翁浩宇 ，王玉玨

（河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心 長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，河北 保定 071000）

混合動(dòng)力汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、增程式電動(dòng)汽車(chē)等新能源汽車(chē)是未來(lái)汽車(chē)的主要發(fā)展方向，由于新能源汽車(chē)沒(méi)有專(zhuān)用發(fā)電機(jī)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(zhuǎn)換為車(chē)載12V/24V低壓直流電供車(chē)用電器使用，以達(dá)到節(jié)能高效的目的。傳統(tǒng)DC/DC變換器是由4個(gè)IGBT模塊通過(guò)單片機(jī)控制其開(kāi)關(guān)調(diào)制電壓，國(guó)外代表車(chē)型豐田普銳斯，國(guó)內(nèi)代表車(chē)型比亞迪FD3M，它們都存在轉(zhuǎn)換效率低、成本高的問(wèn)題。另外由于傳統(tǒng)DC/DC電路器件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，勢(shì)必造成大體積、大質(zhì)量、低可靠性、加工難度大等一系列問(wèn)題。筆者設(shè)計(jì)了一種兩種調(diào)制模式降壓大電流車(chē)用DC/DC變換器來(lái)解決上述問(wèn)題。

脈沖頻率調(diào)制 (PFM)在低負(fù)載工況下有較高的效率，但在高負(fù)載工況下效率較低；而脈沖寬度調(diào)制 (PWM)在高負(fù)載工況下有很好的效率和良好的控制性能，但低負(fù)載工況時(shí)開(kāi)關(guān)損耗大、效率低。實(shí)際應(yīng)用中，例如汽車(chē)夜間照明燈開(kāi)啟和發(fā)動(dòng)機(jī)急加速模式下，DC/DC變換器負(fù)載變化的范圍很大，只用一種調(diào)制模式其工作效率、工作可靠性難以滿(mǎn)足整車(chē)需求。本設(shè)計(jì)采用通過(guò)ADC對(duì)輸出電壓采取數(shù)字控制外加大閉環(huán)反饋機(jī)構(gòu)兩種調(diào)制方法綜合調(diào)制，反應(yīng)更快，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單更可靠，成本更低，體積更小，利用2個(gè)IGBT整流橋即可實(shí)現(xiàn)100～400 V輸入，設(shè)置電壓上限～設(shè)置電壓下限之間穩(wěn)定800～1000 W輸出，平均效率相對(duì)傳統(tǒng)DC/DC可提升10%以上。DC/DC開(kāi)關(guān)電源的損耗主要包括IGBT導(dǎo)通電阻和電感電容等效串聯(lián)電阻的損耗，IGBT開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通損耗和控制芯片工作電流帶來(lái)的損耗[1]，后者在低負(fù)載時(shí)占據(jù)比重很大，采用PFM方式可有效降低低負(fù)載時(shí)IGBT開(kāi)關(guān)損耗。

本設(shè)計(jì)數(shù)字控制系統(tǒng)DC/DC[2]，通過(guò)ADC對(duì)輸出電壓進(jìn)行取樣，經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)補(bǔ)償后根據(jù)負(fù)載輸出PFM或PWM控制信號(hào)，有效提高了控制精度和工作穩(wěn)定性，降低了功耗。目前，采用該技術(shù)方案的DC/DC變換器已經(jīng)搭載在長(zhǎng)城C20EV純電動(dòng)車(chē)上，使用效果良好。

1 電路工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

PFM開(kāi)關(guān)損耗隨負(fù)載的變化而變化，在低負(fù)載區(qū)域工作時(shí)損耗低，故適合低負(fù)載的工況使用[3]。而PWM開(kāi)關(guān)頻率高，頻率固定,開(kāi)關(guān)損耗與負(fù)載變化無(wú)關(guān)，且控制精度高，對(duì)系統(tǒng)電感電容要求小，輸出電源波紋小，故適合高負(fù)載狀態(tài)使用。本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)輸出電流的采樣判斷計(jì)算負(fù)載，在高負(fù)載狀態(tài)下使用PWM，低負(fù)載狀態(tài)下使用PFM。

PFM脈沖寬度設(shè)置:PFM脈沖寬度適當(dāng)加大有利于減少在低負(fù)載下PFM脈沖的數(shù)量，進(jìn)一步降低開(kāi)關(guān)損耗，另外脈沖寬度加大使負(fù)載加大時(shí)PFM頻率上升較為平滑，在擴(kuò)大PFM調(diào)制區(qū)間的同時(shí)有利于控制精度提升[4]。但另一方面，電感效應(yīng)PFM波形脈沖寬度如果過(guò)大，將導(dǎo)致輸入級(jí)電流急劇上升，對(duì)半導(dǎo)體功率器件，變壓器輸入級(jí)線(xiàn)圈以及電容等器件的耐壓要求將大大提高。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)PFM脈沖寬度設(shè)置需根據(jù)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(shè)置。

1.2 核心電路設(shè)計(jì)

車(chē)用DC電源較普通DC電源不同，工作環(huán)境惡劣、電流瞬變、電流大是其基本的特征，傳統(tǒng)PFM結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)部分和電壓采樣部分常使用多個(gè)比較器，為抑制模擬比較器直流偏置存在造成的靜態(tài)功耗，必須在控制級(jí)采用零偏置電流比較器結(jié)構(gòu)。由于車(chē)載用電器電流需求大，故車(chē)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(jí)工作負(fù)載，故根據(jù)需求將控制級(jí)電路做出優(yōu)化，將不必要的冗余電路設(shè)計(jì)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(dāng)?shù)臑V波器濾除[5，6]。

