【《DC-DC转换器的应用研究国内外文献综述》4100字】

DC-DC转换器的应用研究国内外文献综述1.1DC/DC转换器在轻混汽车上的应用与传统汽车比较，新能源汽车有新“三大件”：电池和电池管理系统、电动机和电机控制器、电控系统。48V系统是轻混汽车电控系统中的关键单元[9]，所谓48V系统，是2011年由奥迪、戴勒姆等德国整车与零部件厂商提出的低成本节油技术方案，该方案可以视为传统12V电气系统的改进版。12V怠速启停系统基本工作原理：当车辆行驶到城市红绿灯或者拥堵路口，需要停止前行时，刹车踏板被踩下，启停系统在车速低于1km/h，使车辆自动熄火，而车辆重新启动，只需简单的松开刹车或者踩下离合器踏板[10]。此系统极大的提升了用户驾驶体验，避免了在城市道路频繁的手动启停动作。但是现在12V电气系统也面临着挑战，铅酸电池要同时为12V启停系统、汽车起动机等众多设备供电，另外，随着5G网络和无人驾驶的技术的发展，车载电子设备越来越多，例如：自动驾驶车辆中需要使用激光雷达、超声波传感器等高性能处理器来收集、理解外界信息，传统的12V电气系统已臻可用功率极限，于是，48V系统应运而生。图1-1怠速启停系统框图图1-1为48V轻混汽车的怠速启停系统简化框图。12V系统升级到48V系统后，车辆还可以具备发动机停机滑行、加速助力、定速巡航，以及越来越智能化的人车交互功能[10]。以Bosch（博世）公司2017年推出的48V入门级混动系统为例，该套系统可实现怠速启停和制动能量回收，节省燃油15%以上。12V切换到48V所需的结构性改变并不大，轻混汽车的优点在于不需要增加完全的动力总成，目前大多数厂商的做法是：通过在原来的12V电气系统上增加一条48V电气网络，主要增加的部件就是DC/DC直流转换器和锂电池等。1.2拓扑结构选择和多重多相技术介绍在轻混汽车电控系统中，能量要从48V电气网络传输到12V电气网络，必须在两者之间桥接一个直流转换器，车载DC/DC电源常用的拓扑方案主要有这几种：移相全桥PWM、移相全桥ZVS、LLC谐振变换拓扑以及多重多相拓扑[11]。移相全桥PWM拓扑在早期使用的比较广泛，可以实现较宽范围的电压调节，对输出滤波器的等效串联电阻（ESR）要求也比较低，但是脉宽调制下的硬开关损耗大，效率不高，并且变压器副边会产生电压过冲；目前市场上常见的车载电源方案采用的都是移相全桥ZVS，移相全桥ZVS转换器是在传统移相全桥基础上改进了控制方式[12]，可实现开关管零电压导通[13]，减少了开关损耗，效率得到一些提升，它的缺点是会在原边产生环流；LLC谐振拓扑从最初停留在实验室里，到现在应用在各种开关电源电路中，是因其独特的软开关结构优势，可提升转换效率，降低电磁干扰（EMI），提高电磁兼容性，但是谐振变压器制作非常复杂，漏感不容易控制。在设计车载直流转换器过程中，要以不影响转换器整体的性能为前提，来追求实现轻量化、低纹波、高功率密度的目标。传统单相转换器的输出纹波和动态响应速度随开关频率的提高而得到改善，频率越高，也可以选择尺寸更小的滤波电感和滤波电容，但是，单相转换器高频化的方式存在其局限性：开关损耗会随频率上升而增加，从而导致转换器整体效率降低。因此这种方法需要在效率和频率之间的作出取舍。而多相并联降压拓扑的出现为这个两难的问题提供了可行的解决方案。在同等功率等级下，采用N模块并联的DC/DC来供电的方式相对于单模块电源优势是明显的：更低的输出纹波；更高的功率密度；更好的电能质量，转换器的整体性能得到大幅提升。区别于前三种拓扑结构，多重多相拓扑是一种非隔离的电路方案，并联各DC/DC转换器共同接在同一个输入源与负载之间，形成多通道的电源系统，最初常见在笔记本电源电路中，现在汽车电子、航空电源系统、军用设备电源、MPPT控制器等各种电力电子设备中都有它的身影，它的基本控制原理是：多模块电源共用一个控制器，由这个控制器产生一系列频率相同而相位差为2π/N的驱动信号（N为并联相数），进而来驱动相应的DC/DC转换器[14]。