòng)力電池和動(dòng)力蓄電池。動(dòng)力電池向電動(dòng)機(jī)及動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)輸出能量，同時(shí)回收和存儲(chǔ)再生制動(dòng)能量，而動(dòng)力蓄電池為駕駛控制系統(tǒng)、儀表、車燈及空調(diào)系統(tǒng)等負(fù)載提供電能。作為兩組電池之間關(guān)鍵的能量傳遞器件，車載DC/DC變換器要具有高可靠性、高效率和高安全性［2］，三者之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 變換器與動(dòng)力電池、蓄電池的關(guān)系

隨著對(duì)電動(dòng)汽車性能要求的不斷提高，對(duì)車載DC/DC變換器的要求也越來(lái)越高，小型和高效已成為變換器發(fā)展的必然趨勢(shì)。提高開(kāi)關(guān)器件的工作頻率是減小磁性器件體積和降低變換器電路損耗最有效的辦法。但隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，傳統(tǒng)變壓器的高頻效應(yīng)帶來(lái)的影響越來(lái)越明顯，如高頻效應(yīng)產(chǎn)生的高交流電阻會(huì)增加電路的損耗，降低變壓器的整體工作效率。另外，傳統(tǒng)變壓器因磁芯體積大、繞組結(jié)構(gòu)單一和繞組散熱性能差等缺點(diǎn)已無(wú)法滿足變換器性能的需求［3］。

平面變壓器的成功研制為解決上述問(wèn)題提供了一種全新的方法。平面變壓器與傳統(tǒng)變壓器相比，最大的區(qū)別在于磁芯及線圈繞組。平面變壓器采用的小尺寸E型、RM型或環(huán)型鐵氧體磁芯，通常是由高頻功率鐵氧體材料制成。在高頻狀態(tài)下，磁芯的損耗較低。繞組由多層印刷電路板（PCB板）疊繞而成，繞組或銅片疊在平面的高頻鐵芯上，構(gòu)成變壓器的磁回路，這一工藝縮小了變壓器體積，削弱了高頻效應(yīng)帶來(lái)的負(fù)面影響［4］。磁芯具有良好的磁屏蔽功能，可抑制射頻干擾。一種平面變壓器的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示［5］。

基于上述背景以及車載DC/DC變換器在電動(dòng)汽車中的實(shí)際工作環(huán)境，我們利用平面變壓器替代了傳統(tǒng)變壓器，并利用平面變壓器設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車的車載DC/DC變換器。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，先將動(dòng)力電池輸出的高壓直流電通過(guò)逆變電路轉(zhuǎn)換為高頻交流方波電，再通過(guò)高頻平面變壓器降壓傳遞到變壓器副邊，再通過(guò)整流電路轉(zhuǎn)換為方波直流電，最后通過(guò)簡(jiǎn)單的LC濾波電路消除諧波得到所需要的流過(guò)負(fù)載的直流電。在低成本、高性能要求的前提下，我們通過(guò)對(duì)各種器件的參數(shù)分析與選型降低了電路中的損耗，達(dá)到了提高變換器電路工作效率、減小其所占車身空間、降低車體本身負(fù)荷和增強(qiáng)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力的設(shè)計(jì)要求［6］。

圖2 平面變壓器的一種典型結(jié)構(gòu)

1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析與參數(shù)設(shè)計(jì)

通常情況下，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池輸出的電壓高、功率大。為了降低逆變電路功率開(kāi)關(guān)管在高頻工作時(shí)所承受的電壓，以適用于中大型功率的電路，我們選擇全橋高頻逆變電路結(jié)構(gòu)。

平面變壓器的原邊電壓源于逆變電路，由于逆變得到的交流電電壓較高，逆變電路功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率較高，平面變壓器的選型應(yīng)滿足高頻率、低能耗和大功率等特點(diǎn)。

平面變壓器的副邊輸出電壓較低，電流較大，故變壓器副邊選擇全波同步整流方式。為得到所需直流電，需要在整流電路后添加一個(gè)低成本、高性能的LC濾波器電路，以消除諧波。

綜上所述，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖3所示的變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選擇了全橋高頻逆變電路和高頻平面變壓器部分作為本設(shè)計(jì)的主電路部分。

