EV技术介绍 10 - DCDC Converter

1. 什么是DCDC？

DCDC, Direct current to direct current, 直流转化为直流的简称；在电动汽车中，没有传统的发动机，动力依靠高压电池包，其电压范围400~800V，而汽车电子的额定工作电压都是12V，电压范围是 9~16V；如果直接连接电池包，就会损毁低压部分用电设备；就需要依据不同负载的要求，做电压转换，以适应其电气应用；直流的升压、降压可以通过DCDC技术实现，所以才配置了DCDC converter（转换器）；比如，我们之前讲过的自动驾驶系统，也是12V，在电动汽车上，得需要电压转换设备，能够提供相应的电压；

图1 电动汽车电气图（箭头指出两种DCDC应用场景）

电动汽车充电时，电网电压是220VAC（单相）或者380VAC（三相），需要将AC转化为DC，但是电池包的电压是固定值，需要将转化完的DC值匹配电池电压，这个部分也是需要DCDC做升压来充电池的电（这个部分参考OBC，大部分OBC都集成了这个功能）；另外一部分，就是高压电池包需要给普通用电器提供12V电压，就需要从PACK到用电器之间，有一个DCDC（降压），将电压降到12V/48V; 同时，可以为车上的小电池充电，保证电气负载正常工作。

2. DCDC的工作原理及类型

1）工作原理

在讲DCDC工作原理之前，先明白一个基本的概念，PWM，Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制技术，啥是PWM？和DCDC有什么关系呢？

图2 PMW示意图
如图示，假定一个直流电压V1输入，经过左下角的电路输出，中间是开关S1，开关S1以一定频率开关，然后经过后面的电容滤波，输出电压；右边的图来看，如果一周周期T内开关频率不同，会得到不同的电压，开半个周期、开1/4周期即可获得相应的输出电压V1/2、V1/4；这种调制波形宽度的方式，就是PWM。而DCDC中最核心的技术就是PWM。

图3 Buck DCDC 举例

如图，左侧是电压输入Ui，右侧是输出Uo，S是开关管子，中间是二极管D（单向导通）和电感器L（储存能量），输出电容C（滤波），最后得到输出电压；工作过程如下：S管子导通，此时因为二极管阻碍，电流给电感充电，形成充电电压Ui；S管子关闭，此时二极管、电感形成回路，回路电压等于电感充电电压Ui；可以控制一个周期T内，开关管子S的频率f=1/t，就可以调制输出电压Uo，通过电容器滤波，得到相应的电压 Uo = Ui*t/T (其中t/T有个形象的名字，占空比)，这就是一个典型DCDC的工作原理。

2）典型的拓扑结构

我们上面原理只是分析了一种Buck电路，属于直流降压的一种；DCDC还有众多电路拓扑结构，按照用途可以分成降压DCDC、升压DCDC和升降压DCDC；

图4 不同类型的DCDC拓扑结构

如图所示，主要有：

（1）Buck电路，降压电路，可以将输入高压变成输出的低电压；

（2）Boost、sepic电路，升压电路，可以将输入电压升高；

（3）Flyback，cuk电路，升降压电路，可以自由配置升压、降压；

3）隔离 VS 不隔离 Isolation

上面举的例子，输入端和输出端之间是直连的，这类的DCDC叫做非隔离DCDC；如果中间通过变压器隔离，输入端和输出端不直接连接，这类就叫做隔离DCDC；因为电动汽车的高压和低压部分差距很大，有电力使用安全问题，所以一般都采用隔离的DCDC，有效地将低压端和高压端进行隔离，保证用电安全；一般隔离的主要方案用的是变压器，有没有人奇怪？为什么用变压器呢？直接通过变压器变电不是更好?

图5 变压器工作原理

变压器是交流电的典型工具，但是在直流电上就不好用了；究其本质，变压器之所以变压，是可以把交变电流产生的磁场通过磁通传递，然后在次级感应出相关的电压；直流不能产生交变磁场，那怎么处理呢？就采用了DCDC的斩波技术，将直流转化为方波，然后通过变压器传递；

1. high voltage side 高压侧 2. high voltage battery 高压电 400V 3. primary side full bridge converter 初级侧全桥转换器 4. isolated driver 隔离驱动器 5. transformer 变压器（中间红框）6. secondary side synchronous rectification 次级侧同步整流 7. control circuit 控制电路 8. transistor output photocoupler 晶体管输出光电耦合器

图6 隔离Bulk电路（全桥）

隔离的DCDC主要分成了高压侧、低压侧和控制电路；高压侧输入400VDC电压，初级采用全桥电路（full bridge），通过控制电路对4个管子进行开、关操作（1，4一对，2，3一对，交替打开每对开关即可获得方波），获得方波输出，经过变压器的变压，获得相应比例的方波到次级；次级采用同步整流方案（synchronous Rectification），把变压器的正负方波，进行反转，形成正方波输出，通过经过Buck电路，进行降压，获得期待的直流电压。

图7 隔离Bulk电路（全桥）各个部分解释

3. DCDC产品案例

因为DCDC在电动车上是一个能量转化装置，其最重要的指标是转换效率和功率，一般功率在1~5Kw，转换效率高达95%~99%。

图8 Tesla Model S GEN2 DC-DC Converter

图9 Tesla Model S GEN2 DC-DC Converter