自制zvs四管逆变器

汽车DC/DC各高压端子的定义？



汽车DC/DC简单介绍

1周前作者：小幽余生不加糖分类： 博客文章阅读(9)原文

(可改密，绑定手机和安全邮箱，纯物理注册号，无封号危险)

1.什么是DCDC转换器?

2.DCDC转换器在电动汽车中的位置（结构和功能）

3.DCDC转换器的结构组成

4.DCDC转换器的硬件工作原理

一．什么是DCDC转换器？

DC/DC变换器将一个直流电压值的电能变换为另一个直流电压值的电能装置。 DC/DC变换器。系统主要由三个部分组成， 功率模块， 驱动模块和控制模块部分。 作为电动汽动力系统中重要的一部分， 它的一类重要功用是为动力转向系统， 空调以及其他辅助设备提供所需要的电力。 给车载电气供电， DCDC的电能来自千动力电池包， 给汽车低电压车载用电器供电。

在工程师选型DC-DC转换器的功率是由汽车的特性决定的， 比如最高速， 百公里加速， 重量， 最大扭矩和功率状况（峰值功率， 持续功率等）。

从电动汽车到燃料电池汽车， DC-DC变换器都扮演着身份重要的角色， 由于燃料电池电堆输出电压不稳， 通过DC/DC变换器闭环控制可以对其进行升压和稳压， 然后供给电机驱动器。

根据DC/DC变换器在燃料电池电动汽车中的作用以及运行的特殊要求， DC/DC变换器必须满

足以下要求：

(1)变换器是能量传递部件， 因此需要满足转换效率高的要求， 以便提高能源利用率。

(2)由予燃料电池输出响应较慢， 故需要变换器具有良好的动态调节能力。

(3)为了提高汽车功率密度比， 需要汽车部件体积小， 重量轻， 以提高燃料电池电动汽车的运输能力， 使其更有实用价值。 因而DC/DC变换器要满足体积小， 重量轻的要求。

二．DCDC转换器在电动汽车中的位置（结构和功能）

图示为简单的电动汽车系统架构

在这里插入描述

电动汽车系统由不同模块构成，这些模块为传动系统和能量存储系统。动力电池模块（通常乘用车是400V范围内的锂离子化学电池）由电池管理系统（Battery Management System，BMS）进行管理和监测，并通过一个车载充电机模块（ACDC变换器）进行充电，交流电压范围是从110V的单相系统到380V的三相系统。动力电池模块通过一个双向的DCDC变换器和DCAC逆变器来驱动电机，同时用于再生制动，将回收的能量存入动力电池。同时，为了将动力电池的高压转化为可供车载电子设备使用和给蓄电池充电的13.8V电源，需要一个降压型DCDC变换器模块。

三．DCDC转换器的结构组成

图所示为变换器系统的主电路拓扑及其控制结构。输入级由Q1、Q2、Q3、Q4四个开关管组成的全桥电路和高频变压器Tr构成，输出级由同步整流管SR5、SR6和输出滤波电感L1、L2以及输出滤波电容C0构成。全桥电路向变压器一次侧输出的是准方波，当全桥的对角开关管导通时能量由变压器的初级传向次级。在死区时间内，通过原边开关管的寄生电容和变压器的漏感的串联谐振来实现开关管的ZVS。如下结构的同步整流管采用外激式驱动，在没有能量从变压器原边传输至副边时，同步整流器SR5和SR6仍然导通，避免了同步整流管的反并二极管的换流导通，从而进一步降低整流的导通损耗。

在这里插入描述

扩展：什么是ZVS？

简单来说，ZVS就是零电压开关,英文全称是：Zero Voltage Switch

PWM开关电源按硬开关模式工作(开/关过程中电压下降/上升和电流上升/下降波形有交叠)，因而开关损耗大。高频化虽可以缩小体积重量，但开关损耗却更大了。

为此，必须研究开关电压/电流波形不交叠的技术，即所谓零电压开关(ZVS)/零电流开关(ZCS)技术，或称软开关技术，小功率软开关电源效率可提高到80%~85%。

20世纪70年代谐振开关电源奠定了软开关技术的基础。随后新的软开关技术不断涌现，如准谐振(20世纪80年代中)全桥移相ZVS-PWM，恒频ZVS-PWM/ZCS-PWM(上世纪80年代末)ZVS-PWM有源嵌位；ZVT-PWM/ZCT-PWM(20世纪90年代初)全桥移相ZV-ZCS-PWM(20世纪90年代中)等。

我国已将最新软开关技术应用于6kW通信电源中，效率达93％。文章来源站点https://www.yii666.com/

四．DCDC转换器的硬件工作原理

图示为基本的PWM全桥变换器电路拓扑和主要波形。其中，Vin是输入侧直流母线电压，全桥由四只功率开关管Q1-Q4构成，主变压器Tr的原副边绕组匝数比为N，D5和D6构成输出整流电路，L和C分别为输出滤波电感和电容，负载为R。

