全球汽車直流/直流(DC-DC) 變換器市場預計到2026年將增長到170億美元的規(guī)模。這標志著從2021年到2026年的復合年增長率將會超過10%。直流/直流變換器是車輛上的一個必備零部件，它通過轉換電壓為各種車載系統(tǒng)供電，例如越來越復雜的信息娛樂系統(tǒng)，以及使用先進駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 的增強型安全系統(tǒng)。電動汽車 (EV) 無論是純電型還是混動型 (HEV) 的日益普及，也在刺激著直流/直流變換器的需求迅猛增長。我們現(xiàn)在來看看哪些行業(yè)趨勢和技術有助于推動更高效直流/直流變換器的發(fā)展?；靹悠嚭碗妱悠囉性S多架構上的差異。圖1和圖2顯示了這兩種架構的簡化示意圖。強混動(或并行混動)和純電動汽車的電氣化動力總成都是由大容量電池提供的高電壓 (HV) 總線來驅動的。

　　圖1、 強混動/全混動汽車的簡化示意圖

　　逆變器和電動機/發(fā)電機的功率電平最低大約60kW，最高可以超過180kW。除了大容量鋰電池以外，另外一項重大投資就是開發(fā)這些架構。大多數(shù)組件都是雙向的，允許電力從電池流向逆變器，使電動機開始轉動和推動汽車運動起來(牽引驅動)。而在減速時，汽車的動量又驅使發(fā)電機轉動，再通過逆變器回收電力并為電池重新充電(再生制動)。在中度混動 (MH) 汽車中，電動機/發(fā)電機、逆變器和電池也都是雙向的。它們雖然不足以完全獨立驅動汽車(像在混動汽車或電動汽車中一樣)，但仍然可在加速期間為發(fā)動機補充電力，并在減速時為電池重新充電。中度混動汽車的電壓電平通常是48V，可使高電壓總線保持在60V的安全額定電壓內，也能以相同的額定電流為12V總線提供四倍的電力。

　　圖2、中度混動汽車的簡化示意圖

　　直流/直流變換器是這兩種架構中的關鍵組件，它將高電壓總線(中度混動汽車為- 48V;電動汽車/混動汽車為100V)轉換為傳統(tǒng)的12V電力總線，后者為大多數(shù)電子負載供電。在強混動汽車或電動汽車應用中，直流/直流變換器的作用是將高電壓總線中的電力轉換到12V，從而為12V電池充電。目前還沒有將12V總線的電力“提升”到高電壓總線的應用，因此這些架構中的直流/直流變換器基本都是單向的。然而，在中度混動架構中，直流/直流變換器除了要從48V總線為12V電池充電外，還需要將12V總線中的電力轉換到48V總線。主要的應用是，在使用接觸器將48V電池連接到該總線之前對48V總線(即逆變器的輸入電容)進行預充電。預充電對電池電壓和逆變器輸入進行均衡，從而能最大程度減小接觸器的電弧現(xiàn)象。隨著這兩種架構的市場不斷發(fā)展，高壓總線上還會增加新的負載。高壓總線上的負載通常比低壓總線上的負載效率更高。此外，電子負載僅在需要時(比如泵)進行電子控制和通電，效率遠超機械負載，因為后者與機械動力總成始終保持連接。隨著越來越多的負載過渡到使用高壓總線，這就可能額 外產生將12V總線上的電力提升到高壓總線的需求。例如，鋰離子電池在低溫下性能不佳。因此，當發(fā)動機啟動器由高壓總線供電時，采用12V鉛酸電池就會多有益處。因為它具有良好的冷啟動能力，可以通過直流/直流變換器將電力返回到高壓總線，幫助啟動器驅使發(fā)動機開始運轉。

　　圖3、直流/直流變換器在汽車中的位置示意

　　①、不同直流/直流變換器的應用模式

　　新能源汽車直流/直流變換器有降壓型變換器、穩(wěn)壓型變換器和升壓型變換器。降壓變換器幾乎所有新能源汽車都會應用，穩(wěn)壓器主要用在Start-Stop系統(tǒng)，升壓器個別整車企業(yè)會應用，主要集成在逆變器里。降壓型DC/DC變換器的作用是將動力電池輸出的高壓電轉換成低壓電，給汽車低壓電氣設備供電，同時給低壓蓄電池充電。當車輛啟動時，低壓蓄電池為低壓電氣設備供電，當行駛時，DC/DC變換器為低壓電氣設備供電。