圖3 變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在該設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，我們針對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上普遍使用的電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池（車載電源）設(shè)計(jì)了一種30V/100A輸出的車載DC/DC變換器。該變換器的主要參數(shù)及要求如表1所示。

表1 變換器的主要參數(shù)

2 變換器電路的硬件設(shè)計(jì)

2.1 平面變壓器的結(jié)構(gòu)分析與選型

高頻變壓器是車載DC/DC變換器中至關(guān)重要的組成部分，起著電壓變換、電氣隔離和功率傳遞等作用［7］。據(jù)市場(chǎng)調(diào)查與統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)高頻變壓器的損耗約占整個(gè)變換器電路總損耗的32%，重量與體積分別占整個(gè)變換器的25%與35%，使用傳統(tǒng)高頻變壓器的車載變換器將導(dǎo)致工作效率低、所占車身空間大、車體本身負(fù)荷重的后果。平面變壓器與傳統(tǒng)變壓器相比，其優(yōu)勢(shì)主要在于線圈繞組，故在高頻平面變壓器選型時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮平面變壓器［8］。

表2 變壓器RD3000-310S56-T的參數(shù)及工作要求

圖4 變壓器RD3000-310S56-T的結(jié)構(gòu)

2.2 逆變電路功率開(kāi)關(guān)管的參數(shù)分析與選型

我們?cè)O(shè)計(jì)的車載DC/DC變換器的工作頻率設(shè)置為100 kHz，在這樣高的頻率條件下，全控型器件IGBT和MOSFET兩種開(kāi)關(guān)管的應(yīng)用更有優(yōu)勢(shì)，但I(xiàn)GBT和MOSFET各有優(yōu)缺點(diǎn)。IGBT管可承受的電壓高、電流大，但是關(guān)斷時(shí)存在電流拖尾現(xiàn)象，開(kāi)關(guān)的損耗主要是關(guān)斷損耗。MOSFET管可承受的電流較大，電壓和功率比IGBT管要弱些，但存在漏源結(jié)電容未結(jié)束放電前開(kāi)關(guān)管就已導(dǎo)通現(xiàn)象，開(kāi)關(guān)損耗主要是開(kāi)通損耗。MOSFET管的開(kāi)關(guān)工作頻率比IGBT管高，但價(jià)格比IGBT管便宜，更適合開(kāi)關(guān)頻率較高的電路結(jié)構(gòu)［9］。綜合以上特點(diǎn)，考慮到變換器的設(shè)計(jì)參數(shù)要求和低成本、高性能的設(shè)計(jì)要求，逆變電路主功率開(kāi)關(guān)管選擇MOSFET就可以滿足需求。

全橋高頻逆變電路中包含2組MOSFET開(kāi)關(guān)管，只要改變2組開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率，就可以改變輸出電壓的大小。MOSFET管的選型要考慮2個(gè)因素：第1個(gè)因素是開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)頻率的高效性與可靠性，若所選器件達(dá)不到工作頻率要求，則本設(shè)計(jì)目標(biāo)根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。第2個(gè)因素是所選開(kāi)關(guān)管在電路工作中的安全性，即開(kāi)關(guān)管要承受得住最大反向電壓和通態(tài)峰值電流。一般情況下，全橋高頻逆變電路功率開(kāi)關(guān)管所承受的最大反向電壓為最大輸入電壓的1.2倍，而功率開(kāi)關(guān)管的通態(tài)峰值電流Ip可由

表3 HMS15N70F開(kāi)關(guān)管的主要參數(shù)

2.3 同步整流管的參數(shù)分析與選型

平面變壓器副邊輸出的電壓低、電流大，故設(shè)計(jì)整流電路時(shí)，可選擇全波同步整流方式，并選擇MOSFET管代替整流二極管來(lái)減小其導(dǎo)通損耗。在考慮波同步整流電路開(kāi)關(guān)管的選型時(shí)，首先考慮它所承受的最大反向電壓其大小由決定，其次考慮通態(tài)峰值電流，一般取額定輸出電流的1.5倍［10］，最后考慮所選的MOSFET管，要求該管能響應(yīng)主電路的開(kāi)關(guān)工作頻率。

