新型降压大电流车用DC/DC变换器

翁浩宇 ，王玉珏

（河北省汽车工程技术研究中心 长城汽车股份有限公司技术中心，河北 保定 071000）

混合动力汽车、电动汽车、增程式电动汽车等新能源汽车是未来汽车的主要发展方向，由于新能源汽车没有专用发电机而配有高压大容量电池包，故需使用降压DC/DC变换器将高压直流电转换为车载12V/24V低压直流电供车用电器使用，以达到节能高效的目的。传统DC/DC变换器是由4个IGBT模块通过单片机控制其开关调制电压，国外代表车型丰田普锐斯，国内代表车型比亚迪FD3M，它们都存在转换效率低、成本高的问题。另外由于传统DC/DC电路器件多，结构复杂，势必造成大体积、大质量、低可靠性、加工难度大等一系列问题。笔者设计了一种两种调制模式降压大电流车用DC/DC变换器来解决上述问题。

脉冲频率调制 (PFM)在低负载工况下有较高的效率，但在高负载工况下效率较低；而脉冲宽度调制 (PWM)在高负载工况下有很好的效率和良好的控制性能，但低负载工况时开关损耗大、效率低。实际应用中，例如汽车夜间照明灯开启和发动机急加速模式下，DC/DC变换器负载变化的范围很大，只用一种调制模式其工作效率、工作可靠性难以满足整车需求。本设计采用通过ADC对输出电压采取数字控制外加大闭环反馈机构两种调制方法综合调制，反应更快，结构更简单更可靠，成本更低，体积更小，利用2个IGBT整流桥即可实现100～400 V输入，设置电压上限～设置电压下限之间稳定800～1000 W输出，平均效率相对传统DC/DC可提升10%以上。DC/DC开关电源的损耗主要包括IGBT导通电阻和电感电容等效串联电阻的损耗，IGBT开关同时导通损耗和控制芯片工作电流带来的损耗[1]，后者在低负载时占据比重很大，采用PFM方式可有效降低低负载时IGBT开关损耗。

本设计数字控制系统DC/DC[2]，通过ADC对输出电压进行取样，经过PID调节补偿后根据负载输出PFM或PWM控制信号，有效提高了控制精度和工作稳定性，降低了功耗。目前，采用该技术方案的DC/DC变换器已经搭载在长城C20EV纯电动车上，使用效果良好。

1 电路工作原理

1.1 整体结构

PFM开关损耗随负载的变化而变化，在低负载区域工作时损耗低，故适合低负载的工况使用[3]。而PWM开关频率高，频率固定,开关损耗与负载变化无关，且控制精度高，对系统电感电容要求小，输出电源波纹小，故适合高负载状态使用。本设计通过对输出电流的采样判断计算负载，在高负载状态下使用PWM，低负载状态下使用PFM。

PFM脉冲宽度设置:PFM脉冲宽度适当加大有利于减少在低负载下PFM脉冲的数量，进一步降低开关损耗，另外脉冲宽度加大使负载加大时PFM频率上升较为平滑，在扩大PFM调制区间的同时有利于控制精度提升[4]。但另一方面，电感效应PFM波形脉冲宽度如果过大，将导致输入级电流急剧上升，对半导体功率器件，变压器输入级线圈以及电容等器件的耐压要求将大大提高。在实际设计过程中，对PFM脉冲宽度设置需根据整体DC/DC成本要求、功率要求、效率要求、体积要求等综合考量合理设置。

1.2 核心电路设计

车用DC电源较普通DC电源不同，工作环境恶劣、电流瞬变、电流大是其基本的特征，传统PFM结构系统中单稳态触发部分和电压采样部分常使用多个比较器，为抑制模拟比较器直流偏置存在造成的静态功耗，必须在控制级采用零偏置电流比较器结构。由于车载用电器电流需求大，故车用DC/DC放电电流一般在几安培到几十安培之间，一般不存在毫安级工作负载，故根据需求将控制级电路做出优化，将不必要的冗余电路设计去除。注意:因输出电压是PWM波形，其中含有大量的高次谐波，故必须用适当的滤波器滤除[5，6]。

1.2.1 Buck型零电流开关准谐振变换电路[5]

零电流开关准谐振变换器与普通的Buck型变换电路相比，实现了电路中开关器件的零电流导通与关断。

Buck型零电流开关准谐振变换基本拓扑如图1所示:由于L1的作用，Q1在零电流下导通。开关导通后，L1与C1谐振，使通过Q1的电流近似正弦波形。当电感电流谐振到零时，Q1可在零电流条件下关断。

