收稿日期：2024-01-24

*基金項(xiàng)目：廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020B0909030003）。

作者簡(jiǎn)介

費(fèi)琛（1986—），碩士，工程師，主要從事新能源領(lǐng)域車載電源系統(tǒng)方面的研究與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。

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【摘 要】隨著車載電源轉(zhuǎn)換模塊（VPCM）對(duì)功率因數(shù)、輸入電流諧波、輸出電壓紋波、轉(zhuǎn)換效率、EMC等性能的要求越來(lái)越高，選擇合理、高效的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)至關(guān)重要。文章在研究現(xiàn)有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一款6.6kW功率等級(jí)的車載電源轉(zhuǎn)換模塊，其中前級(jí)PFC電路采用Dual-Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，滿足高效率、高功率密度無(wú)橋PFC的要求；后級(jí)高頻隔離DC-DC變換器電路采用基于數(shù)字化控制的LLC諧振拓?fù)?，滿足其對(duì)轉(zhuǎn)換效率和輸出電壓紋波的要求。

【關(guān)鍵詞】車載電源；拓?fù)?；Dual-Boost

中圖分類號(hào)：U463.63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）07-0005-04

Research and Design on Topology of Vehicle Power Conversion Module*

FEI Chen1，JI Jing1，LI Wenting2

（1.Research and Development Center of Chery New Energy Vehicle Co.，Ltd.，Wuhu 241002；

2.School of Integrated Circuit，Anhui University of Engineering，Wuhu 241000，China）

【Abstract】With the increasing demand for power factor，input current harmonics，output voltage ripple，conversion efficiency，EMC and other performance of vehicle power conversion modules（VPCM），it is crucial to choose a reasonable and efficient topology structure. On the basis of studying the existing topology structure，this article designs a 6.6kW power level vehicle power conversion module. The front stage PFC circuit adopts a Dual Boost topology structure，which meets the requirements of high efficiency and high power density bridgeless PFC；The rear stage high-frequency isolated DC-DC converter circuit adopts a LLC resonant topology based on digital control，which meets its requirements for conversion efficiency and output voltage ripple.

【Key words】vehicle mounted power supply；topology；Dual-Boost

隨著國(guó)內(nèi)燃油車保有量持續(xù)增加，燃油車尾氣排放對(duì)環(huán)境的污染也越來(lái)越大，尤其在涉及環(huán)境空氣質(zhì)量、大氣層臭氧等溫室氣體含量方面，日益成為全球性空氣污染的重要來(lái)源。然而，新能源電動(dòng)車相較于燃油車，在“新三化”（電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化）方面具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，加速新能源電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)發(fā)展及推廣，已成為全社會(huì)普遍共識(shí)。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，作為車載充電系統(tǒng)的重要組成部分，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一款經(jīng)濟(jì)、高效、穩(wěn)定的車載電源轉(zhuǎn)換模塊VPCM，對(duì)解決用戶充電焦慮，提升用戶充電體驗(yàn)和整車能耗等方面都具有重大意義。

車載電源轉(zhuǎn)換模塊VPCM的工作原理是將電網(wǎng)輸出的工頻50Hz交流電能，通過(guò)整流成高壓直流電，再輸出給高頻DC-DC變換器，根據(jù)電池管理控制器BMS需求，轉(zhuǎn)換成匹配動(dòng)力電池需求的高壓直流電。在電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程和充電要求提高的背景下，目前主流電動(dòng)汽車車載電源轉(zhuǎn)換模塊的功率已逐漸由3.3kW（單相）提升至6.6kW（單相），部分高端車載產(chǎn)品甚至已提升至11kW（三相）或22kW（三相）。不同功率等級(jí)的VPCM產(chǎn)品如圖1所示。

1 車載電源轉(zhuǎn)換模塊系統(tǒng)架構(gòu)

車載電源轉(zhuǎn)換模塊VPCM的功能是給電動(dòng)車動(dòng)力電池充電，并具備與整車控制系統(tǒng)VCU、電池管理系統(tǒng)BMS等關(guān)聯(lián)控制器通信功能。其電氣架構(gòu)包括主功率電路（包含EMI電路、軟啟動(dòng)電路、PFC、DC-DC、直流負(fù)載等）和低壓控制電路（包含低壓輔源、PFC控制電路、DC-DC控制電路、通信電路等）兩大部分。圖2為車載電源轉(zhuǎn)換模塊系統(tǒng)架構(gòu)框圖。

