电动汽车中的 DC-DC 转换器

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为另一个电平。DC-DC 转换器属于电力转换器系列，可用于电池等小电压应用或高压电力传输等高电压应用。

当没有半导体时，将直流电压转换为低功率项目所需的高电压的常用技术是通过振动器电路将其转换为交流电压。然后，使用升压变压器来增加输出电压水平，再使用整流器电路进行直流转换。对于需要高功率的应用，采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。这些技术成本高昂且效率低下，但由于当时没有替代方法，因此被采用。

功率半导体和集成电路的发明带来了各种较便宜的解决方案，例如直流电源，其中高频交流电输入变压器。这种设备成本较低且易于操作。它改变电压，然后通过整流器再次转换为直流电。

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，转换器会存储一段时间的能量，并以不同的电平提供输出。能量以磁场的形式存储在导体变压器中，以电场的形式存储在电容器中。开关电压转换比线性电压转换更容易处理，更节能，因为线性电压转换会将功率以热量的形式耗散。需要具有快速上升和下降时间的高速半导体器件来实现效率。高速开关需要精确的布局，这使得电路创建变得困难。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使用寿命。使用 FET 可提高转换器效率，因为这些设备可以高效地执行开关过程，并且损耗比 BJT 更少。

DC-DC 转换器的其他改进包括用同步整流电路替换反激二极管，该同步整流电路带有电阻更小且可减少开关过程中损耗的功率 FET。

大多数 DC-DC 转换器的设计目的是将功率流引导到一个方向，从输入到输出。但是，所有开关稳压器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器电路，可以向任何方向传输功率。双向转换器适用于车辆再生制动等应用，在车辆行驶过程中将功率提供给车轮，在制动过程中接收功率。

与所有高频电路一样，必须采取一些措施来创建 DC-DC 转换器，例如组件选择、连接以及必须将开关噪声设置在可接受的水平。最初，创建成本高于线性稳压器，但后来由于使用最新的电路创建技术而降低。

如今，DC-DC 转换器基于 IC，需要一些额外元件。它们还存在于多种电子结构中使用的混合配置中。

DC-DC转换器特性

这里描述了转换器的主要特性。

目前评级

它是转换器能够向负载提供的电流的最高值。

温度等级

这是 DC-DC 转换器在满载工作时必须承受的最高温度值。工作温度必须按照额定值设置，否则转换器可能损坏和过热。

纹波电压

此值定义转换器输出端的纹波电压。操作时必须注意这些额定值。

额定电压

DC-DC转换器带有一些限制，这些限制决定了转换器的电压变换能力。

转换器尺寸和重量

由于开关转换器可以在较高频率下工作，因此可以设计成占用空间较小的转换器。在转换器的设计过程中，必须在电路尺寸和效率之间找到一个折衷点。

电动汽车用 DC-DC 转换器

我们周围行驶的各种类型的车辆会产生空气污染、全球变暖和地球资源枯竭。为了解决这些问题，一种解决方案是用电动汽车取代传统汽车、混合动力汽车和燃料电池电动汽车。电动和混合动力汽车使用两种类型的储能装置。第一种是 MES(多功能储能)，用于存储高能量，而第二种是可充电储能系统 (RESS)，可提供高功率能力和可逆性。MES 提供高行驶里程，RESS 具有良好的再生制动和加速系统。储能装置根据负载改变输出电压，直流链路的高电压在配置具有牵引驱动的储能组件时给车辆工程师带来了问题。DC-DC 转换器可用于连接电动动力系统中的组件。

