车载电源OBC+DC/DC

记录车载DC/DC应用场景和对应拓扑结构的学习笔记。

1. 车载DC/DC应用场景

目前市面汽车的电源系统可以分为以下三种，12V、48V、高电压系统（300V+）,不同电力系统是通过DC/DC转换进行关联。
在纯电汽车中，DC/DC可能会用在以下三个地方：

• 车载充电机：外部输入220V\380V交流电，首先使用PFC进行功率因数校正，在经过DC/DC变换，对动力电池充电。
• 电机控制器：动力电池通过一个双向DC/DC变换器和逆变器来驱动电机，同时用于再生制动，将回收的能量存入动力电池。
• 双向DC/DC转换器：电动车辆（EV）使用两种不同的电源系统：一是牵引的动力电池，二是用于为车辆中的所有电器供电的低压（12 V）电池，一般场景下动力电池，为低压电池（12V）和低压用电器供电。
  
  在轻度混合动力汽车中，DC/DC转换器是系统不可或缺的组成部分，其中48V电力系统主要用于优化发动机启停、起步、刹车等工况，可以避开燃油车起步时最耗油的怠速阶段，一般电池的能量通过汽车运行过程中的能量回收进行充电。

2. PFC

2.1 简介

PFC属于车载充电机里面的第一级，（Power Factor Correction）功率因素校正电路。目的就是提高电路功率因素(cosΦ)的电路。功率因素的提高意味无功功率的下降，有功功率的上升，代表着负载阻抗的虚部减少，实部增加。期望把负载表现为纯阻性，即电压、电流同相位。
实际运用中，若电路总体呈现感性，则添加电容（反之亦然），增加容性负载。电容、电感两者计算出来的阻抗相反，当两者阻抗相同时，容抗、感抗相互抵消，只剩下阻抗。

2.2 专业名词

2.3 常见拓扑结构

2.3.1 传统桥式PFC

前级先采用4个二极管进行整流，后级跟一个BOOST升压电路，用于控制电压电流的变换，增加系统输入端的功率因数，提高效率。


电流走向：

适合AC 220V高电网电压，这里不利于提高AC 110V系统的效率，原因是因为桥式整流，在一个半波内，需要经过两个整流二极管，相对于后面的无桥PFC来说多一个。

2.3.2 普通无桥型PFC

这种PFC在正负半周的时候, 两个管子一个续流一个充当高频开关
这种拓扑的优点是使用功率元件比较少, 两个管子可以一起驱动, 这简化了驱动电路的设计, 同时让直接使用传统APFC的控制芯片成为可能.
但它同时存在几个问题, 电流流向复杂而且不共地, 电流采样困难, 有较大的共模干扰因此输入滤波器要仔细设计
针对头一个问题, ST公司和IR公司的一些应用文档中已经比较详细的介绍了两种比较可行的采用互感器的方法

2.3.3 双Boost无桥PFC

双boost无桥拓扑的优点是使用功率元件比较少, 两个管子可以一起驱动, 这简化了驱动电路的设计, 同时让直接使用传统APFC的控制芯片成为可能.但是这种拓扑必须使用两个电感，电流流向有不确定性，低频二极管和mos的体二极管可能同时导通, 增加了不稳定因素。
特点：共模EMI大，采集电压/电流需要单独设计差分采样电路（也可以使用霍尔传感器，但成本贵）

2.3.4 图腾柱PFC

D1和D2为低频二极管, S1和S2的体二极管提供高频整流开关作用。

这种电路具有较低的EMI, 使用元件较少, 设计可以很紧凑。但是S1和S2需要使用不同的驱动信号, 工频周期不同信号也不一样, 增加了控制的复杂性, S2不容易驱动(可以尝试IR2110等自举驱动芯片) 。
S1和S2如果采用mos, mos的体二极管恢复较慢(通常数百ns)会产生较大的电流倒灌脉冲, 引起很大的损耗, 足以抵消无桥低损耗的优势。S1和S2如果采用IGBT, 虽然其体二极管的性能没问题, 但是其导通压降比较大, 也会产生很高的损耗, 尤其是在低电压输入的情况下。

上述问题可以通过GaN\SiC高性能开关管解决。

2.3.5 参考资料

https://www.dianyuan.com/article/45079.html

2.4 功率因数

2.4.1 简介

功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大， 从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S。

2.4.2 计算

U—交流电压有效值（伏）
I— 交流电流有效值（安）
cosΦ—负载的功率因数。
视在功率S：S = U*I
有用功率P：P = S * cosΦ
无用功率Q：Q = S * sinΦ
S²＝Q²＋P²
三个功率恰好构成功率三角形：