2 車載電源轉(zhuǎn)換模塊拓?fù)浞治?/p>

目前，行業(yè)內(nèi)常用的車載電源轉(zhuǎn)換模塊VPCM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為兩種：?jiǎn)渭?jí)式和兩級(jí)式。其中，單級(jí)式拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有采用高頻變壓器，輸出功率和充電效率也相對(duì)較低，且為非電氣隔離，存在一定安全隱患；兩級(jí)式拓?fù)?，相較于單級(jí)式拓?fù)?，其?yōu)點(diǎn)在于可以通過(guò)濾波整形，有效濾除交流輸入電流中存在的高頻諧波含量及諧波干擾，同時(shí)兩級(jí)DC-DC變換電路又可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離和電壓變換，在保證電氣安全的同時(shí)，根據(jù)直流負(fù)載實(shí)際需求，持續(xù)為后級(jí)提供穩(wěn)定、可靠的直流功率輸出。

2.1 前級(jí)PFC電路拓?fù)?/p>

Boost PFC典型電路主要分為單路Boost PFC、交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC、無(wú)橋Boost PFC和無(wú)橋交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC這4種拓?fù)湫问絒1]。綜合來(lái)看，Boost PFC電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率因數(shù)較高（可達(dá)0.99以上），對(duì)后級(jí)LLC電路而言，可以穩(wěn)定輸出380～400V左右的直流電壓。針對(duì)6.6kW功率等級(jí)的車載電源轉(zhuǎn)換模塊VPCM前級(jí)PFC電路選型設(shè)計(jì)，可從拓?fù)鋸?fù)雜度、控制魯棒性及成本等綜合考慮，擬采用無(wú)橋Boost PFC電路進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

2.1.1 單路Boost PFC電路

單路Boost PFC電路的典型特征是具有連續(xù)的輸入電流iac，拓?fù)湎鄬?duì)成熟穩(wěn)定，通過(guò)對(duì)交流輸入電壓與交流輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，保證兩者的相位及波形基本一致，從而達(dá)到改善高頻諧波干擾，提高系統(tǒng)功率因數(shù)等作用。單路Boost PFC電路的缺點(diǎn)是PFC電感上的紋波電流較大，功率越大，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通損耗就越大（散熱要求高），導(dǎo)通損耗與功率成正比。較大的導(dǎo)通損耗直接影響電源效率，該電路主要適用小功率開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用場(chǎng)景。單路Boost PFC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1.2 交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路

通過(guò)對(duì)單路Boost PFC電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到抑制改善輸入電流紋波的效果，交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路[2]應(yīng)運(yùn)而生。其典型特征是通過(guò)交錯(cuò)并聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)，利用2個(gè)相位相反的開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形，使得2個(gè)支路PFC電感中的電流紋波進(jìn)行一定程度的抵消。采用這種方法，不僅可以起到降低輸入/輸出電流紋波的效果，同時(shí)也有利于PFC電感及前級(jí)EMI濾波電路小型化應(yīng)用。然而，由于交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路（圖4）采用的功率器件數(shù)量較多，成本較高，控制方法也相對(duì)復(fù)雜，該電路主要適用于功率等級(jí)較高，但對(duì)效率要求不高的開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用場(chǎng)景。

2.1.3 無(wú)橋Boost PFC電路

常見(jiàn)的無(wú)橋Boost PFC電路主要分為3種：基礎(chǔ)型Boost PFC、Dual-Boost PFC和圖騰柱Boost PFC（圖5）。當(dāng)無(wú)橋Boost PFC電路工作時(shí)，其導(dǎo)通回路上僅需要一個(gè)功率管和一個(gè)二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)即可，與傳統(tǒng)Boost PFC電路相比，無(wú)橋Boost PFC電路中沒(méi)有采用整流橋，極大地改善了電路結(jié)構(gòu)，減少了導(dǎo)通回路中功率器件的數(shù)量，具有損耗低、效率高的顯著特征。根據(jù)交流市電（Vac）正/負(fù)半周波形的典型特征，Dual-Boost PFC電路[3]工作原理如下。

1）當(dāng)交流市電（Vac）處于正半周期時(shí)，PFC電感L1、L2和功率開(kāi)關(guān)管S1、續(xù)流管D1組成Boost升壓電路。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制功率開(kāi)關(guān)管S1導(dǎo)通時(shí)，PFC電感L1和L2上的電流逐漸增加，儲(chǔ)存能量；當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制功率開(kāi)關(guān)管S1斷開(kāi)時(shí)，電流通過(guò)續(xù)流管D1向負(fù)載R提供能量，此時(shí)，PFC電感L1和L2向輸出濾波電容C釋放儲(chǔ)存的能量，使得輸出濾波電容C兩端電壓上升。在正半周期中，功率開(kāi)關(guān)管S2處于續(xù)流狀態(tài)，根據(jù)功率開(kāi)關(guān)管S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可以判斷電流的流通路徑是流過(guò)功率開(kāi)關(guān)管S2的溝道，還是體二極管。

