一、概述

在新能源汽車的應(yīng)用中，DC-DC（Direct Current to Direct Current）轉(zhuǎn)換器作為“小三電”之一，它負(fù)責(zé)將高壓電池的直流電轉(zhuǎn)換為車輛電子系統(tǒng)所需的低壓直流電，以供12V或24V電池供電，從而確保相關(guān)車載系統(tǒng)的正常運(yùn)作。DC-DC于車載應(yīng)用中的系統(tǒng)架構(gòu)示意如下：

圖1 DC-DC應(yīng)用的架構(gòu)示意

二、硬件架構(gòu)

典型車載DC-DC轉(zhuǎn)換器在硬件結(jié)構(gòu)上，其關(guān)鍵組成通常有：高壓輸入濾波電路模塊、功率電路模塊、輸出同步整流模塊、輸出濾波電路模塊、通信模塊、主控單元模塊、驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路模塊以及電源模塊等幾個(gè)部分。

圖2 DC-DC硬件架構(gòu)

對(duì)各硬件模塊功能釋義如下：

1）高壓輸入濾波電路模塊：該模塊負(fù)責(zé)過濾高壓輸入電源中的噪聲和干擾，確保進(jìn)入DC-DC轉(zhuǎn)換器的電流是干凈的，其作用是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少電磁干擾。

2）功率電路模塊：該模塊是DC-DC的核心部分，包含開關(guān)器件（如MOSFET/IGBT）和儲(chǔ)能元件（如電感、電容），其作用是通過開關(guān)的開閉合操作去實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。

3）輸出同步整流模塊：該模塊通常通過額外的開關(guān)器件來(lái)替代傳統(tǒng)的肖特基二極管，以減少整流過程中的損耗，從而提高轉(zhuǎn)換效率。    

4）輸出濾波電路模塊：該模塊包含輸出電容器和其他濾波元件，可在產(chǎn)品工作中用于平滑輸出電壓，減少紋波，從而確保輸出電壓的穩(wěn)定。

5）通信模塊：該提供與其他車載系統(tǒng)的通信接口。

6）主控單元模塊：負(fù)責(zé)整體控制邏輯，通過執(zhí)行PWM控制算法，并通過監(jiān)測(cè)電壓和電流，進(jìn)而調(diào)整占空比以維持輸出電壓穩(wěn)定。

7）驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路模塊：驅(qū)動(dòng)電路用于放大主控單元產(chǎn)生的PWM信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件，保護(hù)電路則負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，實(shí)施過壓、過流、短路等保護(hù)措施。

8）電源模塊：為控制電路及其他輔助電路提供所需的工作電壓，確?？刂葡到y(tǒng)和其他模塊的正常運(yùn)行。

三、DC-DC工作原理

3.1.降低

當(dāng)來(lái)自高壓電池的直流電經(jīng)過輸入濾波電路進(jìn)入DC-DC轉(zhuǎn)換器后，接著主控單元通過驅(qū)動(dòng)電路控制開關(guān)器件的導(dǎo)通和斷開，從而將高壓轉(zhuǎn)換為所需的低壓。由于此過程是電壓從高到低的轉(zhuǎn)換，因此我們通常使用的是Buck（降壓）轉(zhuǎn)換器，在這種轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓總是大于輸出電壓，此兩者的轉(zhuǎn)換關(guān)系可簡(jiǎn)化表示為：Vout=D*Vin。

其中，Vout是輸出電壓；Vin是輸入電壓；D是占空比，即開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間與整個(gè)開關(guān)周期的時(shí)間之比。

以800V高壓轉(zhuǎn)換為12V低壓為例，若直接轉(zhuǎn)換，根據(jù)公式可得占空比非常?。篋= Vout/ Vin=12/800=0.015。即在一個(gè)完整的開關(guān)周期中，只有1.5%的時(shí)間開關(guān)是導(dǎo)通的。

過小的占空比會(huì)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于元件選擇和控制算法提出更高的要求，同時(shí)為了降低成本考慮，通?？赏ㄟ^多級(jí)降壓方式去實(shí)現(xiàn)需要的電壓。如通過兩級(jí)降壓方式去實(shí)現(xiàn)800V到12V的轉(zhuǎn)換，其第一級(jí)降壓是將800V降低到一個(gè)中間電壓，接著以中間電壓為輸入，再將其降為目標(biāo)電壓，以此去降低對(duì)一次性降低方案下的開關(guān)元件的性能要求。    