图1-2多相并联结构框图1.3多重多相技术研究现状将并联的多个DC/DC转换器引入一定相移后，就构成了多重多相DC/DC转换器，多相结构下的器件众多，寄生参数也变得密集，随着并联相位增多，构建稳定的闭环控制器的难度也越高，对于多相并联DC/DC拓扑结构，国内外学者都展开了非常多的研究，总体上他们的研究围绕在：建立更精确的多相DC/DC数学模型，改进原有的电路拓扑，提出更先进的控制策略这几点上。（1）建立精确数学模型方面：美国学者DorinO.Neacsu等人在文献[15]中提出了N相并联Buck_Boost转换器的小信号模型，实现对并联各转换器的独立占空比控制，考虑了元件寄生参数等非理想条件，所建立的模型更加准确。在文献[16]中,加拿大的PeterAzer等人在2020年提出将广义状态空间模型（GSSAM）应用在多相并联Buck_Boost变换器中，把多相DC/DC的状态微分方程通过傅里叶级数展开和欧拉变换后建立了GSSAM模型，该模型是一种大信号模型，可预测大信号扰动（例如负载变化、输入波动）下的各相位电流电压变化，并实现任意相并联正常工作范围内的最大效率。（2）改进电路拓扑方面：针对传统Buck转换器可调占空比范围小，功率开关管电压电流应力大的问题，文献[17]设计了两相并联Buck直流转换器，两相并联电路各自串联一个独立电容器，文中对比了三种不同拓扑结构的电压增益，结论表明两相改进拓扑Buck转换器效率更高，电流纹波更低，功率开关管与续流二极管的的电压应力也更小。伊朗的MozhganAmiri等人在文献[18]中提出了一种高降压比的多相并联DC/DC转换器，通过在四相并联降压转换器中添加串联电容器和变压器，实现了拓宽占空比调节范围、钳制开关管和二极管两端的电压应力的效果，此外，纹波电流仅为输出电流的0.3%，开关管可在软开关条件下打开，提升了设计转换器的整体效率。（3）改进控制策略方面：在文献[19]中，俄国的SergeyV.Klassen等人设计了基于数字控制策略的十相并联直流转换器，他在主从设置法的基础上，利用CAN协议数字通讯促使硬件电路自动选择主模块，进而实现十相并联均流，通过仿真和实验验证均流控制效果较好。以混合动力汽车电池系统为应用背景，加拿大的D.Schumacher等人采用平均电流控制策略（AVGCCM）实现六相并联DC/DC转换器均流控制，文中提到：“各相位不均流的原因之一是由于采样时间设置不正确，由于并联的相位有相移，在每个时间点，各相中的电流也将不同，对于采样时间的设置也应该在不同时刻进行”[20]。对多重多相技术的研究，国内一些研究围绕在改进控制策略方面，也取得也不少进展：针对多相并联转换器以模拟电路方式难以实现精确移相的问题，文献[21]提出基于DSP数字PID控制的平均电流控制策略，实现在低输出电压1.8V时，电压纹波峰峰值为6.69mV，最大负载电流18A，但三相样机在全负载范围内同时工作时，开关管造成的损耗大。为提升DC/DC转换器的控制精度和稳定性。文献[22]采用了多相并联技术，基于STM32数字控制器，结合单神经元自适应PID控制算法，提升了并联转换器动态响应速度，输出纹波电压减小到0.2V以下，但只实现了单电压外环控制。为解决多相并联双向DC/DC转换器在宽占空比范围实现自动均流的问题，文献[23]提出了一种移相控制策略，拓宽了多相转换器自动均流范围，提升了系统稳态电压增益，但是当样机运行在大电流场合下，功率开关器件的通态损耗会偏大，效率还有待提高。1.4DC/DC转换器的发展趋势参阅国内外文献，发现当前在DC/DC转换器领域，各项研究主要集中的方向是：同步整流技术、数字化技术、多电平技术、磁集成技术以及软开关技术，以下将对这几种技术作简要介绍和概述。（1）同步整流技术由于开关管的通态内阻极低，同步整流技术中利用开关管取代了原来的二极管，因此，DC/DC转换器整流时，损耗降低很多，效率得到提升[24]；（2）数字化控制技术数字化控制的DC/DC转换器中，通过DSP、ARM或者FPGA等数字控制器来构建的硬件控制系统，由集成芯片代替原来的模拟元件产生驱动信号。