2）同理，當(dāng)交流市電（Vac）處于負(fù)半周期時(shí)，PFC電感L1、L2和功率開(kāi)關(guān)管S2、續(xù)流管D2組成Boost升壓電路，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制功率開(kāi)關(guān)管S2導(dǎo)通時(shí)，PFC電感L1和L2上的電流逐漸增加，儲(chǔ)存能量；當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制功率開(kāi)關(guān)管S2斷開(kāi)時(shí)，PFC電感上的電流通過(guò)續(xù)流管D2向負(fù)載供能，PFC電感L1和L2向輸出濾波電容C釋放儲(chǔ)存的能量，使得輸出濾波電容C兩端電壓上升；在負(fù)半周期中，功率開(kāi)關(guān)管S1處于續(xù)流狀態(tài)，當(dāng)交流輸入電壓交替出現(xiàn)正/負(fù)半周期性變化時(shí)，輸出濾波電容C通過(guò)持續(xù)的續(xù)流與儲(chǔ)能，產(chǎn)生高于交流市電（Vac）的輸出電壓。

圖騰柱Boost PFC電路中，二極管D1和D2為工頻慢恢復(fù)二極管，當(dāng)交流輸入市電（Vac）處于正半周期時(shí)，負(fù)載R的地通過(guò)二極管D2與交流輸入端的N線相連；當(dāng)交流輸入市電（Vac）處于負(fù)半周期時(shí)，負(fù)載R的地通過(guò)二極管D1與交流輸入端的N線相連，此過(guò)程中電路共模噪聲較小。圖騰柱Boost PFC電路一般有3種模式：連續(xù)導(dǎo)通模式、臨界導(dǎo)通模式和斷續(xù)導(dǎo)通模式，考慮抑制PFC電感電流紋波的能力，其應(yīng)用功率等級(jí)受到一定限制，同時(shí)，在圖騰柱Boost PFC電路中，由于功率開(kāi)關(guān)管S1和S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)不同，進(jìn)一步增加了驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)復(fù)雜程度。

2.1.4 無(wú)橋交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路

無(wú)橋交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路見(jiàn)圖6，2個(gè)Boost變換器都工作在斷續(xù)導(dǎo)通模式，每個(gè)Boost變換器對(duì)應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)管S1和S2驅(qū)動(dòng)脈寬信號(hào)（PWM）保持一致，但相位角θ相差180°，因此，功率開(kāi)關(guān)管S1的開(kāi)關(guān)周期超前功率開(kāi)關(guān)管S2約1/2個(gè)周期。從無(wú)橋交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路[4]電流波形圖可以看出，雖然每一相Boost變換器都工作在斷續(xù)導(dǎo)通模式下，但是PFC電路保持了連續(xù)的輸入電流iin，不僅起到了減小輸入電流紋波，降低輸入電流高頻分量的作用，同時(shí)，也對(duì)改善諧波畸變率THD起到了積極作用。為了使輸入電流iin的平均值接近其峰值，可以通過(guò)減少前級(jí)EMI濾波器的尺寸，減小每一個(gè)Boost變換器對(duì)應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)管S1和S2的電流，進(jìn)一步降低了開(kāi)關(guān)導(dǎo)通損耗，提升有功功率的輸出，但受到交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜度的影響，其應(yīng)用場(chǎng)景具有一定的局限性。

綜上，對(duì)上述4種前級(jí)PFC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究分析（表1）。從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率等級(jí)、驅(qū)動(dòng)電路、效率等維度考慮，本文采用Dual-Boost PFC變換器作為前級(jí)PFC電路進(jìn)行高效率、高功率密度的無(wú)橋PFC電路設(shè)計(jì)。

2.2 后級(jí)高頻隔離DC-DC變換器的拓?fù)?/p>

車載電源轉(zhuǎn)換模塊常用的DC-DC變換器主要分為3種：移相全橋變換器、LLC諧振變換器和混合式DC-DC變換器[4]。

2.2.1 移相全橋變換器

移相全橋變換器作為類BUCK拓?fù)?，其工作原理主要是利用變壓器中的漏電感與功率開(kāi)關(guān)管內(nèi)寄生電容之間的諧振關(guān)系，讓原邊開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS[5]，提升轉(zhuǎn)換效率，保證變壓器副邊可以實(shí)現(xiàn)大電流輸出；與普通對(duì)稱開(kāi)關(guān)的全橋電路不同，移相全橋變換器分為超前橋臂和滯后橋臂，超前橋臂容易實(shí)現(xiàn)ZVS，滯后臂要實(shí)現(xiàn)ZVS則比較困難，兩組半橋通過(guò)調(diào)整超前與滯后橋臂之間的相位差調(diào)節(jié)輸出電壓，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

