DC-DC轉(zhuǎn)換器及其在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用

在半導(dǎo)體出現(xiàn)之前，將直流電壓轉(zhuǎn)換為更高電壓的常用技術(shù)是通過振蕩電路將其轉(zhuǎn)換為交流電壓，然后使用升壓變壓器來提高輸出電壓水平，最后再通過整流電路進(jìn)行直流轉(zhuǎn)換。在需要高功率的應(yīng)用中，通常使用電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的組合。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，提供所需的負(fù)載電壓。這些技術(shù)雖然成本高且效率低，但在當(dāng)時(shí)沒有其他替代方法的情況下仍得到應(yīng)用。

DC-DC轉(zhuǎn)換器是一種機(jī)電設(shè)備或電路，用于根據(jù)電路要求將直流電壓從一個(gè)電平轉(zhuǎn)換到另一個(gè)電平。作為電力轉(zhuǎn)換器家族的一部分，DC-DC轉(zhuǎn)換器可用于小電壓應(yīng)用，如電池，或高電壓應(yīng)用，如高壓電力傳輸。

DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作原理

開關(guān)技術(shù)通常用于轉(zhuǎn)換器的操作。開關(guān)操作的DC-DC轉(zhuǎn)換器根據(jù)應(yīng)用需求將直流電壓從一個(gè)電平轉(zhuǎn)換為另一個(gè)電平，因此輸出電壓可以高于或低于輸入值。在轉(zhuǎn)換過程中，轉(zhuǎn)換器會(huì)暫時(shí)存儲(chǔ)能量，并在不同電平下提供輸出。能量以磁場的形式存儲(chǔ)在導(dǎo)體的變壓器中，以電場的形式存儲(chǔ)在電容器中。與線性電壓轉(zhuǎn)換相比，開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換的處理更容易，能源效率更高，因?yàn)樵诰€性轉(zhuǎn)換中會(huì)有功率以熱量的形式耗散。

為了實(shí)現(xiàn)高效率，需要高速度的半導(dǎo)體器件，這些器件具有快速的上升和下降時(shí)間。高速開關(guān)要求準(zhǔn)確的布局，使電路設(shè)計(jì)變得困難。開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的高效率減少了對(duì)散熱器的需求，并延長了電池的使用壽命。使用場效應(yīng)晶體管(FET)可以提高轉(zhuǎn)換器的效率，因?yàn)檫@些器件在開關(guān)過程中與雙極晶體管(BJT)相比，損耗更少。

DC-DC轉(zhuǎn)換器的其他改進(jìn)包括用具有更小電阻的同步整流電路替代反向二極管，從而減少開關(guān)過程中的損耗。

大多數(shù)DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)為將電力流向一個(gè)方向，從輸入到輸出。然而，所有開關(guān)調(diào)節(jié)電路都可以是雙向的，通過替換所有二極管控制的有源整流電路來實(shí)現(xiàn)任何方向的電力傳輸。雙向轉(zhuǎn)換器適用于諸如車輛的再生制動(dòng)等應(yīng)用，在行駛時(shí)將電力提供給車輪，在制動(dòng)時(shí)接收電力。

在所有高頻電路中，創(chuàng)建DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)必須采取一些措施，例如元件選擇、連接以及必須設(shè)置在可接受水平的開關(guān)噪聲。最初，創(chuàng)建成本高于線性電壓調(diào)節(jié)器，但由于采用最新的電路創(chuàng)建技術(shù)，成本隨后下降。

如今的DC-DC轉(zhuǎn)換器基于集成電路(IC)，只需少量額外組件。它們還以混合配置存在，應(yīng)用于多種電子結(jié)構(gòu)中。

圖1顯示了不同類型的DC-DC轉(zhuǎn)換器：降壓、升壓、降壓升壓和?uk電路。這些電路的輸入位于左側(cè)，而輸出則提供給右側(cè)的負(fù)載。電源開關(guān)可以是MOSFET、IGBT或BJT。