表4 HM100N15A開(kāi)關(guān)管的主要參數(shù)

2.4 LC濾波器電路電感與電容值設(shè)計(jì)

交流干擾信號(hào)的大部分將被濾波電感阻止和吸收，變成磁感和熱能，濾波電感量的大小由濾波電感電流紋波給出，其計(jì)算公式為

濾波電容的作用是減小直流方波中存在的交流紋波部分，使輸出的直流部分更加平滑。濾波電容的大小主要是根據(jù)變換器電路整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍的最大輸出電壓紋波確定的，通常取輸出電壓紋波為的5%。電容大小由

3 控制電路與驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

3.1 控制電路設(shè)計(jì)

我們?cè)谠O(shè)計(jì)DC/DC變換器的控制電路時(shí)，采用了UCC28950芯片，它是TI公司在UCC×895系列相移控制器工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上對(duì)功能進(jìn)行優(yōu)化提高而推出的新產(chǎn)品，可以為當(dāng)今高性能要求的電源系統(tǒng)提供很高的轉(zhuǎn)換效率。UCC28950芯片采用了先進(jìn)的全橋控制和主動(dòng)的同步整流輸出控制，初級(jí)信號(hào)允許編程延遲以確保在寬負(fù)載電流和輸入電壓范圍內(nèi)ZVS能正常運(yùn)行，而負(fù)載電流自然調(diào)整次級(jí)同步整流器開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)效率最大化。因此，UCC28950芯片能滿足變換器的設(shè)計(jì)需求［11］。

在UCC28950芯片的基礎(chǔ)上添加合適的外圍電路就能實(shí)現(xiàn)對(duì)本變換器全橋逆變電路和同步整流電路的控制?；赨CC28950芯片的控制電路如圖5所示。

圖5 基于UCC28950芯片的控制電路

根據(jù)SS/EN引腳電壓大于0.55 V就能開(kāi)啟控制電路的特性，可以利用加在SS/EN引腳和GND之間的電容C4設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間。本變換器的軟啟動(dòng)時(shí)間設(shè)置為 10 ms，

外加電容C4的大小由

3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

變換器的驅(qū)動(dòng)電路是主電路與控制電路之間的重要組成部分，對(duì)改變整個(gè)變換器電路的性能起到承上啟下的關(guān)鍵作用。設(shè)計(jì)一個(gè)高性能的驅(qū)動(dòng)電路，能使整個(gè)變換器電路處于理想的工作狀態(tài)，能提高變換器電路的工作效率和開(kāi)關(guān)工作的可靠性。

UCC28950芯片的驅(qū)動(dòng)能力很有限，若輸出的電流達(dá)不到驅(qū)動(dòng)MOSFET管的最小電流，就會(huì)影響MOSFET管的工作，降低變換器的工作效率。為了解決UCC28950芯片驅(qū)動(dòng)能力不足的問(wèn)題，在其輸出端設(shè)計(jì)了一個(gè)驅(qū)動(dòng)放大電路。驅(qū)動(dòng)電路采用TI公司UCC27324芯片，它能夠?qū)CC28950輸出電流從400 mA提高到4 A，增加了其驅(qū)動(dòng)控制能力，使變換器的輸出電壓變得更加平穩(wěn)，全橋逆變電路單橋臂MOSFET管的驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

圖6 逆變單橋臂MOSFET管驅(qū)動(dòng)電路

由于變壓器副邊的輸出電壓較低，同步整流管MOSFET承受的電壓應(yīng)力較小，可以將同步整流管的源極與大地相連，控制電路和變壓器副邊共用地線，故不必用傳統(tǒng)大體積隔離變壓器，而用光電耦合器直接驅(qū)動(dòng)同步整流管。由UCC28950的OUTE和OUTF發(fā)出的同步整流驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)入高速光電耦合器6N137，輸出后經(jīng)UCC27324放大功率，再進(jìn)入同步整流管柵極［3］。同步整流管MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。