数字控制技术的优势在于：在整体硬件电路无需作过大调整下，通过烧写进不同的程序就可实现不同的控制策略[25]，灵活度非常高。尤其随着21世纪“三大智能算法”的兴起，基于数字控制策略的转换器往往具有更好的性能，数字化是DC/DC转换器未来一个重要的发展方向；（3）多电平技术多电平技术主要为处理大功率场合下，常规功率器件耐压不足的问题，此技术可以有效减小功率器件的dv/dt（单位时间电压变化率），减少转换器输出电压纹波，提高DC/DC转换器的输出电压等级[26]。（4）磁集成技术通过磁集成技术，可以通过一定耦合方式、合理的参数设计将电力电子中分散的磁性元件（例如电感、变压器等）封装为单个整体，这种技术减小磁性元件的尺寸和数量，降低磁元件的损耗，减少成本的同时提升了直流转换器的效率[27]。（5）软开关技术。由于DC/DC转换器频率设计的较高时，硬开关下的开关管通断会产生较大损耗，而且电压电流重叠的现象，导致明显的开关噪声。通过在电路中增加电感、电容等谐振元件，实现零电压（ZVS）和零电流（ZCS）通断[28]，软开关技术可以降低损耗、减少电子设备EMI，当前软开关技术的研究主要为在全功率范围内实现ZVS、ZCS。参考文献李响.基于DSP控制的两相交错并联双向DC-DC变换器研究[D].湖北工业大学,2016.郑山.交错并联型双向DC-DC变换器的研究与设计[D].武汉理工大学,2015.刘朝全,姜学峰,戴家权,等.疫情促变局转型谋发展——2020年国内外油气行业发展概述及2021年展望[J].国际石油经济,2021,29(1):28-37.李凯.混合动力汽车现状分析[J].汽车实用技术,2018,273(18):40-42.巩若琳,李文琦.《中国制造2025》背景下新能源汽车产业发展现状及前景研究[J].商讯,2020,200(10):23-24.康小平,赵丽,刘斌.我国新能源汽车的发展现状[J].内蒙古科技与经济,2017,394(24):15-16.彭华.中国新能源汽车产业发展及空间布局研究[D].吉林大学,2019.杨仕清.混合动力汽车发展的必要性及关键技术分析[J].汽车实用技术,2021,46(2):210-212.郎林,张海滨,钱兆.48V混合动力汽车经济性分析与优化研究[J].车辆与动力技术,2020,160(4):34-38.李油成.汽车怠速启停系统的研究[J].汽车工程师,2020,277(5):41-44.邱慧,蔡群英.车载充电机拓扑结构对比[J].电子技术与软件工程,2017,106(8):244-245.许章茁,潘健.移相全桥ZVS直流变换器研究综述[J].电源学报:1-27.朱栋.数字式ZVS移相全桥电动汽车充电器[D].天津大学,2012.王正国,罗乾超,刁元均.DC/DC变换器交错并联技术研究[J].通信电源技术,2006(5):3-4.NeacsuDO,BonniceW,HolmanskyE.OntheSmall-signalModelingofParallel/interleavedBuck/boostConverters[C]//2010IeeeInternationalSymposiumonIndustrialElectronics:Ieee,2010:2708-2713.AzerP,EmadiA.GeneralizedStateSpaceAverageModelforMulti-phaseInterleavedBuck,BoostandBuck-boostDc-dcConverters:Transient,Steady-stateandSwitchingDynamics[J].IeeeAccess,2020,8:77735-77745.EstekiM,PooraliB,AdibE,etal.InterleavedBuckConverterwithContinuousInputCurrent,ExtremelyLowOutputCurrentRipple,LowSwitchingLosses,andImprovedStep-downConversion