1.2.1 Buck型零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換電路[5]

零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換器與普通的Buck型變換電路相比，實(shí)現(xiàn)了電路中開(kāi)關(guān)器件的零電流導(dǎo)通與關(guān)斷。

Buck型零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換基本拓?fù)淙鐖D1所示:由于L1的作用，Q1在零電流下導(dǎo)通。開(kāi)關(guān)導(dǎo)通后，L1與C1諧振，使通過(guò)Q1的電流近似正弦波形。當(dāng)電感電流諧振到零時(shí)，Q1可在零電流條件下關(guān)斷。

從上面的分析可以看出，Buck型零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換電路中，Q1在良好的條件下完成導(dǎo)通與關(guān)斷，避免了寄生震蕩，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1.2.2 零電流開(kāi)關(guān)PWM變換控制電路[5]

PWM變換控制電路采用滯環(huán)比較的方式，把指令電壓和半橋逆變器電路輸出的電壓進(jìn)行比較，通過(guò)濾波器濾除偏差信號(hào)中的諧波分量，濾波器的輸出送入滯環(huán)比較器，由比較器的輸出控制主電路開(kāi)關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現(xiàn)電壓跟隨控制。

使用零偏置電壓比較器對(duì)輸出電壓值進(jìn)行量化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，容易單片集成且功耗較低[2]，Buck型零電流開(kāi)關(guān)PWM變換器基本拓?fù)淙鐖D2所示。

Buck型零電流開(kāi)關(guān)PWM變換器初始時(shí)刻，Q1在L2的作用下零電流導(dǎo)通，電感電流IL2在VCC的作用下線(xiàn)性上升。當(dāng)IL2=IR1時(shí)刻，D2在零電流條件下自然關(guān)斷，之后L2與C2開(kāi)始諧振，經(jīng)過(guò)半個(gè)諧振周期，L2上電流IL2以諧振方式再次達(dá)到IR0，UC2上升到2VCC，此時(shí)Q2處于關(guān)斷狀態(tài)，故IL2和C2將保持在該值上，無(wú)法繼續(xù)諧振。此狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間由電路的PWM控制決定，當(dāng)需關(guān)斷Q1時(shí)，先開(kāi)通Q2，L2與C2再次諧振，當(dāng)IL2諧振到零時(shí)，D2導(dǎo)通，IL2繼續(xù)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(guān)斷過(guò)程，此時(shí)UC2在I0作用下衰減到零，D1自然導(dǎo)通，Q2可在此后至下個(gè)PMW高電平到來(lái)之前以零電流零電壓方式完成關(guān)斷。

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

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

DC/DC變換器使用輸出電壓信號(hào)構(gòu)成單環(huán)反饋系統(tǒng)，有脈沖寬度調(diào)節(jié)占空比不受限制，對(duì)輸出負(fù)載的變化有較好的響應(yīng)調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)[7]。同時(shí)具有較好的抗噪聲裕量，且調(diào)試、維修容易。其瞬態(tài)波形見(jiàn)圖3，顯示了DC電源在額定負(fù)載下控制級(jí)控制IGBT的波形，采用新型半橋不對(duì)稱(chēng)式整流方式，控制信號(hào)嚴(yán)格鑒相，保證了IGBT的鑒相導(dǎo)通和完全關(guān)斷。

變換器的輸出電壓波紋如圖4所示，分別顯示了系統(tǒng)在不同負(fù)載下穩(wěn)定和負(fù)載電流跳變的波形。可以看出，系統(tǒng)軟啟動(dòng)功能防止了電感電流的突變;根據(jù)輸出電壓Vout的波形可得到穩(wěn)定時(shí)紋波小于100 mV；負(fù)載電流突變后，可以在100μs內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定。

電路芯片大量采用COMS器件，得益于寬輸入范圍設(shè)計(jì)，變換器可以在輸入100～400 V的寬范圍工作，可用于純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)車(chē)用低壓電器供電。 輸出電壓為14.0～14.4 V， 負(fù)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(shè)計(jì)和傳統(tǒng)電路效率的比較。得益于低功耗設(shè)計(jì)，在小于5 A低負(fù)載情況下仍有70%以上的效率，同模擬方式實(shí)現(xiàn)相比，平均效率提高5%。在20 A以上的大負(fù)載下，數(shù)字PWM控制體現(xiàn)了良好的性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一種采用PFM、PWM雙控制大閉環(huán)反饋機(jī)構(gòu)低電壓大電流DC/DC變換器，與傳統(tǒng)DC/DC變換器相比反應(yīng)更快，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單可靠，成本更低，體積更小，利用2個(gè)IGBT整流橋即可實(shí)現(xiàn)100～400 V輸入，設(shè)置電壓上限～設(shè)置電壓下限之間穩(wěn)定0.1～50 A輸出，使用雙?？刂品绞健o(wú)論系統(tǒng)處于待機(jī)還是全速工作情況下，它都有很高的轉(zhuǎn)換效率，整體性能較現(xiàn)有電路有較大的提升，效率相對(duì)傳統(tǒng)DC/DC可提升10%以上，伴隨著新能源汽車(chē)的發(fā)展，它將有著廣泛的應(yīng)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(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)，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.

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