从上面的分析可以看出，Buck型零电流开关准谐振变换电路中，Q1在良好的条件下完成导通与关断，避免了寄生震荡，保证了系统稳定性。

1.2.2 零电流开关PWM变换控制电路[5]

PWM变换控制电路采用滞环比较的方式，把指令电压和半桥逆变器电路输出的电压进行比较，通过滤波器滤除偏差信号中的谐波分量，滤波器的输出送入滞环比较器，由比较器的输出控制主电路开关器件的通断，从而实现电压跟随控制。

使用零偏置电压比较器对输出电压值进行量化，结构简单，性能稳定，容易单片集成且功耗较低[2]，Buck型零电流开关PWM变换器基本拓扑如图2所示。

Buck型零电流开关PWM变换器初始时刻，Q1在L2的作用下零电流导通，电感电流IL2在VCC的作用下线性上升。当IL2=IR1时刻，D2在零电流条件下自然关断，之后L2与C2开始谐振，经过半个谐振周期，L2上电流IL2以谐振方式再次达到IR0，UC2上升到2VCC，此时Q2处于关断状态，故IL2和C2将保持在该值上，无法继续谐振。此状态的持续时间由电路的PWM控制决定，当需关断Q1时，先开通Q2，L2与C2再次谐振，当IL2谐振到零时，D2导通，IL2继续反方向谐振并到零。此期间Q1可在零电流零电压条件下完成关断过程，此时UC2在I0作用下衰减到零，D1自然导通，Q2可在此后至下个PMW高电平到来之前以零电流零电压方式完成关断。

从上面的分析可以看出，零电流开关PWM变换电路中所有开关管及二极管都是在零电压或零电流状态下完成通断的，并且主开关管电压应力低。

2 实验结果

DC/DC变换器使用输出电压信号构成单环反馈系统，有脉冲宽度调节占空比不受限制，对输出负载的变化有较好的响应调节等优点[7]。同时具有较好的抗噪声裕量，且调试、维修容易。其瞬态波形见图3，显示了DC电源在额定负载下控制级控制IGBT的波形，采用新型半桥不对称式整流方式，控制信号严格鉴相，保证了IGBT的鉴相导通和完全关断。

变换器的输出电压波纹如图4所示，分别显示了系统在不同负载下稳定和负载电流跳变的波形。可以看出，系统软启动功能防止了电感电流的突变;根据输出电压Vout的波形可得到稳定时纹波小于100 mV；负载电流突变后，可以在100μs内恢复稳定。

电路芯片大量采用COMS器件，得益于宽输入范围设计，变换器可以在输入100～400 V的宽范围工作，可用于纯电动汽车、混合动力汽车车用低压电器供电。 输出电压为14.0～14.4 V， 负载电流范围0.1 mA～50 A，输出电压纹波小于40 mV，在图5中，分别给出了文中设计和传统电路效率的比较。得益于低功耗设计，在小于5 A低负载情况下仍有70%以上的效率，同模拟方式实现相比，平均效率提高5%。在20 A以上的大负载下，数字PWM控制体现了良好的性能。

3 结束语

文中设计了一种采用PFM、PWM双控制大闭环反馈机构低电压大电流DC/DC变换器，与传统DC/DC变换器相比反应更快，结构更简单可靠，成本更低，体积更小，利用2个IGBT整流桥即可实现100～400 V输入，设置电压上限～设置电压下限之间稳定0.1～50 A输出，使用双模控制方式。无论系统处于待机还是全速工作情况下，它都有很高的转换效率，整体性能较现有电路有较大的提升，效率相对传统DC/DC可提升10%以上，伴随着新能源汽车的发展，它将有着广泛的应用前景。

［1］徐 峰，常玉春，田小建，等.PWM/PFM混合控制DC-DC变换器芯片的设计[J].微电子学，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，贾 晨，陈志良.数字控制PFM/PWM混合型DC-DC开关电源[J].微电子学与计算机，2008，25(1):166-169.

［4］许海平.大功率双向DC/DC变换器拓扑结构及其分析理论研究[D].华中科技大学，2005.

［5］周志敏，周纪海.开关电源实用技术设计与应用[M].北京:人民邮电出版社，2004.

［6］阮新波，严仰光.直流开关电源的软开关技术[M].北京:科学出版社，2000.

［7］范然然，林争辉，冯 晖.一种新型的DC-DC芯片设计[J].微电子学与计算机，2003，20(5):51-54.