新能源电动汽车中直流/直流变换器的主要应用

新能源电动汽车的大三电是指电池、电机和高压“电控”，小三电则指车载充电机(OBC)、直流/直流变换器(DC/DC变换器)和高压直流配电盒(PDU)。

图1、新能源汽车核心零部件

这篇文章我们分析一下直流/直流变换器的芯片方案。直流/直流变换器(DC/DC变换器)可以将动力电池输出的高压直流电转变为用电设备和低压蓄电池可直接使用的低压直流电，具有低电压高电流的特点。动力电池输出的电压较高，通常为100V~400V甚至是800V架构，不能被车辆中的用电器直接使用，因此需要降压型的DC/DC变换器将高压直流电转换为恒定的12V、14V、28V或48V低压直流电，才能为灯光照明、电动车窗、刮水器、除霜器、仪表系统、娱乐系统、电池管理系统、驾驶控制、电动座椅、喇叭等用电器供电或给蓄电池充电。由于整车用电器消耗功率较大而所需电压较低，因此DC/DC变换器具有低电压、高电流的特点。

图2、直流/直流变换器的主要应用

直流/直流变换器可以将动力电池输出的某一数值的直流电源电压转化为另一数值的直流电源电压，起到调节电源输出、稳定电源电压的作用。通常可以分为三种：高压转高压DC/DC变换器、高压转低压 DC/DC变换器、低压稳压DC/DC变换器。

图3、新能源汽车的核心模块

直流/直流变换器输入端连接动力电池高压输出端，输出端连接呈并联关系的低压用电器和蓄电池。当整车控制器(VCU)未接到高压指令时，蓄电池给低压用电器供电。当VCU收到上高压指令后，直流/直流变换器启动，动力电池输出的高压电经直流/直流变换器转换后输出稳定的低压电。直流/直流变换器要根据车辆用电器实际用电情况和蓄电池的充放电平衡给低压用电器和蓄电池供电。

图4、DC/DC变换器控制原理示意图

直流/直流变换器可以单独安装，也可以集成在电源分配单元(PDU)或电力电子集成模块(PEU)内部。DC/DC分为自然冷却和水冷却。DC/DC变换器具有输入过电压、欠电压保护，输出过电压、欠电压保护，输出过载、短路保护，过温保护等功能。DC/DC内部的高压部分和低压部分是相互隔离的，低压部分输出负极仍采用与车身搭铁，这就使得低压用电设备的12V供电网络与燃油汽车保持一致。DC/DC变换流程如下图所示。DC/DC变换器的高压部件有动力电池、高压线束、高压盒、DC/DC;低压部件有蓄电池正极线束、蓄电池、蓄电池负极线束。

图5、DC/DC变换流程

工程师设计一款直流/直流变换器，需要充分考虑的主要技术指标有：

1、输入输出电压范围：这指的是直流/直流变换器能够接受的输入电压和输出电压的范围。通常，输入电压范围在6V至28V之间，而输出电压范围则根据具体的应用需求来确定，常见的有5V、12V、19.2V、24V、36V、48V等。

2、输出电流能力：这指的是直流/直流变换器能够提供的最大输出电流。这个指标直接影响到汽车电子系统的功率需求。

3、功率等级：不同等级的车辆在配置上可能存在很大的差异，这会导致14V系统的动态功率需求发生变化。因此，需要根据车辆等级选择合适的功率等级的DC/DC变换器。例如，乘用车通常匹配1.5KW-2KW的DC/DC变换器，而客车可能需要3KW-5KW的大功率DC/DC变换器。

4、转换效率：这是DC/DC变换器的一个重要指标，它决定了汽车电力能源的利用率，同时也影响整个部件的散热方式和使用寿命。目前，一些先进的DC/DC变换器，转换效率普遍达到了90%以上，部分产品甚至达到了95%。

5、体积、重量和功率密度：由于电动汽车的整体空间有限，因此DC/DC变换器的体积越小、功率密度越高，对整车空间的节约越有利。目前，主流的设计趋势是将DC/DC变换器与其他部件进行集成，以提高功率密度并减少体积。

6、散热方式：同大部分功率电子部件一样，DC/DC变换器在功率2KW左右的等级上，有主动风冷和液冷两种散热方式。选择哪种散热方式取决于系统的具体需求和设计。

7、成本：考虑到汽车部件的成本要求非常严格，因此在设计DC/DC变换器时，需要充分考虑到成本因素，以实现经济效益的最大化。

此外，DC/DC变换器还兼备工作稳定可靠、使用寿命长、安全性高等特点，以满足电动汽车对部件性能的高要求。同时，它还应满足整车复杂运行环境的需求，并具备IP67的防尘防水性能。

图6、DC/DC变换器

DC/DC变换器由控制芯片、电感线圈、二极管、晶体管、电容器组成，通过重复通断开关，将直流电压转换成高频方波电压，再经整流平滑变为直流电压输出，电动汽车DC/DC采用的是降压型，常见的拓扑结构类型主要有以下几种：1、全桥PWM硬开关变换器：这种变换器采用硬开关工作，效率相对较低，副边有电压过冲现象。其输出波纹较小，对Co的ESR要求较低，典型效率约为92%。2、移相全桥ZVS变换器：这种变换器在电路拓扑上与全桥PWM硬开关变换器相差无几，主要区别在于控制上M1和M4有相位差。由于电压较小(如13.4V)，可能导致电感Ld上有大电流，Ip有环流，变压器会发热，典型效率约为94%。目前这是行业内使用最多的方案。3、LLC变换器：在移掉Ld电感后，二级电路采用LLC拓扑，前面加上BOOST并联交错升压电路，电压范围在200-400V之间。这种设计可以提高效率至大于95.5%，且不需要大电流输出电感Ld。4、双向半桥Buck/Boost电路：这是一种常用的非隔离型拓扑，其结构简单，所需器件数量少，因此电路损耗小，效率高。此外，这种电路通过电感传递能量，无需耐高压大容量电容。在同样的工作条件下，其开关器件的电压应力最小，因此可以选择电压额定值较小的器件。5、隔离型双向DC/DC变换器：在大多数应用场合，如电动汽车电池充电，出于安全考虑，电气隔离是必要的，因此大多采用隔离型的拓扑。这种拓扑一般由一个逆变网络、一个高频隔离变压器和一个整流网络组成。也可分为不同类型，例如半桥、全桥、反激式、正激式和推挽式DC-DC转换器。直流/直流变换器的参考设计方案：1、意法半导体

