DC-DC转换器及其在电动汽车中的应用

在半导体出现之前，将直流电压转换为更高电压的常用技术是通过振荡电路将其转换为交流电压，然后使用升压变压器来提高输出电压水平，最后再通过整流电路进行直流转换。在需要高功率的应用中，通常使用电动机和发电机的组合。电动机驱动发电机，提供所需的负载电压。这些技术虽然成本高且效率低，但在当时没有其他替代方法的情况下仍得到应用。

DC-DC转换器是一种机电设备或电路，用于根据电路要求将直流电压从一个电平转换到另一个电平。作为电力转换器家族的一部分，DC-DC转换器可用于小电压应用，如电池，或高电压应用，如高压电力传输。

DC-DC转换器的工作原理

开关技术通常用于转换器的操作。开关操作的DC-DC转换器根据应用需求将直流电压从一个电平转换为另一个电平，因此输出电压可以高于或低于输入值。在转换过程中，转换器会暂时存储能量，并在不同电平下提供输出。能量以磁场的形式存储在导体的变压器中，以电场的形式存储在电容器中。与线性电压转换相比，开关电压转换的处理更容易，能源效率更高，因为在线性转换中会有功率以热量的形式耗散。

为了实现高效率，需要高速度的半导体器件，这些器件具有快速的上升和下降时间。高速开关要求准确的布局，使电路设计变得困难。开关模式转换器的高效率减少了对散热器的需求，并延长了电池的使用寿命。使用场效应晶体管(FET)可以提高转换器的效率，因为这些器件在开关过程中与双极晶体管(BJT)相比，损耗更少。

DC-DC转换器的其他改进包括用具有更小电阻的同步整流电路替代反向二极管，从而减少开关过程中的损耗。

大多数DC-DC转换器设计为将电力流向一个方向，从输入到输出。然而，所有开关调节电路都可以是双向的，通过替换所有二极管控制的有源整流电路来实现任何方向的电力传输。双向转换器适用于诸如车辆的再生制动等应用，在行驶时将电力提供给车轮，在制动时接收电力。

在所有高频电路中，创建DC-DC转换器时必须采取一些措施，例如元件选择、连接以及必须设置在可接受水平的开关噪声。最初，创建成本高于线性电压调节器，但由于采用最新的电路创建技术，成本随后下降。

如今的DC-DC转换器基于集成电路(IC)，只需少量额外组件。它们还以混合配置存在，应用于多种电子结构中。

图1显示了不同类型的DC-DC转换器：降压、升压、降压升压和Ćuk电路。这些电路的输入位于左侧，而输出则提供给右侧的负载。电源开关可以是MOSFET、IGBT或BJT。

图1：DC-DC转换器的类型

DC-DC转换器的主要特性如下：

电流额定值

这是转换器能够提供给负载的最大电流值。

温度额定值

这是DC-DC转换器在满负载运行时必须承受的最高温度值。操作温度必须根据额定值设置，否则转换器可能会损坏并过热。

纹波电压

此值定义了转换器输出的纹波电压。在操作过程中必须小心这些额定值。

电压额定值

DC-DC转换器有一些限制，定义了转换器的电压变换能力。

转换器的尺寸和重量

由于开关转换器可以在更高频率下工作，因此可以设计得占地面积小。在设计转换器时，需要在电路尺寸和其效率之间找到平衡。

电动汽车的DC-DC转换器

我们周围行驶的许多不同类型的车辆会产生空气污染、全球变暖和地球资源的枯竭。为了解决这些问题，解决方案之一是用电动车(EV)、混合动力汽车和燃料电池电动车替代传统车辆。电动和混合动力车辆使用两种类型的能源存储设备。第一种是多功能能源存储(MES)，用于存储高能量，而第二种是可充电能源存储系统(RESS)，提供高功率能力和可逆性。MES提供较高的行驶范围，而RESS具有良好的再生制动和加速系统。能源存储设备根据负载变化输出电压，而高电压的直流链接在配置能源存储组件与驱动系统时给车辆工程师带来了问题。DC-DC转换器可以用于电力传动系统中组件的接口。

