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電動(dòng)汽車(chē)DC-DC轉(zhuǎn)換器測(cè)試

2021-10-18 17:16:22·  來(lái)源：科電 電子測(cè)量系統(tǒng)及設(shè)備部  
　
在新能源汽車(chē)和智能電網(wǎng)的應(yīng)用中，不單是從電網(wǎng)到新能源汽車(chē)的能量轉(zhuǎn)換，也往往都會(huì)需要從汽車(chē)到電網(wǎng)的能量傳輸（V2G），此外就是在混能中的充放電轉(zhuǎn)換。而在能
在新能源汽車(chē)和智能電網(wǎng)的應(yīng)用中，不單是從電網(wǎng)到新能源汽車(chē)的能量轉(zhuǎn)換，也往往都會(huì)需要從汽車(chē)到電網(wǎng)的能量傳輸（V2G），此外就是在混能中的充放電轉(zhuǎn)換。而在能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，擔(dān)當(dāng)重要角色的DC-DC轉(zhuǎn)換器就成了充電接口和電池的主要模塊。
DC-DC 轉(zhuǎn)換器，作為電動(dòng)汽動(dòng)力系統(tǒng)中很重要的一部分，它的一類(lèi)重要作用是為動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，空調(diào)以及其他輔助設(shè)備提供所需的電力。另一類(lèi)，是出現(xiàn)在復(fù)合電源系統(tǒng)中，與超級(jí)電容串聯(lián)，起到調(diào)節(jié)電源輸出，穩(wěn)定母線電壓的作用。


電動(dòng)汽車(chē)的內(nèi)部電氣系統(tǒng)模塊圖

今天的主題圍繞DCDC的分類(lèi)和工作原理展開(kāi)~

01、DCDC——“隔離與非隔離”
 
電氣隔離，就是將電源與用電回路作電氣上的隔離，即將用電的分支電路與整個(gè)電氣系統(tǒng)隔離，使之成為一個(gè)在電氣上被隔離的、獨(dú)立的不接地安全系統(tǒng)，以防止在裸露導(dǎo)體故障帶電情況下發(fā)生間接觸電危險(xiǎn)。實(shí)現(xiàn)電氣隔離以后，兩個(gè)電路之間沒(méi)有電氣上的直接聯(lián)系。即，兩個(gè)電路之間是相互絕緣的。同時(shí)還要保證兩個(gè)電路維持能量傳輸?shù)年P(guān)系。電氣隔離的作用主要是減少兩個(gè)不同的電路之間的相互干擾，降低噪聲。
非隔離雙向DCDC，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，每個(gè)部件都是直接相連，沒(méi)有額外的能量損失，工作效率比較髙。對(duì)升壓側(cè)的電容要求比較高。主要的非隔離DCDC電路結(jié)構(gòu)有雙向半橋boost-buck電路，雙向buck-boost電路，雙向buck電路，雙向Zate-Sepic電路，如下圖所示。


隔離型雙向DCDC，在非隔離型雙向DCDC轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上加上一個(gè)高頻變壓器就構(gòu)成了隔離型雙向DCDC轉(zhuǎn)換器，高頻變壓器兩側(cè)的電路拓?fù)淇梢允侨珮蚴?、半橋式、推挽式等等。這幾種隔離型的雙向DCDC轉(zhuǎn)換器，采用了更多的功率開(kāi)關(guān)，電壓變比大，帶電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)。但是這類(lèi)DCDC轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也相對(duì)較高，轉(zhuǎn)換器的損耗高，低頻時(shí)會(huì)導(dǎo)致隔離變壓器鐵芯飽和，損耗會(huì)進(jìn)一步增加。因此，非隔離型雙向DCDC轉(zhuǎn)換器比隔離型在電動(dòng)汽車(chē)上運(yùn)用更具有優(yōu)勢(shì)。

02、DCDC ——“系統(tǒng)三部分”

主電路
又叫做功率模塊，是整個(gè)DCDC的主體。一個(gè)典型的全橋型 DCDC 變換器主電路拓?fù)淙缦聢D所示。


驅(qū)動(dòng)模塊
對(duì)于控制芯片輸出的四路 PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)說(shuō)，并不能直接驅(qū)動(dòng)四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管。所以，一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)電源是需要配套一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管。驅(qū)動(dòng)電路主要有以下三種：
1、直接耦合型：控制芯片的每一路輸出 PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)由兩個(gè)三極管組成的放大電路來(lái)驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管。此種方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制部分與主電路的隔離。
2、脈沖變壓器耦合型驅(qū)動(dòng)電路：此電路是在直接耦合型的基礎(chǔ)上加上了一個(gè)脈沖變壓器，實(shí)現(xiàn)了控制電路與主電路的隔離。但是這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是，涉及到變壓器的設(shè)計(jì)、制作等方面，比較復(fù)雜。
3、驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)電路：為了更加方便地來(lái)驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管，很多公司研制出驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)芯片可以輸出較大的功率，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，而且隨著芯片的小型化發(fā)展，現(xiàn)在的驅(qū)動(dòng)芯片體積非常小，有各種封裝形式。利用驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)，這種方法比較簡(jiǎn)單，但是控制電路與主電路仍然沒(méi)有實(shí)現(xiàn)隔離。

