新能源汽车用DC-DC介绍

一、概述

在新能源汽车的应用中，DC-DC（Direct Current to Direct Current）转换器作为“小三电”之一，它负责将高压电池的直流电转换为车辆电子系统所需的低压直流电，以供12V或24V电池供电，从而确保相关车载系统的正常运作。DC-DC于车载应用中的系统架构示意如下：

图1 DC-DC应用的架构示意

二、硬件架构

典型车载DC-DC转换器在硬件结构上，其关键组成通常有：高压输入滤波电路模块、功率电路模块、输出同步整流模块、输出滤波电路模块、通信模块、主控单元模块、驱动电路及保护电路模块以及电源模块等几个部分。

图2 DC-DC硬件架构

对各硬件模块功能释义如下：

1）高压输入滤波电路模块：该模块负责过滤高压输入电源中的噪声和干扰，确保进入DC-DC转换器的电流是干净的，其作用是提高系统稳定性，减少电磁干扰。

2）功率电路模块：该模块是DC-DC的核心部分，包含开关器件（如MOSFET/IGBT）和储能元件（如电感、电容），其作用是通过开关的开闭合操作去实现能量的转换。

3）输出同步整流模块：该模块通常通过额外的开关器件来替代传统的肖特基二极管，以减少整流过程中的损耗，从而提高转换效率。    

4）输出滤波电路模块：该模块包含输出电容器和其他滤波元件，可在产品工作中用于平滑输出电压，减少纹波，从而确保输出电压的稳定。

5）通信模块：该提供与其他车载系统的通信接口。

6）主控单元模块：负责整体控制逻辑，通过执行PWM控制算法，并通过监测电压和电流，进而调整占空比以维持输出电压稳定。

7）驱动电路及保护电路模块：驱动电路用于放大主控单元产生的PWM信号，以驱动开关器件，保护电路则负责监测系统状态，实施过压、过流、短路等保护措施。

8）电源模块：为控制电路及其他辅助电路提供所需的工作电压，确保控制系统和其他模块的正常运行。

三、DC-DC工作原理

3.1.降低

当来自高压电池的直流电经过输入滤波电路进入DC-DC转换器后，接着主控单元通过驱动电路控制开关器件的导通和断开，从而将高压转换为所需的低压。由于此过程是电压从高到低的转换，因此我们通常使用的是Buck（降压）转换器，在这种转换器中，输入电压总是大于输出电压，此两者的转换关系可简化表示为：Vout=D*Vin。

其中，Vout是输出电压；Vin是输入电压；D是占空比，即开关导通时间与整个开关周期的时间之比。

以800V高压转换为12V低压为例，若直接转换，根据公式可得占空比非常小：D= Vout/ Vin=12/800=0.015。即在一个完整的开关周期中，只有1.5%的时间开关是导通的。

过小的占空比会在系统设计时，对于元件选择和控制算法提出更高的要求，同时为了降低成本考虑，通常可通过多级降压方式去实现需要的电压。如通过两级降压方式去实现800V到12V的转换，其第一级降压是将800V降低到一个中间电压，接着以中间电压为输入，再将其降为目标电压，以此去降低对一次性降低方案下的开关元件的性能要求。    

3.2.能量存储与释放

当开关导通时，电流从动力电池流经电路中的电感，此时电感开始以磁场能的形式储存能量，随着电感中的电流逐渐增加，电感两端的电压由电感的自感电动势决定，其大小表示为：VL=L*（di/dt）。

其中，L是电感值，i是流过电感的电流，t是时间，di/dt表示电流变化率。

在电流流经电感时，电感中存储的能量可表示为：WL=1/2*L*I²。

其中，I是流过电感的最大电流。

当开关断开时，由于电感中的电流流动无法瞬间停止，因此它会寻找一条路径继续流动，此时电流会通过续流二极管或同步整流MOSFET流向输出电容器（Cout）和车辆负载，在此阶段电感开始释放之前存储的能量。

当电感释放能量时，由于有一部分能量流向输出电容器，因此这部分能量会在电容中得以存储，随着充电电荷的积累，电容两端的电压随之上升，直到达到所需的输出电压，此电压与电荷的关系可表示为：Vc=Q/C，此过程中，电容所存储的能量表示为：WC=1/2*C*V²out。

当输出电容器充电完成后，它会在开关断开期间继续向车辆负载提供电流，以维持目标电压的直接来源暂时失去后的负载能量需求的稳定，从而起到平滑全过程中输出电压的作用。简而言之，在DC-DC的工作期间，开关元件在导通和断开之间进行切换时，电容器充当了一个临时能量存储的装置。

3.3.整流、滤波与反馈

当主控单元控制开关元件断开开关时，原本存储的能量得以释放，为了提高系统能量转换效率，通过同步整流技术的应用去较少输出端的损耗，并通过滤波电路去滤除开关操作带来的电压纹波，从而让目标电压满足应用需求。    

在系统运行过程中，系统输出的电压会通过电压、电流传感器进行实时检测，并将结果反馈给主控单元，主控单元通过调整PWM信号，以保持输出电压正确及稳定。

四、控制策略

基于DC-DC转换器的工作原理，其应用目标是快速实现电压与电流的控制，因此在系统控制策略中，通常通过多环路控制以达到目标结果。如在第一级降压过程中，通过外环电压环嵌套内环电流环的方式实现快速且精准的降压，接着通过类似的方式逐级调整目标电压与电流值，从而确保输出电压的稳定性。内外环之间的关系示意如下：

图3 DC-DC控制策略部分示意

其中，外环电压控制负责监控系统输出电压，确保即使负载条件发生变化也能通过快速调整让输出电压稳定在目标值附近，并根据设定的目标电压调整内环电流控制的参考值。内环电流控制负责调节开关器件的占空比，通过快速响应电流变化来起到响应负载变化的作用，从而维持输出电压的稳定性，进而提高系统的动态性能。