汽车转换器必须轻便、小巧、可靠、高效，并产生低电磁干扰。

电动汽车的DC-DC转换器类型

在图2中，我们可以看到电动汽车中使用的不同类型的转换器。它展示了至少一个DC-DC转换器是如何将直流链接与燃料电池电池或超级电容模块接口的。电动汽车有不同的能源来源，如燃料电池和电池超级电容器。在电动车中，通常使用一个或多个能源存储设备，这减少了整体成本和体积，并提供良好的操作。常用的能源存储设备是电池和超级电容器。这些设备与燃料电池堆以不同的配置连接。正常配置是将两个模块并联连接：燃料电池或电池、燃料电池或超级电容器，或电池或超级电容器。

图2：电动车DC-DC转换器类型

在这种方法中，功率不是通过控制使用的，而是可以通过组件阻抗值来测量。阻抗依赖于效率和设备健康状况等不同参数。电压参数也必须与两个组件的规格匹配。这是一个燃料电池/电池组合的情况，燃料电池必须在整个时间内保持相同的功率，因为电池的电压是固定的。在电池或超级电容器组合的情况下，仅能利用超级电容器非常小的能量交换特性。这一切都与电池电压的恒定值有关。DC-DC转换器的输出电压可以选择，每个设备的功率都可以调节。

DC-DC转换器是一个电力转换电路，可以在不同电平之间转换能量，并在磁场和电场中储存能量。这里将讨论应用于电动车的不同类型的DC-DC转换器。

非隔离转换器

非隔离转换器用于电压以4:1的比例增大或减小的应用中。这样，输出和输入之间没有电介质隔离。非隔离转换器还有子类型：电荷泵、降压、Cuk、降压升压、降压和升压。降压用于电压降低，升压用于电压提高或升压。降压升压和Cuk转换器用于电压增减。电荷泵转换器用于电压升高和电压反转，并且是某些项目的一部分。

磁性转换器

DC-DC转换器周期性地储存能量，并在电感或变压器中以300千赫到10兆赫的频率作为磁场释放。通过稳定性，可以控制传输负载所需功率的充电占空比。

通过这些控制，可以调节输入和输出电流，并通过电路保持恒定功率。带有变压器的转换器可以提供输入和输出之间的操作。

隔离转换器

在这些转换器中，使用高频变压器。对于输出与输入完全分离的应用，使用这种转换器。隔离转换器有不同类型，如半桥、全桥、反向飞行和推挽DC-DC转换器。这些转换器可以用作双向转换器。

电动汽车DC-DC转换器的特性

对于接口，燃料电池DC-DC转换器提高燃料电池电压并调节直流链接电压。虽然需要可逆的DC-DC转换器来与超级电容器接口。设计和应用了不同类型的DC-DC转换器，具有特定的特点。但在车辆情况下，有一些考虑因素如下：

·用于车辆的转换器效率必须高。

·转换器必须体积小，重量轻。

·电磁干扰小。

·从燃料电池抽取的纹波小。

·功能必须提供电压升高或升压功能。

·转换器的功率流动调节提供输入电压的不同变化。

每种转换器类型都有其优缺点。比如，DC-DC升压转换器不具备电气隔离。输入和输出幅度的高变化会对开关造成压力，这种电路受到高电流和电压纹波的影响，并且面临高重量问题。

结论

DC-DC转换器是一种电子设备，有助于将直流电压转换为其他电平，无论是更高还是更低，以满足电路和项目的要求。它是电源的基本部分，改变电压值以操作不同需要低或高直流电压的应用。它是电动汽车的主要部分，电动汽车由提供高直流电压的电池组成。由于电动汽车组件在不同电压水平(高或低)下工作，为了维持这些组件的电压值，需要使用DC-DC转换器。DC-DC转换器已成为电动汽车和其他在不同直流电平下运行的电子项目的关键部分。