3.2.能量存儲(chǔ)與釋放

當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電流從動(dòng)力電池流經(jīng)電路中的電感，此時(shí)電感開始以磁場(chǎng)能的形式儲(chǔ)存能量，隨著電感中的電流逐漸增加，電感兩端的電壓由電感的自感電動(dòng)勢(shì)決定，其大小表示為：VL=L*（di/dt）。

其中，L是電感值，i是流過電感的電流，t是時(shí)間，di/dt表示電流變化率。

在電流流經(jīng)電感時(shí)，電感中存儲(chǔ)的能量可表示為：WL=1/2*L*I2。

其中，I是流過電感的最大電流。

當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，由于電感中的電流流動(dòng)無(wú)法瞬間停止，因此它會(huì)尋找一條路徑繼續(xù)流動(dòng)，此時(shí)電流會(huì)通過續(xù)流二極管或同步整流MOSFET流向輸出電容器（Cout）和車輛負(fù)載，在此階段電感開始釋放之前存儲(chǔ)的能量。

當(dāng)電感釋放能量時(shí)，由于有一部分能量流向輸出電容器，因此這部分能量會(huì)在電容中得以存儲(chǔ)，隨著充電電荷的積累，電容兩端的電壓隨之上升，直到達(dá)到所需的輸出電壓，此電壓與電荷的關(guān)系可表示為：Vc=Q/C，此過程中，電容所存儲(chǔ)的能量表示為：WC=1/2*C*V2out。

當(dāng)輸出電容器充電完成后，它會(huì)在開關(guān)斷開期間繼續(xù)向車輛負(fù)載提供電流，以維持目標(biāo)電壓的直接來(lái)源暫時(shí)失去后的負(fù)載能量需求的穩(wěn)定，從而起到平滑全過程中輸出電壓的作用。簡(jiǎn)而言之，在DC-DC的工作期間，開關(guān)元件在導(dǎo)通和斷開之間進(jìn)行切換時(shí)，電容器充當(dāng)了一個(gè)臨時(shí)能量存儲(chǔ)的裝置。

3.3.整流、濾波與反饋

當(dāng)主控單元控制開關(guān)元件斷開開關(guān)時(shí)，原本存儲(chǔ)的能量得以釋放，為了提高系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率，通過同步整流技術(shù)的應(yīng)用去較少輸出端的損耗，并通過濾波電路去濾除開關(guān)操作帶來(lái)的電壓紋波，從而讓目標(biāo)電壓滿足應(yīng)用需求。    

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)輸出的電壓會(huì)通過電壓、電流傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將結(jié)果反饋給主控單元，主控單元通過調(diào)整PWM信號(hào)，以保持輸出電壓正確及穩(wěn)定。

四、控制策略

基于DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作原理，其應(yīng)用目標(biāo)是快速實(shí)現(xiàn)電壓與電流的控制，因此在系統(tǒng)控制策略中，通常通過多環(huán)路控制以達(dá)到目標(biāo)結(jié)果。如在第一級(jí)降壓過程中，通過外環(huán)電壓環(huán)嵌套內(nèi)環(huán)電流環(huán)的方式實(shí)現(xiàn)快速且精準(zhǔn)的降壓，接著通過類似的方式逐級(jí)調(diào)整目標(biāo)電壓與電流值，從而確保輸出電壓的穩(wěn)定性。內(nèi)外環(huán)之間的關(guān)系示意如下：

圖3 DC-DC控制策略部分示意

其中，外環(huán)電壓控制負(fù)責(zé)監(jiān)控系統(tǒng)輸出電壓，確保即使負(fù)載條件發(fā)生變化也能通過快速調(diào)整讓輸出電壓穩(wěn)定在目標(biāo)值附近，并根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)電壓調(diào)整內(nèi)環(huán)電流控制的參考值。內(nèi)環(huán)電流控制負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)開關(guān)器件的占空比，通過快速響應(yīng)電流變化來(lái)起到響應(yīng)負(fù)載變化的作用，從而維持輸出電壓的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。