在这里插入描述文章来源地址https://www.yii666.com/blog/377050.html

通过控制全桥的四只功率开关的导通和截止，在变压器的原边得到一个交流方波电压Vab，其幅值为Vin。Vab通过高频变压器传输至副边，同样得到一个交流方波电压，其幅值为Vin/N。这个交流方波再经过D5和D6构成的整流桥整流之后，得到一个幅值为Vin/N的直流方波电压Vrect。最后，Vrect经L和C组成的滤波网络滤去其中的高频分量，得到一个平直的直流输出电压Vo，其幅值大小为D*Vin/N，其中D=Ton/(Ts/2)是占空比，Ton是斜对角的两只开关管的同时导通时间，Ts是开关周期。输出电压Vo的幅值通过调节占空比D来实现。

开关电源的设计与工作原理

现代开关电源设计有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。

开关电源内部结构

这里主要介绍的只是直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源（粗电），如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压（精电）。直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。也就是说，直流开关电源的分类与DC/DC转换器的分类是基本相同的，DC/DC转换器的分类基本上就是直 流开关电源的分类。

直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为两类：一类是有隔离的称为隔离式DC/DC转换器；另一类是没有隔离的称为非隔离 式DC/DC转换器。隔离式DC/DC转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。单管的DC/DC转换器有正激式（Forward）和反激式（Flyback）两种。双管DC/DC转换器 有双管正激（DoubleTransistorForward Converter），双管反激式（Double Transistr Flyback Converter）、推挽式（Push-Pull Converter） 和半桥式（Half-Bridge Converter）四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。

非隔离式DC/DC转换器，按有源功率器件的个数，可以分为单管、双管和四管三类。

单管DC/DC转换器共有六种，即降压式（Buck）DC/DC转换器 ，升压式（Boost）DC/DC转换器、升压降压式（Buck Boost）DC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器。在这六种 单管DC/DC转换器中，Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。双管DC/DC转换 器有双管串接的升压式（Buck-Boost）DC/DC转换器。四管DC/DC转换器常用的是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。

隔离式DC/DC转换器在实现输出与输入电气隔离时，通常采用变压器来实现，由于变压器具有变压的功能，所以有利于扩大转换器的输出应用 范围，也便于实现不同电压的多路输出，或相同电压的多种输出。

在功率开关管的电压和电流定额相同时，转换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比。所以开关管数越多，DC/DC转换器的输出功率越大，四管式比两管式输出功率大一倍，单管式输出功率只有四管式的1/4。非隔离式转换器与隔离式转换器的组合，可以得到单个转换器所不具备的一些特性。

按能量的传输来分，DC/DC转换器有单向传输和双向传输两种。具有双向传输功能的DC/DC转换器，既可以从电源侧向负载侧传输功率，也可 以从负载侧向电源侧传输功率。

DC/DC转换器也可以分为自激式和他控式。借助转换器本身的正反馈信号实现开关管自持周期性开关的转换器，叫做自激式转换器，如洛耶尔 （Royer）转换器就是一种典型的推挽自激式转换器。他控式DC/DC转换器中的开关器件控制信号，是由外部专门的控制电路产生的。

按照开关管的开关条件，DC/DC转换器又可以分为硬开关（Hard Switching）

开关电源和软开关（Soft Switching）两种。硬开关DC/DC转换器的开关器件 是在承受电压或流过电流的情况下，开通或关断电路的，因此在开通或关断过程中将会产生较大的交叠损耗，即所谓的开关损耗（Switching loss）。当转换器的工作状态一定时开关损耗也是一定的，而且开关频率越高，开关损耗越大，同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生 电容的振荡，带来附加损耗，因此，硬开关DC/DC转换器的开关频率不能太高。软开关DC/DC转换器的开关管，在开通或关断过程中，或是加于 其上的电压为零，即零电压开关（Zero-Voltage-Switching，ZVS），或是通过开关管的电流为零，即零电流开关（Zero-Current·Switching，ZCS）。这种软开关方式可以显着地减小开关损耗，以及开关过程中激起的振荡，使开关频率可以大幅度提高，为转换器的小型化和模块化创造 了条件。功率场效应管（MOSFET）是应用较多的开关器件，它有较高的开关速度，但同时也有较大的寄生电容。它关断时，在外电压的作用下， 其寄生电容充满电，如果在其开通前不将这一部分电荷放掉，则将消耗于器件内部，这就是容性开通损耗。为了减小或消除这种损耗，功率场 效应管宜采用零电压开通方式（ZVS）。绝缘栅双极性晶体管（Insu1ated Gate Bipo1ar tansistor，IGBT）是一种复合开关器件，关断时的电流拖 尾会导致较大的关断损耗，如果在关断前使流过它的电流降到零，则可以显着地降低开关损耗，因此IGBT宜采用零电流（ZCS）关断方式。IGBT在 零电压条件下关断，同样也能减小关断损耗，但是MOSFET在零电流条件下开通时，并不能减小容性开通损耗。谐振转换器（ResonantConverter ，RC）、准谐振转换器（Qunsi-Tesonant Converter，QRC）、多谐振转换器（Mu1ti-ResonantConverter，MRC）、零电压开关PWM转换器（ZVS PWM Converter）、零电流开关PWM转换器（ZCS PWM Converter）、零电压转换（Zero-Vo1tage-Transition，ZVT）PWM转换器和零电流转换（Zero- Vo1tage-Transition，ZVT）PWM转换器等，均属于软开关直流转换器。电力电子开关器件和零开关转换器技术的发展，促使了高频开关电源的发展。

工作原理

开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。

脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。

控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。

开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。

湖北仙童科技有限公司 高端电力电源全面方案供应商 江生 13997866467