控制模塊
主電路的反饋主要有三種控制模式：電壓控制模式，峰值電流控制模式，平均電流控制模式。
1、電壓控制模式：屬于電壓反饋，利用輸出電壓進(jìn)行校正，是單環(huán)反饋模式，輸出電壓采樣與輸入基準(zhǔn)電壓比較，得到的輸出信號(hào)與一鋸齒波電壓比較，輸出 PWM波信號(hào)。電壓控制模式設(shè)計(jì)以和運(yùn)用都比較簡(jiǎn)單，但是電壓控制模式?jīng)]有對(duì)輸出電流進(jìn)行控制，有一定的誤差存在，并且輸出電壓先經(jīng)過(guò)電感以及電容的濾波，使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較差。
2、峰值電流控制模式：峰值電流控制模式與電壓控制模式的區(qū)別在于，峰值電流控制模式中，把電壓控制模式的那一路鋸齒波形，轉(zhuǎn)換成了電感的瞬時(shí)電流與一個(gè)小鋸齒波的疊加。但是電感的瞬時(shí)電流并不能表示平均電流的情況。
3、平均電流控制模式：屬于雙環(huán)控制方式，電壓環(huán)的輸出信號(hào)作為基準(zhǔn)電流與電感電流的反饋信號(hào)比較。設(shè)置誤差放大器，可以平均化輸入電流的一些高頻分量，輸出的經(jīng)過(guò)平均化處理的電流，再與芯片產(chǎn)生的鋸齒波進(jìn)行比較，輸出合適的 PWM 波形。

相比三種控制方式，平均電流的控制方式不限制占空比，對(duì)輸出電壓和電感電流均進(jìn)行反饋，有比較好的控制效果。采用平均電流控制方式進(jìn)行反饋電路的設(shè)計(jì)時(shí)，把電流環(huán)是看作電壓環(huán)的一部分。

03、DCDC——“軟開(kāi)關(guān)和硬開(kāi)關(guān)”

DCDC中的硬開(kāi)關(guān)與軟開(kāi)關(guān)有何區(qū)別？
硬開(kāi)關(guān)是不管開(kāi)關(guān)管(DS極或CE極)上的電壓或電流，強(qiáng)行turn on或turn off開(kāi)關(guān)管。當(dāng)開(kāi)關(guān)管上(DS極或CE極)電壓及電流較大時(shí)開(kāi)關(guān)管動(dòng)作，由于開(kāi)關(guān)管狀態(tài)間的切換(由開(kāi)到關(guān)，或由關(guān)到開(kāi))需要一定的時(shí)間，這會(huì)造成在開(kāi)關(guān)管狀態(tài)間切換的某一段時(shí)間內(nèi)電壓和電流會(huì)有一個(gè)交越區(qū)域，這個(gè)交越造成的開(kāi)關(guān)管損耗稱(chēng)為開(kāi)關(guān)管的切換損耗。
軟開(kāi)關(guān)是指通過(guò)檢測(cè)開(kāi)關(guān)管電流或其他技術(shù)，做到當(dāng)開(kāi)關(guān)管兩端電壓或流過(guò)開(kāi)關(guān)管電流為零時(shí)才導(dǎo)通或關(guān)斷開(kāi)關(guān)管，這樣開(kāi)關(guān)管就不會(huì)存在切換損耗。
一般來(lái)說(shuō)軟開(kāi)關(guān)的效率較高(因?yàn)闆](méi)有切換損)；操作頻率較高，PFC或變壓器體積可以減少，所以體積可以做的更小。但成本也相對(duì)較高，設(shè)計(jì)較復(fù)雜。

04、DCDC---“EA ”

工程師面對(duì)雙向高低壓轉(zhuǎn)換的測(cè)試要求，一般都采用電源負(fù)載分開(kāi)測(cè)試的方法。這個(gè)方法優(yōu)點(diǎn)在于成本低和布置簡(jiǎn)單，不過(guò)犧牲了所占用的測(cè)試空間和沒(méi)法模擬電池在電流正負(fù)極的動(dòng)態(tài)切換特性。
這里就要說(shuō)到德國(guó)EA（ElektroAutomatik）的雙向電源PSB系列——
在車(chē)載雙向DC-DC測(cè)試中，PSB雙向電源提供多款不同電壓電流規(guī)格的電源，可覆蓋48V混動(dòng)系統(tǒng)或高壓純電系統(tǒng)的應(yīng)用。低壓側(cè)的PSB雙向電源可進(jìn)行低電壓的輸入輸出，連接被測(cè)品后，在高壓側(cè)的PSB雙向電源可進(jìn)行高壓的輸入輸出。形成一個(gè)電流可雙向流動(dòng)的測(cè)試系統(tǒng)。配合PSB功率大、體積小和作為負(fù)載時(shí)電能可回饋電網(wǎng)的特性，整個(gè)測(cè)試搭建兼具節(jié)約空間與能源回收的兩項(xiàng)巨大優(yōu)勢(shì)。
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