　　圖4、直流/直流變換器供電示意圖

　　12V穩(wěn)壓型DC/DC變換器是防止在車輛啟動過程中，電壓的波動對一些敏感器件產生影響。升壓型DC/DC變換器的作用是為了提高新能源汽車的動力系統(tǒng)的效率，選擇用一個Boost的升壓器來提高逆變器輸入的總線電壓。

　　1、DC/DC變換器在純電動汽車中的應用純電動汽車中的DC/DC變換器應用主要包括對低壓蓄電池充電、低壓電氣設備供電、減速或制動時的能量回收以及提供驅動電機所需要電壓等。在車輛行駛過程中，DC/DC變換器將動力電池電壓轉換為電動機所需要的電壓，再經過逆變器將直流電轉換為交流電驅動電動機運轉。

　　圖5、純電模式

　　當車輛減速制動時，DC/DC變換器將車輛減速/制動時產生的電能經過電壓轉換輸入給動力電池，完成能量回收。

　　圖6、制動能量回收模式

　　最重要的是，DC/DC變換器將動力電池的高電壓轉換成低電壓為低壓蓄電池充電，同時為整車低壓電氣設備供電。

　　2、雙向DC/DC變換器在混合動力汽車中的應用當混合動力汽車啟動或極低車速時，發(fā)動機在低效率區(qū)域中工作，能量管理系統(tǒng)將切斷燃油，使發(fā)動機停止，僅由電動機提供機械能。此時DC/DC變換器將動力電池電壓轉換成電動機所需要的電壓，再經過逆變器將直流電轉換為交流電驅動電動機運轉。

　　圖7、混動汽車雙向DC/DC變換器

　　汽車在正常行駛時，此時啟動發(fā)動機運轉，輸出兩路能量，一路提供汽車運行的機械能。另一路使得電機工作在發(fā)電狀態(tài)，向動力電池充電，直至合理狀態(tài)，以備加速爬坡時提供輔助能量或回收制動能量。此時DC/DC變換器將電動機發(fā)出的電能經過電壓轉換輸入給動力電池，完成充電。

　　圖8、串聯(lián)混動模式

　　當混合動力汽車爬坡或加速時，除了發(fā)動機正常運轉外，還需啟動動力電池輸出電能，使得電機工作在電動狀態(tài)提供輔助機械能，增加車輪的驅動力，使發(fā)動機始終工作在最佳效率區(qū)間。此時DC/DC變換器將動力電池電壓轉換成電動機所需要的電壓，在經過逆變器將直流電轉換為交流電驅動電動機運轉。

　　圖9、并聯(lián)混動模式

　　汽車在減速或制動時，車輪驅動電機，電機工作在發(fā)電狀態(tài)，能量回饋給儲能裝置。此時DC/DC變換器將電動機的電能經過電壓轉換輸入給動力電池，完成能量回收過程。

　　圖10、制動能量回收模式

　　汽車在怠速狀態(tài)時，發(fā)動機一般自動停止，沒有常規(guī)發(fā)動機那樣的怠速，但當動力電池沒有達到規(guī)定的電量狀態(tài)時，發(fā)動機會驅動電機給動力電池充電，直至達到合理的電量狀態(tài)。此時DC/DC變換器將電動機所發(fā)的電能經過電壓轉換輸入給動力電池，完成充電。

　　3、雙向DC/DC變換器在新能源汽車復合電源中的應用雙向DC/DC變換器與超級電容串聯(lián)，車輛加速時，DC/DC變換器將超級電容提供的額外大電流傳遞給逆變器。減速制動時，DC/DC變換器將電機回饋的能量傳遞給超級電容，使能量儲存在超級電容中。

