如何實現倍流整流DC/DC電源變換器的設計？電路圖分析

進入21世紀以來，隨著能源的過度消耗和環(huán)境的嚴重污染，在全球的汽車工業(yè)領域發(fā)展新能源汽車正是時候。

相對于傳統(tǒng)領域的汽車，新能源汽車普遍使用低廉無污染的電力能源代替高能耗、高污染的石油，對全球能源及環(huán)境保護具有極大的意義。

新能源汽車從種類上來說有很多種形式，包括混合動力汽車(HEV)、增程式混合動力(PHEV)、純電動汽車(EV)、燃料電池汽車(FCV)等。

在這些系列的新能源汽車設計中，需要使用到不同電壓等級的電源系統(tǒng)，如高壓系統(tǒng)、低壓系統(tǒng)等，所以DC/DC變換器成為新能源汽車設計開發(fā)不可或缺的關鍵部件。

DC/DC變換器是一種直流電源的功率轉換設備，在工業(yè)和民用領域應用十分普遍。

在新能源汽車領域依據不同的應用需求有不同的定義，通常可以分為三種：高壓轉高壓DC/DC變換器、高壓轉低壓DC/DC變換器、低壓穩(wěn)壓DC/DC變換器。

01. 高壓轉高壓DC/DC變換器

在新能源汽車上使用的高壓轉高壓DC/DC變換器主要用于高壓系統(tǒng)的升壓，將動力電池系統(tǒng)的電壓等級再進行升高，以匹配更高等級的電機驅動系統(tǒng)。

例如混合動力汽車使用144V系統(tǒng)的動力電池，為了匹配400V的電機驅動系統(tǒng)，在動力連接上設計此類DC/DC變換器將動力電池系統(tǒng)的電壓等級升高，以匹配電機驅動系統(tǒng)。

02. 高壓轉低壓DC/DC變換器

高壓轉低壓DC/DC變換器一般代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車的發(fā)電機，提供低壓蓄電池及低壓電氣設備的電源，這類DC/DC變換器在新能源汽車領域的應用十分普遍，已經成為新能源汽車設計領域內必要的關鍵電氣部件之一。

03. 低壓穩(wěn)壓DC/DC變換器

不論傳統(tǒng)汽車還是新能源汽車，由于車內的低壓電器設備較多，在不同的工況下的低壓功率需求差異很大，及時有+12V蓄電池穩(wěn)壓的情況下，仍不能保證+12V的低壓電源是穩(wěn)定可靠的。

例如在啟動引擎的時候，蓄電池瞬間可以跌落到6V，這樣使用低壓穩(wěn)壓DC/DC變換器來進行有效的穩(wěn)壓變得必要。

又如一些高級配置常規(guī)車，配備低壓穩(wěn)壓DC/DC變換器，提供車載電腦的穩(wěn)壓。

隨著新能源汽車的發(fā)展，DC/DC變換器在新能源汽車上得到了越來越廣泛的應用，DC/DC變換器作為一種電源轉換裝置，其核心是開關電源技術，對于以傳統(tǒng)工業(yè)電源、軍工電源起家的迪龍新能源科技河北有限公司來說，研發(fā)生產DC/DC變換器有得天獨厚的技術優(yōu)勢。

迪龍新能源科技河北有限公司(以下簡稱“迪龍新能源”)依托迪龍集團20年傳統(tǒng)電源、軍工電源研發(fā)生產經驗，深耕研發(fā)創(chuàng)新，主要致力于電動汽車電源充電系統(tǒng)、新能源車載充電系統(tǒng)及設備的研發(fā)、生產、安裝、維修及銷售。

迪龍新能源將具有自主知識產權的高壓全磚技術應用于DC-DC變換器，產品可靠性高，質量穩(wěn)定，深受國內外電動汽車廠商的信賴與支持。

并通過了IATF16949：2016汽車質量管理體系認證，面向市場推出了先進的自冷式、液冷式、集成式車載DC/DC變換器產品，在國際同行業(yè)水平中處于前列。

除此之外，迪龍新能源還擁有強大的研發(fā)團隊，配備專業(yè)一流的實驗室和研發(fā)設備，以及擁有技術完備的產品生產線和訓練有素的技術工人，能夠快速靈活地為國內外客戶提供不同的產品解決方案。

目前迪龍新能源公司開發(fā)的車載DC/DC變換器已經涵蓋自冷式、液冷式、集成式、客車專用等類型產品，產品電壓輸入范圍9V-950V(細分為21種機型)，單機輸出功率覆蓋數百瓦至幾千瓦。近年來， 隨著計算機微處理器的輸入電壓要求越來越低， 低壓大電流DC - DC 變換器的研究得到了許多研究者的重視， 各種拓撲結構層出不窮，同步整流技術、多重多相技術、磁集成技術等也都應用于這個領域。筆者提出了一種交錯并聯的低壓大電流DC - DC 變換器， 它的一次側采用對稱半橋結構， 而二次側采用倍流整流結構。采用這種結構可以極大地減小濾波電容上的電流紋波， 從而極大地減小了濾波電感的大小與整個DC - DC 變換器的尺寸。這種變換器運行于48 V 的輸入電壓和100 kHz 的開關頻率的環(huán)境。

隨著微處理器和數字信號處理器的不斷發(fā)展，對芯片的供電電源的要求越來越高了。不論是功率密度、效率和動態(tài)響應等方面都有了新要求，特別是要求輸出電壓越來越低，電流卻越來越大。輸出電壓會從過去的3.3V降低到1.1～1.8V之間，甚至更低[1]。從電源的角度來看，微處理器和數字信號處理器等都是電源的負載，而且它們都是動態(tài)的負載，這就意味著負載電流會在瞬間變化很大，從過去的13A/μs到將來的30A/μs～50A/μs[2]。這就要求有能夠輸出電壓低、電流大、動態(tài)響應好的變換器拓撲。而對稱半橋加倍流同步整流結構的DC/DC變換器是最能夠滿足上面的要求的[3]。

本文對這種拓撲結構的變換器的工作原理作出了詳細的分析說明，實驗結果證明了它的合理性。

1 主電路拓撲結構

主電路拓撲如圖1中所示。由圖1可以看出，輸入級的拓撲為半橋電路，而輸出級是倍流整流加同步整流結構。由于要求電路輸出低壓大電流，則倍流同步整流結構是最合適的，這是因為：

1)變壓器副邊只需一個繞組，與中間抽頭結構相比較，它的副邊繞組數只有中間抽頭結構的一半，所以損耗在副邊的功率相對較小;

2)輸出有兩個濾波電感，兩個濾波電感上的電流相加后得到輸出負載電流，而這兩個電感上的電流紋波有相互抵消的作用，所以，最終得到了很小的輸出電流紋波;

3)流過每個濾波電感的平均電流只有輸出電流的一半，與中間抽頭結構相比較，在輸出濾波電感上的損耗明顯減小了;

4)較少的大電流連接線(high current inter-connection)，在倍流整流拓撲中，它的副邊大電流連接線只有2路，而在中間抽頭的拓撲中有3路;

5)動態(tài)響應很好。

它唯一的缺點就是需要兩個輸出濾波電感，在體積上相對要大些。但是，有一種叫集成磁(integrated magnetic)的方法，可以將它的兩個輸出濾波電感和變壓器都集成到同一個磁芯內，這樣可以大大地減小變換器的體積。