2.2.2 LLC諧振變換器

根據(jù)逆變電路結(jié)構(gòu)和適用場(chǎng)景不同，LLC諧振變換器主要分為兩種：半橋LLC變換器和全橋LLC變換器。其中，半橋LLC諧振變換器由半橋逆變器和諧振電感組成，采用全波整流電路，僅需要2個(gè)開(kāi)關(guān)管，能夠降低開(kāi)關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)；半橋LLC諧振變換器使用的功率器件數(shù)量少，在適度考慮功率器件電壓應(yīng)力及低功率應(yīng)用場(chǎng)景下，半橋LLC是一種轉(zhuǎn)換效率比較高的諧振變換器。全橋LLC諧振變換器[6-7]（圖7）由全橋逆變器和諧振電感組成，功率器件開(kāi)關(guān)應(yīng)力僅為半橋LLC諧振變換器的一半，其諧振腔主要由諧振電感Lr、勵(lì)磁電感Lm和諧振電容Cr組成，其工作模態(tài)不僅取決于諧振變換器的工作狀態(tài)，還與工作頻率和負(fù)載相關(guān)；勵(lì)磁電感Lm則根據(jù)諧振腔工作模態(tài)決定是否參與諧振；通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率、減小無(wú)源器件尺寸等方法，有助于提升LLC諧振變換器[8]的功率密度，是一種適用于高功率、寬輸出電壓范圍等場(chǎng)景的諧振變換器。

2.2.3 混合式DC-DC變換器

半橋LLC變換器具有功率密度高、電壓增益靈活、ZVS等特點(diǎn)，移相全橋變換器具有拓?fù)涑墒?、效率高等特點(diǎn)，通過(guò)將兩種變換器的特點(diǎn)進(jìn)行集成，可以得到另一種變換器，即混合式DC-DC變換器，主要分為串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種；其中，半橋LLC諧振變換器利用諧振電路的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率的電力轉(zhuǎn)換，并且在不同的負(fù)載條件下自動(dòng)調(diào)節(jié)諧振頻率，保證全負(fù)載范圍內(nèi)主功率MOS管都能實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)；移相全橋變換器通過(guò)精確控制功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)時(shí)序，結(jié)合變壓器和電感電容自身特性，實(shí)現(xiàn)高效且穩(wěn)定的電能轉(zhuǎn)換。因此，結(jié)合半橋LLC變換器和移相全橋變換器[8-9]的典型特征，混合DC-DC變換器輸出電壓范圍更寬，保證從輕載到滿載的寬載范圍內(nèi)工作效率大于95%。

綜上，3種后級(jí)DCDC變換器對(duì)比分析見(jiàn)表2。從ZVS、軟開(kāi)關(guān)控制、開(kāi)關(guān)損耗、效率等維度考慮，后級(jí)高頻隔離DC-DC變換器電路采用基于數(shù)字化控制的LLC諧振拓?fù)鋄10]，滿足其對(duì)轉(zhuǎn)換效率和輸出電壓紋波的要求。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的6.6kW功率等級(jí)車載電源轉(zhuǎn)換模塊拓?fù)浞桨福凹?jí)PFC電路采用Dual-Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，后級(jí)高頻隔離DC-DC變換器電路采用基于數(shù)字化控制的LLC諧振拓?fù)?。研究結(jié)果表明，前級(jí)PFC電路主要用于調(diào)節(jié)交流輸入電流Iac與輸入電壓Vac的相位和頻率相同，提高系統(tǒng)功率因數(shù)φ，有效抑制交流側(cè)高頻諧波干擾，通過(guò)整流濾波后，為后級(jí)負(fù)載電路提供符合設(shè)計(jì)要求的直流電；后級(jí)高頻隔離DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)輸入/輸出之間的電氣隔離，并通過(guò)對(duì)電流環(huán)/電壓環(huán)雙閉環(huán)反饋控制[11]，為動(dòng)力電池提供一個(gè)低紋波、寬范圍且穩(wěn)定的直流電壓Vbat，分階段完成對(duì)動(dòng)力電池的充電。與傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源拓?fù)湎啾龋疚脑O(shè)計(jì)的車載電源拓?fù)浞桨?，可以在相同的頻率范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)更高的輸出電壓增益，較窄的開(kāi)關(guān)工作范圍使得變換器的效率更高，在全負(fù)載范圍內(nèi)，平均效率可達(dá)95%以上。同時(shí)，具有效率高、功耗小、魯棒性高、成本低等特點(diǎn)，整體拓?fù)浞桨阜显O(shè)計(jì)預(yù)期。

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（編輯 凌 波）