DC-DC轉(zhuǎn)換器的主要特性如下：

電流額定值

這是轉(zhuǎn)換器能夠提供給負(fù)載的最大電流值。

溫度額定值

這是DC-DC轉(zhuǎn)換器在滿負(fù)載運(yùn)行時(shí)必須承受的最高溫度值。操作溫度必須根據(jù)額定值設(shè)置，否則轉(zhuǎn)換器可能會(huì)損壞并過熱。

紋波電壓

此值定義了轉(zhuǎn)換器輸出的紋波電壓。在操作過程中必須小心這些額定值。

電壓額定值

DC-DC轉(zhuǎn)換器有一些限制，定義了轉(zhuǎn)換器的電壓變換能力。

轉(zhuǎn)換器的尺寸和重量

由于開關(guān)轉(zhuǎn)換器可以在更高頻率下工作，因此可以設(shè)計(jì)得占地面積小。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器時(shí)，需要在電路尺寸和其效率之間找到平衡。

電動(dòng)汽車的DC-DC轉(zhuǎn)換器

我們周圍行駛的許多不同類型的車輛會(huì)產(chǎn)生空氣污染、全球變暖和地球資源的枯竭。為了解決這些問題，解決方案之一是用電動(dòng)車(EV)、混合動(dòng)力汽車和燃料電池電動(dòng)車替代傳統(tǒng)車輛。電動(dòng)和混合動(dòng)力車輛使用兩種類型的能源存儲(chǔ)設(shè)備。第一種是多功能能源存儲(chǔ)(MES)，用于存儲(chǔ)高能量，而第二種是可充電能源存儲(chǔ)系統(tǒng)(RESS)，提供高功率能力和可逆性。MES提供較高的行駛范圍，而RESS具有良好的再生制動(dòng)和加速系統(tǒng)。能源存儲(chǔ)設(shè)備根據(jù)負(fù)載變化輸出電壓，而高電壓的直流鏈接在配置能源存儲(chǔ)組件與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)給車輛工程師帶來了問題。DC-DC轉(zhuǎn)換器可以用于電力傳動(dòng)系統(tǒng)中組件的接口。

汽車轉(zhuǎn)換器必須輕便、小巧、可靠、高效，并產(chǎn)生低電磁干擾。

電動(dòng)汽車的DC-DC轉(zhuǎn)換器類型

在圖2中，我們可以看到電動(dòng)汽車中使用的不同類型的轉(zhuǎn)換器。它展示了至少一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器是如何將直流鏈接與燃料電池電池或超級(jí)電容模塊接口的。電動(dòng)汽車有不同的能源來源，如燃料電池和電池超級(jí)電容器。在電動(dòng)車中，通常使用一個(gè)或多個(gè)能源存儲(chǔ)設(shè)備，這減少了整體成本和體積，并提供良好的操作。常用的能源存儲(chǔ)設(shè)備是電池和超級(jí)電容器。這些設(shè)備與燃料電池堆以不同的配置連接。正常配置是將兩個(gè)模塊并聯(lián)連接：燃料電池或電池、燃料電池或超級(jí)電容器，或電池或超級(jí)電容器。

在這種方法中，功率不是通過控制使用的，而是可以通過組件阻抗值來測量。阻抗依賴于效率和設(shè)備健康狀況等不同參數(shù)。電壓參數(shù)也必須與兩個(gè)組件的規(guī)格匹配。這是一個(gè)燃料電池/電池組合的情況，燃料電池必須在整個(gè)時(shí)間內(nèi)保持相同的功率，因?yàn)殡姵氐碾妷菏枪潭ǖ?。在電池或超?jí)電容器組合的情況下，僅能利用超級(jí)電容器非常小的能量交換特性。這一切都與電池電壓的恒定值有關(guān)。DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓可以選擇，每個(gè)設(shè)備的功率都可以調(diào)節(jié)。