圖7 同步整流管MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

完成了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及相關(guān)器件的選型和參數(shù)設(shè)計(jì)之后，利用電路仿真軟件PSpice對(duì)電路進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證本DC/DC變換器的電路結(jié)構(gòu)、器件選型及參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性和可行性［12］。仿真步驟如圖8所示。

圖8 仿真步驟流程

仿真模型的主要參數(shù)包括：輸入電壓為530 V，開(kāi)關(guān)頻率為 100 kHz，變壓器原副邊匝比 10∶1∶1，變壓器漏感為 5 μH，濾波電感為 5 μH，濾波電容為 3.3 μF，負(fù)載電阻為0.3 Ω。根據(jù)以上參數(shù)在PSpice中建立的電路仿真模型如圖9所示。

圖9 電路仿真模型

4.1 逆變與整流電路開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形仿真

圖10所示為QB和QD這兩個(gè)不同組功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形仿真，圖11所示為整流電路QE和QF開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形仿真。從圖10和圖11可以看出，變換器驅(qū)動(dòng)電路性能好，驅(qū)動(dòng)波形變化幅度小，這說(shuō)明開(kāi)關(guān)管的采用提高了變換器的工作效率。

圖10 逆變電路功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形仿真

圖11 整流電路開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形仿真

4.2 平面變壓器原、副邊電壓波形仿真

圖12和圖13所示為平面變壓器原、副邊電壓波形仿真。從圖12和圖13可以看出，變壓器原、副邊電壓波形存在部分寄生振蕩，但總體說(shuō)來(lái)還基本穩(wěn)定在工作范圍之內(nèi)，滿足了設(shè)計(jì)需求，這說(shuō)明本文中采用的平面變壓器的漏感越小越能滿足需要。

圖12 變壓器原邊電壓波形仿真

圖13 變壓器副邊電壓波形仿真

4.3 輸出端電壓、電流波形仿真

圖14所示為輸出端電壓與電流的波形仿真。從圖14可以看出，變換器電路開(kāi)啟0.2 ms后，電壓和電流的輸出就開(kāi)始變得穩(wěn)定。輸出電壓、電流的交流紋波與交流干擾信號(hào)較少，輸出的電壓和電流分別趨向于穩(wěn)定值28 V與96 A。這說(shuō)明輸出電壓、電流過(guò)渡到平穩(wěn)狀態(tài)的時(shí)間都很短，動(dòng)態(tài)性能較好，損耗較少，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖14 輸出電壓、電流的波形仿真

4.4 變換器電路輸出效率測(cè)試

完成上述仿真實(shí)驗(yàn)后，給變換器電路加上不同的電壓（330 V~550 V）與負(fù)載，對(duì)變換器電路的輸出電壓進(jìn)行仿真測(cè)試。根據(jù)仿真結(jié)果得出了如圖15所示的變換器電路輸出效率與輸入電壓之間的關(guān)系。從圖15可以看出，當(dāng)負(fù)載相同時(shí)，輸入電壓在480 V時(shí)變換器電路的輸出效率最高，達(dá)到了92%以上，而在其他輸入電壓下，變換器電路的輸出效率都在90%以上，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

圖15 變換器電路的輸出效率

5 總結(jié)

我們將平面變壓器用于電動(dòng)汽車車載DC/DC變換器的設(shè)計(jì)中，并完成了以下工作：首先，詳細(xì)分析了變換器電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、主電路的選擇和設(shè)計(jì)中的相關(guān)參數(shù)，提出了相應(yīng)的要求；其次，重點(diǎn)分析了變換器電路硬件部分平面變壓器的結(jié)構(gòu)與選型，逆變功率開(kāi)關(guān)管、同步整流管的參數(shù)與選型，LC濾波器電路電感、電容值的確定以及原副邊控制電路和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)；最后，利用電路仿真軟件PSpice對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證變換器電路結(jié)構(gòu)、器件選型和參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性和可行性。仿真結(jié)果表明：我們的設(shè)計(jì)達(dá)到了提高車載DC/DC變換器效率和穩(wěn)定性的目標(biāo)，與現(xiàn)有的部分車載DC/DC變換器相比，具有車身空間占用小、負(fù)荷輕和續(xù)航能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有一定的實(shí)用和推廣價(jià)值。