感性电路：电流的相位总是滞后于电压，此时0°< φ <90°，此时称电路中有“滞后”
容性电路：电流的相位总是超前于电压，这时-90°< φ <0°，此时称电路中有“超前”

3. DC/DC

3.1 Boost升压电路

3.1.1 简介

BOOST升压电源是利用开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出的一种开关电源，它以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用在各行业电子设备找那个，是不可缺少的一种电源架构。

3.1.2 电路框图

3.1.3 工作原理

其中L为储能元件，当开关闭合时，A点的电压为0，Vi直接给电感L充电，充电电流路径见下图，开关导通时间dt=占空比 * 开关周期=D * T。

PS：电感充放电时，电感两端的极性不一致
充电时：电流流入端为正，流出端为负，即此处左侧为正，右侧为负
放电时：电流流出端为正，流入端为负

当开关断开时，L中存储的能量会通过二极管，给负载放电；同时，Vi也会通过二极管给负载放电，二者叠加，实现升压，放电时间dt=(1-占空比)*开关周期=(1-D)*T。


在开关闭合和断开的两个时间内，电感充电和放电是一样的，有人称之为电感的伏秒特性。

故整理充放电表达式，可以得到：

3.1.4 参考资料

BOOST升压电路原理
电感基础2——电感的单位、电压电流关系、时间常数和阻抗（教科书公式解读）

3.2. Buck降压电路

3.2.1 基本电路

3.2.2 半桥

下图右侧四对背靠背MOS管用于防止电流倒灌。

3.2.3 参考资料

DC-DC之降压(BUCK)电路
电源硬件设计----半桥变换器(Half-Bridge Converter)基础

3.3 Boost/Buck电路

3.3.1 基本电路

Renesas 提供方案如下：左侧往右侧看，构成降压电路，其中第二个MOS管一直处于常开状态，整个降压工作由第一个MOS管完成；右侧往左侧看，构成升压电路，其中第一个MOS管处于常闭状态，整个升压工作由第二个MOS管完成。

Ifx方案：

3.3.2 参考资料

同步（双向）BUCK电路设计

3.4 LLC串联谐振DC/DC变换器

LLC串联谐振DC-DC变换器工作原理简要分析

4. AC/DC

目前存在四种常见的整流电路：半波、全波、全波桥式、倍压整流。前三种主要使用在电源电路中，倍压整流电路用于其它交流信号的整流，例如用于发光二极管电平指示器电路中，对音频信号进行整流。
接下来简单介绍几种整流电路的工作原理，对与元器件原型，这里不展开赘述。
备注：下面只是将交流电转换为脉动交流电，并不是直流电压，在转换为直流电，需要加滤波电容，这里只介绍几种整流的电路。

4.1 半波整流

一个完整的半波整流电路由3个部分组成：变压器、阻性负载、二极管，这里主要是利用二极管的单向导电特性完成整流。

半波整流电路的基本操作非常简单，输入信号通过二极管，由于只能通过一个方向的电流，二极管的整流作用，单个二极管只允许通过一半的波形。

U0 = 0.45U2
其中U0为负载端电压，U2为变压器次级电压。

4.2 全波整流

中心抽头全波整流电路包括：中心抽头变压器，两个二极管、阻性负载组成。

基本工作原理
向输入变压器施加交流电压，在交流电压的正半周期内，端子1为正，中心抽头为0电位，端子2为负电位；负半周期内，段子1、2电位相反。

最终输出波形如下：


U0 = 0.9U2
其中U0为负载端电压，U2为变压器次级电压。

4.3 桥式整流

桥式整流电路是由四个二极管连接在一个闭环“桥”配置中，以产生所需的输出。
这种桥式电路的主要优点是不需要特殊的中心抽头变压器，从而减小了尺寸和成本。单个次级绕组连接到二极管桥网络的一侧，负载连接到另一侧，如下图所示：

输出波形：

U0 = 0.9U2
其中U0为负载端电压，U2为变压器次级电压。

这里全波与桥式整流最终输出的波形都一致，但是使用的元器件不一致，全波需要使用特殊的抽头变压器+2个整流二极管，桥式需要4个整流二极管。需要根据具体应用去选择对应的电路，目前在DC/DC变换的次级一般会使用全波整流电路。

4.4 参考资料

整流电路总结
什么是半波整流电路？半波整流的原理是什么？一文教你搞定半波整流电路
什么是全波整流电路？如何构建全波整流电路？这一文帮你总结
什么是桥式整流电路？一文带你读懂桥式整流电路