汽车转换器必须轻便、小巧、可靠、高效、并且产生低电磁干扰。

电动汽车 DC-DC 转换器的类型

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。它显示了至少一个 DC-DC 转换器如何将 DC 链路与燃料电池或超级电容器模块连接起来。电动汽车有不同的能源，如燃料电池和电池超级电容器。在电动汽车中，使用一个或多个储能设备。这降低了总体成本和体积，并提供了良好的操作。常用的储能装置是电池和超级电容器。这些设备配置了不同配置的燃料电池堆。正常配置是两个模块并联组合的直接连接：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。在这种方法中，功率不是用于控制，而是可以通过组件阻抗值来测量。阻抗取决于不同的参数，例如效率和设备健康状况。电压参数也与两个组件的规格相匹配。这是燃料电池/电池组合的情况，由于电池的电压是固定的，因此燃料电池在整个时间内必须具有相同的功率。在电池或超级电容器组合的情况下，只能使用电容器的非常小的能量交换特性。这全都与电池电压的恒定值有关。可以选择DC-DC转换器输出电压，并可以调节每个设备的功率。由于电池电压固定，因此燃料电池必须在整个时间内具有相同的功率。在电池或超级电容器组合的情况下，只能使用电容器的非常小的能量交换特性。这完全取决于电池电压的恒定值。可以选择DC-DC转换器输出电压，并可以调节每个设备的功率。由于电池电压固定，因此燃料电池必须在整个时间内具有相同的功率。在电池或超级电容器组合的情况下，只能使用电容器的非常小的能量交换特性。这完全取决于电池电压的恒定值。可以选择DC-DC转换器输出电压，并可以调节每个设备的功率。

DC-DC 转换器是一种将能量进行不同程度的转换，并将能量储存在磁场和电场中的电源转换电路。这里将讨论应用于电动汽车的不同类型的 DC-DC 转换器。

非隔离转换器

非隔离转换器用于电压以 4:1 的比例增加或减少的应用。这样，输出和输入就没有电介质隔离。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，升压用于电压增加或升压。降压-升压和 Cuk 转换器用于电压增加和减少。电荷泵转换器用于电压升压和电压反转，是一些项目的一部分。

磁性转换器

DC-DC转换器定期储存能量，并将其作为频率值为三百千赫兹至十千兆赫兹的电感器或变压器中的磁场释放。通过稳定性，可以控制传输负载所需的电量的充电占空比。

借助该控制，可以控制输入和输出电流，并维持电路中的恒定功率。具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，使用此转换器。有不同类型的隔离转换器，例如半桥、全桥、飞桥正向和推挽式 DC-DC 转换器。这些转换器可用作双向转换器。

EV DC-DC转换器的特性

对于接口，燃料电池 DC-DC 转换器可提高燃料电池电压并调节 DC 链路电压。虽然可逆 DC-DC 转换器是连接超级电容器所必需的。有不同类型的 DC-DC 转换器，具有某些设计和应用的功能。但就车辆而言，需要考虑以下几点

· 车辆使用的转换器效率必须高

· 转换器必须体积小、重量轻

· 电磁干扰较少

· 燃料电池产生的纹波较少

· 该功能必须提供电压升高或升压功能

· 转换器功率流的调节提供了转换器输入端的不同电压变化

每种转换器类型都有其优点和缺点。例如，DC-DC 升压转换器不遵循电气隔离。输入和输出幅度的大幅变化会对开关造成压力，并且该电路会受到高电流和电压纹波的影响，并且还面临高重量问题。

简单的多通道转换器有助于减少输入和输出电流和电压纹波，从而增加电路的重量并提高效率。该电路不适用于高电压升压比，因为占空比受电路阻抗限制，导致最高升压比约为 4。因此，需要两个串联配置的升压转换器来为项目获得一定的电压增益。全桥 DC-DC 转换器用于需要电气隔离的应用。全桥 DC-DC 转换器适用于高功率传输，因为电压和电流值较低。它在输入和输出端面临较小的电压和电流纹波。

DC-DC转换器的优点

· 转换器的使用简化了电源电路

· 转换器的使用减少了电路和项目中电池的空间

· 它提供负极和正极的有组织的输出

· 直流控制电路使用此设备，电压调节器使用此模块

· 它采用混合电路，所有电路元件都位于一个结构或外壳中

· 在需要时有助于延长电压

· 该设备的主要优点是它提供电路输入侧和输出侧之间的隔离。

DC-DC转换器的缺点

· 这些转换器在运行过程中会产生噪音

· 它具有较高的纹波电流和较高的黄土和较高的输入和输出电容值

· 转换器的电路很昂贵

· 这些电路提供不稳定的电压和电流供应。

结论

DC-DC 转换器是一种电子设备，可根据电路和项目要求将直流电压转换为其他电压水平(更高或更低)。它是电源的基本组成部分，可改变电压值以运行需要低或高直流电压的不同应用。它是电动汽车的主要部件，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的电压水平(高或低)下运行，因此使用 DC-DC 转换器来维持这些组件的电压值。DC-DC 转换器已成为电动汽车和其他在不同直流水平下运行的电子项目的重要组成部分。