如何为现代电动汽车设计双向降压-升压转换器

随着现代汽车电气系统的激增，EV（电动汽车）/HEV（混合动力电动汽车）的传统 12 V 电气系统在压力下嘎吱作响。

12V 系统中相对较低的电压导致需要大量布线的高电流，这既昂贵又笨重，并且难以穿过现代电动汽车的狭小空间，并影响车辆的效率。为了解决这个问题，汽车制造商逐渐推出了 48V 系统，该系统可提供更高的功率，同时降低布线机的重量和成本。

但是，由于车辆中使用的传统 12 V 产品数量众多，短期内切换到单个 48 V 系统是不切实际的。解决方案是将 12 V 和 48 V 系统一起运行，每个系统都有自己的电池。如果为每个系统使用单独的 DC-DC 转换器，管理这些不同电压系统的电源和充电可能会很复杂。双向 DC-DC 转换器的引入——可以充当 12 和 48 V 系统之间的桥梁——简化了设计，降低了成本，并鼓励在低价汽车中采用。

设计：

在典型的电动汽车架构中，低功率应用可连接到 12V 侧，而高功率应用（通常需要电机和加热元件）连接到 48V。双向 DC-DC 转换器是这些混合电压系统的核心，可桥接两种电压。这个重要的子系统既是一个降压（“降压”）和升压（“升压”）转换器，允许从另一个电池充电（图 1）。

双向方法允许将相同的外部组件（包括电感器和电容器等无源器件）用于升压和降压转换。结果，减小了尺寸和重量，从而提高了车辆的效率/续航里程并降低了制造成本。双向 DC-DC 转换器还可以结合来自两个系统的能量，以在电流消耗最大时提供尽可能多的电力，例如在启动车辆时。

图 1：混合 48V/12V 系统通常根据功率要求进行分段

双向 DC-DC 转换器根据输入和输出之间的电流隔离分为两种类型：非隔离式和隔离式双向 DC-DC 转换器。汽车系统几乎不需要电流隔离，因为所有电压都是分离的超低电压 (SELV)，这是选择 48V 的部分原因。因此双向 DC-DC 往往是非隔离的，以避免变压器的重量和成本。因此，非隔离式多器件交错式双向 DC-DC 转换器 (MDIBC) 是一种常见的解决方案。

12V 电源来自密封铅酸电池，而 48V 电源可以是电池或超级电容器 (SC)，或者通常是两者的组合，从而能够在需要时提供峰值电流。

图 2：多器件交错式双向 DC-DC 转换器 (MDIBC) 原理图

图 2 所示的 MDIBC 的多相方法依赖于交错的栅极驱动信号，从而降低了输入纹波。事实上，可以在不增加无源元件的价值（因此，尺寸和成本）的情况下实现可接受的输入和输出纹波水平。使用宽带隙 (WBG) 半导体的趋势是允许提高工作频率，从而减小无源元件的尺寸。

与许多传统拓扑不同，MDIBC 与控制电路、热管理和直流链路电容器具有共性，所有这些都增加了整体可靠性。允许电力双向流动的能力意味着它可以适应再生制动等系统，将电力返回给电池并提高车辆的整体效率和续航里程。

审核编辑 ：李倩