5. 其他

5.1 两个PMOS串并联用法

5.1.1 串联

电路逻辑：PHONE_POWER输出高电平时，Q3导通，Q1和Q2导通，VIN=VOUT；PHONE_POWER输出低电平时，Q3截止，Q和Q2截止，VIN=0V；

电路作用：针对上面后一点，在2个MOS管关闭的情况下，如果调试需要外接VOUT，可以防止VOUT的电串到VIN上面，利用的是Q1体二极管反向截止特性（左正右负）

如果没有Q1，那么VOUT直接从Q2的体二极管（左负右正）串电到VIN上面

5.1.2 并联

作用：提高输出的带载能力，或者换个说法是：负载电流比较大，用两个PMOS管分流。

5.1.3 参考资料

两个PMOS管背靠背用法详解

5.2 多相DC-DC转换器作用

5.2.1 作用

显著提高大电流应用中降压开关稳压器的性能，适用于大电流输出电路，输出总电流为所有相位的总和。

5.2.2 参考资料

多相DC-DC转换器简介

5.3 大小三电系统

大三电：电机、电池、电控
小三电：OBC(车载充电器)、DC/DC、PDU（高压配电盒）

高压配电盒（PDU）是高压系统中分配电池输出的直流电和监控过流过压的高压电源 分配单元。PDU 通过母排及线束连接动力电池并控制充放电，将动力电池输出的直流电分 配到汽车的 OBC、车载 DC/DC 变换器、电机控制器、空调、PTC 等高压用电器上，在高 压系统中起过载短路保护、低压控制等功能，保护和监控高压系统的运行。

5.4 混动汽车知识

按照动力混合的程度，简单介绍下弱混（12V）、中混(48V)、强混(300+)，其中针对弱混有不同的定义，但确实存在48V弱混系统，例如奥迪A8

12\48\300V+应用场景：

5.4.1 名词解释

1、HEV

Hybrid Electric vehicle，即混合电动汽车。一般指由燃油和电池提供能源。燃油发动机和电动机提供动力。
工作原理：
车型特点：

这种车型一般电池容量较小，不提供充电接口，电池的能量通过汽车运行过程中的能量回收进行充电。
其中动力电池一般使用12V\48V电池
该车型的电动机功率也不大，在起步，和加速等场景辅助燃油发动机提供动力。因为有了电动机的辅助，充分发挥电动机的大扭矩优势，在起步和加速过程中的整体效率得到提升，并使车辆整体油耗显著下降。因为依赖燃油提供能量，没有里程焦虑。

代表车型：

丰田普瑞斯，丰田雷凌，丰田卡罗拉等

2、PHEV

Plug-in Hybrid Electric vehicle，即插电式混合动力汽车。顾名思义，PHEV的车载动力电池可以通过插座进行充电，也可以通过燃油发动机充电。能量提供由电池和燃油提供。动力提供由燃油发动机和电动机提供。
不同的汽车厂商在PHEV上对于电池的容量，电机的数量，电机的功率配置有较大差异，也形成了不同的整车风格和特点。

工作原理：

车型特点：

这类车型可以通过电机，燃油机的介入算法形成多种驱动组合。比如纯电动模式，纯燃油机模式，电机加燃油机混合模式等。

其中动力电池为：
另外，PHEV进可攻，退可守，在充电方便，电量充足时，可以纯电动方式行驶，节能减排还降低用车成本。在电量不足充电不变时，燃油行驶，远行也无忧。

代表车型：

比亚迪秦，唐，汉，宋系列，上汽荣威系列，领克PHEV系列等。

5.4.2 蓄电池电压

48、320V指的是动力电池的额定电压，都是由单个电压为3.2V的锂离子电池串联而成，单个锂离子电压下限为2.8V，上限为3.6V。
为什么是48V电子系统，而不是其他V的，通上48指的额定电压，由多个锂离子电池组成，一个锂离子电压最高为3.6V，48V对应15个，所以最高电压为54V，在安全电压60V以内，不用额外增加电路，增加成本。

参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/144603129

5.4.3.为什么电车不使用直流电机

1、直流电机

效率低、质量大、体积大、可靠性差，新一代电动汽车已经慢慢不在使用该电机。

2、永磁交流电机（PMAC）

转子的磁场是由永磁体产生的，避免了因生磁而导致的电能损耗，故效率要比其他电机高，尺寸和质量都偏小，布置更加灵活

5.4.4.参考资料

48V轻混系统到底是个什么鬼？
EV，BEV，HEV，PHEV，FCV，电动汽车，都是什么鬼？
2022年中国新能源汽车OBC（车载充电机）行业全景速览
新能源汽车DC-DC变换器产业深度研究报告

6. 参考资料

DC/DC控制方式
移相全桥软开关变换器设计
DCDC–开关频率的选择