　　圖11、復合電源

　　DC/DC變換器與超級電容串聯(lián)，超級電容與動力電池并聯(lián)組成復合電源，這種連接方式更適合用于新能源汽車輔助儲能系統(tǒng)。

　?、?、電氣隔離DC/DC變換器

　　DC/DC變換器還可被分為隔離式和非隔離式。電氣隔離，就是將電源與用電回路作電氣上的隔離，即將用電的分支電路與整個電氣系統(tǒng)隔離，使之成為一個在電氣上被隔離的、獨立的不接地安全系統(tǒng)，以防止在裸露導體故障帶電情況下發(fā)生間接觸電危險。實現(xiàn)電氣隔離以后，兩個電路之間沒有電氣上的直接聯(lián)系。即，兩個電路之間是相互絕緣的。同時還要保證兩個電路維持能量傳輸?shù)年P系。電氣隔離的作用主要是減少兩個不同的電路之間的相互干擾，降低噪聲。

　　圖12、隔離型與非隔離型雙向DC/DC變換器綜合比較

　　非隔離式DC/DC轉換器結構較為簡單，每個部件直接相連，額外能量損失少，工作效率較高，但其實際應用中對升壓側的電容要求較高，主要產品有降壓電路、升壓電路、降壓-升壓電路等。非隔離式DC/DC變換器，按有源功率器件的個數(shù)，可以分為單管、雙管和四管三類。單管DC/DC轉換器共有六種，即降壓式(Buck)DC/DC轉換器 ，升壓式(Boost)DC/DC轉換器、升壓降壓式(Buck Boost)DC/DC轉換器、Cuk DC/DC轉換器、Zeta DC/DC轉換器和SEPIC DC/DC轉換器。在這六種單管DC/DC轉換器中，Buck和Boost式DC/DC轉換器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC轉換器是從中派生出來的。雙管DC/DC轉換 器有雙管串接的升壓式(Buck-Boost)DC/DC轉換器。四管DC/DC轉換器常用的是全橋DC/DC轉換器(Full-Bridge Converter)。

　　圖13、非隔離式DC/DC轉換器電路圖例

　　隔離式DC/DC變換器具有功率開關較多，電壓變比較大，帶電隔離等優(yōu)點，但其結構更為復雜，成本相對較高。因此，非隔離式DC/DC轉換器相比隔離式在汽車領域的應用更具備優(yōu)勢。隔離式DC/DC轉換器也可以按有源功率器件的個數(shù)來分類。單管的DC/DC轉換器有正激式(Forward)和反激式(Flyback)兩種。雙管DC/DC轉換器有雙管正激式(DoubleTransistor Forward Converter)，雙管反激式(Double Transistr Flyback Converter)、推挽式(Push-Pull Converter) 和半橋式(Half-Bridge Converter)四種。四管DC/DC轉換器就是全橋DC/DC轉換器(Full-Bridge Converter)。

　　圖14、隔離式DC/DC轉換器電路圖例

　　作為新能源電動汽車車載電源的重要部分，DC/DC轉換器必須滿足以下要求：

　　1、作為能量傳遞部件，提高能源的利用率，要求轉換器轉換效率高;

　　2、具有降壓功能，從而降低對燃料電池的輸出電壓要求;

　　3、由于燃料電池包的輸出電壓不穩(wěn)定，通過DC/DC變換器閉環(huán)控制系統(tǒng)對其進行穩(wěn)壓，需要具有良好的動態(tài)調節(jié)能力;

　　4、綜合使用環(huán)境和需求，具有體積小重量輕的特點。

　　圖15、新能源汽車結構組成

　　在實際的應用過程中，DC/DC轉換器的合理使用非常重要，可以控制高電壓值的穩(wěn)定，有利于提升電動汽車的驅動性能。而目前的國內大多數(shù)廠商采用情況看，單向DC/DC轉換器是市場主流，逐漸走向雙向DC/DC轉換器。單向DC-DC轉換器可以達到優(yōu)化電機控制、提高電動汽車整體效率性能的作用，同時還可以避免出現(xiàn)反向制動無法控制和變換器出現(xiàn)浪涌電壓的不利情況。