DC-DC变换系统在电动汽车电驱动中的应用

时间：2023-10-06 理论教育 版权反馈

【摘要】：DC-DC变换系统在传统汽车上有着广泛的应用，如起动机、车辆照明系统、车载音响、导航系统等一些设备需要直流稳压供电，同样该装置对于电动车辆来说更是不可缺少。燃料电池轿车要求DC-DC转换器体积小、质量轻、效率高等性能，采用非隔离式、硬开关型的DC-DC降压电路。因此，对DC-DC转换器中的电磁干扰加以分析，在DC-DC转换器研发阶段具有非常重要的意义。

DC-DC变换系统在传统汽车上有着广泛的应用，如起动机、车辆照明系统、车载音响、导航系统等一些设备需要直流稳压供电，同样该装置对于电动车辆来说更是不可缺少。在电动车辆上除了传统车辆上所需要DC-DC设备以外，它们都从随车的能源中获得高压直流电能，通过电动机及其调速控制系统驱动车辆运行，还通过DC-DC转换器将高压直流电变成24V或12V低压直流电，供给车辆控制系统使用，并给低压蓄电池组充电。

在电动汽车动力系统中，以燃料电池车为例，大功率DC-DC转换器是一个重要的组成部分。在整个动力系统中DC-DC转换器的位置大体如图8-19所示。

图8-19 动力系统中DC-DC转换器的位置

燃料电池的输出特性偏软，难以直接与电机驱动器匹配，故须采用DC-DC转换器改善其输出特性。燃料电池轿车要求DC-DC转换器体积小、质量轻、效率高等性能，采用非隔离式、硬开关型的DC-DC降压电路。在DC-DC转换器中，既涉及大功率、大电流的电力、电子等强电设备，又涉及小功率、小电流的微电子器件等弱电设备，强电设备运行中产生的电磁干扰对弱电设备的正常运行构成了很大的威胁。因此，对DC-DC转换器中的电磁干扰加以分析，在DC-DC转换器研发阶段具有非常重要的意义。

1.DC-DC转换器降压型主电路分析

图8-20 非隔离式、硬开关型的DC-DC转换器

U_in—燃料电池的输出电压 U_out—输出端电压L—电路的降压电感 VT—开关管IGBT VD—续流二极管 C—输出端的滤波电容

图8-20所示为非隔离式、硬开关型的DC-DC转换器降压电路。该电路可以改善燃料电池偏软的输出特性，还能防止后续电路对燃料电池的能量反馈，从而明显改善燃料电池和整车的动力性能。

在t=t_on时VT开通，图8-20中的电流i_s=i₁，流过电感线圈L，电流线性增加，在负载R上流过电流I_o，两端输出电压U_out极性上正下负。当i_s＜I_o时，电容在充电状态，这时VD承受反向电压；当t=t_off时，VT关断，由于线圈中的磁场将改变线圈L两端的电压极性，以保持其电流i_L不变。负载R两端电压仍是上正下负。在i_s＜I_o时，电容处在放电状态，有利于维持I_o、U_out不变，这时VD承受正向偏压，为电流i_L构成通路。

2.DC-DC转换器的电磁干扰分析

通过对降压DC-DC转换器主电路的分析可知，电路开关过程中产生很大的与，从而形成较强的电磁干扰，这种干扰通过输入、输出电源线以共模或差模的形式向外传导，同时还向周围空间辐射。

（1）功率开关管的电压、电流尖峰干扰(www.daowen.com)

VT导通时，开关管流过电流i_s，由于电路存在漏感，开关管关断瞬间，电路将在漏感上产生一个极大的感应电压U_p以阻碍电流的突变，该电压将以浪涌电压的形式加在VT上，产生电压尖峰，如图8-21所示。当开关器件在很高的电压下开通时，储存在开关器件电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。频率越高，开通电流尖峰越大，从而会引起器件过热损坏。另外，二极管由导通变为截止时存在着反向恢复期，开关管在此期间内的开通动作易产生很大的冲击电流。频率越高，该冲击电流越大，对器件的安全运行造成危害。

（2）输入、输出传输线与其他传输线间的电容性耦合和电感性耦合引起的干扰

图8-21 开关管关断等效图

转换器工作过程中，开关管两端存在很高的与 ,由于电压变化率和寄生电容之间的耦合影响，产生节点漏电流。该耦合电容电流可能和线路电感之间产生振荡，并且导线间以及导线与地之间存在分布电容，很容易引起传输线、屏蔽线等之间的电容性耦合串扰；导线之间、外壳间封闭电路的存在，容易引起传输线之间电感性耦合，干扰变换器中的敏感元器件。

（3）功率二极管VT引起的干扰

转换器中二极管由导通转变为截止时，由于关断的时间很短，容易产生反向电流的浪涌。二极管的关断波形如图8-22所示。假设t₁时刻前，VD中流过的电流为i_b1，二极管承受正向导通压降ΔU。在t₁时刻，VD开始关断，流过二极管的电流开始减小；到t₂时刻，i_b1=0，然后反向并增加；t₃时刻达负的电流峰值I_rr，然后i_b1的绝对值迅速减少，i_b1的突变在线路电感上产生一个很高的感应电势，加到VT上，VT上产生电压脉冲；t₄时刻，VD的反向恢复电流由I_rr下降为零。由于反向恢复电流很快降到零，故很大，该电流流过由L、VD和输出电容C组成的回路，该电流环路将向周围空间辐射高频电磁波，干扰敏感元器件。由于直流输出线路上存在分布电容和电感，高频浪涌电流流过产生高频衰减振荡，对直流输出端形成差模干扰。