意法半导体的基于SPC58NN84E7 MCU的3KW DC/DC变换器采用的是移相全桥+同步整流的拓扑结构。

图7、车载DCDC系统方案

意法半导体的2.5kW DCDC系统解决方案，基于ASIL-D多核MCU SPC58NN，使用一颗芯片即可完成功率控制、整车通信、功能安全、AUTOSAR和信息安全等功能。该方案的系统框图如下所示，使用SPC58NN的一个核实现功率控制，另一个核配置成锁步模式，实现系统的功能安全诊断，CAN-FD通信等任务。功率拓扑采用PSFB，开关频率100kHz，额定输入电压为360V，额定输出电压为14V,额定输出功率为2.5kW。

图8、2.5kW DCDC系统方案

意法半导体的基于STM32G474RET6 MCU参考设计方案STDES-6KWHVDCDC，将STW40N95DK5 MDmesh DK5功率MOSFET用于LLC级、STPSC40H12CWL SiC二极管用于整流、用于管理控制。并且辅助电源以次级GND为基准，为MOSFET栅极驱动器、微控制器和信号调理器供电。除了PM8834MTR栅极驱动器IC外，LLC MOSFET的栅极驱动还通过栅极驱动变压器进行隔离。

图9、STM32G4x车载DCDC方案

2、德州仪器

德州仪器基于C2000的参考设计《TIDM-PSFB-DCDC》，主控芯片采用的TI公司的C2000 TMS320F280049;采用了移相全桥+同步整流的拓扑结构。

图10、TIDM-PSFB-DCDC系统框图

3、英飞凌

英飞凌的REF-DAB11KIZSICSYS是一个基于XMC4400 MCU的CLLC谐振DC/DC转换器板，能够提供高达11kW的800V输出电压，英飞凌的IMZ120R030M1H(30mΩ/1200V SiC MOSFET)加上1EDC20I12AH，使其性价比和功率密度更高。凭借其高效的双向功率变换能力和软开关特性，是电动汽车和能量存储系统(ESS)等DCDC项目的理想选择。

图11、11kW DC-DC转换器架构图

4、兆易创新

兆易创新的3.3kW隔离型双向DC/DC变换器基于GD32F303RCT6 MCU，采用了CLLC(电容-电感-变压器-电感-电容)电路拓扑，具有对称谐振腔和软开关特性以及更高频率工作的能力，是实现OBC高效、高功率密度的良好选择。CLLC拓扑的设计、控制和实施架构，如下图所示：

图12、3.3kW隔离型双向DC/DC变换器拓扑架构

电动汽车DC/DC变换器选型是根据整车低压用电器功率进行整车用电功率核算的，整车低压用电器按照不同的使用工况可以分为：连续使用、短时使用、随机使用。

1、连续使用的车载用电器包括：DC/DC、MCU、VCU、电子水泵、BMS、组合仪表、远程监控、低压转向泵、散热风扇等。

2、短时使用负载包括：位置灯、转向灯、牌照灯、近光灯、大灯高度调节、玻璃升降器、远光灯、前后雨刮电机、制动灯、前后雾灯、倒车灯、倒车雷达、换挡手柄、真空泵、行人提醒、电喇叭等。

3、随机使用的车载电器包括：鼓风机、冷凝风扇、室内灯、空调控制器、ABS控制器、点烟器、音响系统、洗涤喷水、安全气囊、碰撞传感器、后风窗电加热、电动门窗、中控锁。

整车用电设备的电平衡设计也很重要。上述用电器的使用频度不同，所以每个用电器都有不同的频度系数，额定电流乘以频度系数就称为用电器的加权电流，加权电流的总和就是整车用电最低需求电流。根据不同的使用季节，整车用电器又分别在冬季白天、冬季雪夜、夏季白天、夏季雨夜四种情况下取不同的频度系数，根据不同的频度系数计算出四种极限用电电流。综上所述，整车用电共计算出5种用电电流，正常情况下夏季雨夜的用电电流是最大的，整车DC/DC变换器功率的选型必须满足夏季雨夜的用电需求。DC/DC变换器的设计最好在夏季雨夜整车用电功率的基础上再留一定的余量，以防止给蓄电池充电，正常情况下至少预留1.2倍的额定功率，以满足整车正常的用电需求。

在DC/DC变换器产品设计，调试，生产到装车联调过程中需要严格参考相关的国家标准 GB/T 20237-2021《电动汽车DC/DC变换器》。工程师从0到1设计一款DC/DC变换器并不是容易的事情。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平台，过去数年已积累了海量极具优势的芯片货源。我们聚焦服务元器件长尾客户群，让每一家芯片原厂或分销商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，帮助工程师的方案选型、试样及采购，为电子产业供需略尽绵薄之力。