DC-DC轉(zhuǎn)換器是一個(gè)電力轉(zhuǎn)換電路，可以在不同電平之間轉(zhuǎn)換能量，并在磁場和電場中儲(chǔ)存能量。這里將討論應(yīng)用于電動(dòng)車的不同類型的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

非隔離轉(zhuǎn)換器

非隔離轉(zhuǎn)換器用于電壓以4:1的比例增大或減小的應(yīng)用中。這樣，輸出和輸入之間沒有電介質(zhì)隔離。非隔離轉(zhuǎn)換器還有子類型：電荷泵、降壓、Cuk、降壓升壓、降壓和升壓。降壓用于電壓降低，升壓用于電壓提高或升壓。降壓升壓和Cuk轉(zhuǎn)換器用于電壓增減。電荷泵轉(zhuǎn)換器用于電壓升高和電壓反轉(zhuǎn)，并且是某些項(xiàng)目的一部分。

磁性轉(zhuǎn)換器

DC-DC轉(zhuǎn)換器周期性地儲(chǔ)存能量，并在電感或變壓器中以300千赫到10兆赫的頻率作為磁場釋放。通過穩(wěn)定性，可以控制傳輸負(fù)載所需功率的充電占空比。

通過這些控制，可以調(diào)節(jié)輸入和輸出電流，并通過電路保持恒定功率。帶有變壓器的轉(zhuǎn)換器可以提供輸入和輸出之間的操作。

隔離轉(zhuǎn)換器

在這些轉(zhuǎn)換器中，使用高頻變壓器。對(duì)于輸出與輸入完全分離的應(yīng)用，使用這種轉(zhuǎn)換器。隔離轉(zhuǎn)換器有不同類型，如半橋、全橋、反向飛行和推挽DC-DC轉(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器可以用作雙向轉(zhuǎn)換器。

電動(dòng)汽車DC-DC轉(zhuǎn)換器的特性

對(duì)于接口，燃料電池DC-DC轉(zhuǎn)換器提高燃料電池電壓并調(diào)節(jié)直流鏈接電壓。雖然需要可逆的DC-DC轉(zhuǎn)換器來與超級(jí)電容器接口。設(shè)計(jì)和應(yīng)用了不同類型的DC-DC轉(zhuǎn)換器，具有特定的特點(diǎn)。但在車輛情況下，有一些考慮因素如下：

·用于車輛的轉(zhuǎn)換器效率必須高。

·轉(zhuǎn)換器必須體積小，重量輕。

·電磁干擾小。

·從燃料電池抽取的紋波小。

·功能必須提供電壓升高或升壓功能。

·轉(zhuǎn)換器的功率流動(dòng)調(diào)節(jié)提供輸入電壓的不同變化。

每種轉(zhuǎn)換器類型都有其優(yōu)缺點(diǎn)。比如，DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器不具備電氣隔離。輸入和輸出幅度的高變化會(huì)對(duì)開關(guān)造成壓力，這種電路受到高電流和電壓紋波的影響，并且面臨高重量問題。

結(jié)論

DC-DC轉(zhuǎn)換器是一種電子設(shè)備，有助于將直流電壓轉(zhuǎn)換為其他電平，無論是更高還是更低，以滿足電路和項(xiàng)目的要求。它是電源的基本部分，改變電壓值以操作不同需要低或高直流電壓的應(yīng)用。它是電動(dòng)汽車的主要部分，電動(dòng)汽車由提供高直流電壓的電池組成。由于電動(dòng)汽車組件在不同電壓水平(高或低)下工作，為了維持這些組件的電壓值，需要使用DC-DC轉(zhuǎn)換器。DC-DC轉(zhuǎn)換器已成為電動(dòng)汽車和其他在不同直流電平下運(yùn)行的電子項(xiàng)目的關(guān)鍵部分。