車載電源轉換模塊拓撲研究與設計

收稿日期：2024-01-24

*基金項目：廣東省重點領域研發計劃項目（2020B0909030003）。

作者簡介

費?。?986—），碩士，工程師，主要從事新能源領域車載電源系統方面的研究與產品開發工作。

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【摘 要】隨著車載電源轉換模塊（VPCM）對功率因數、輸入電流諧波、輸出電壓紋波、轉換效率、EMC等性能的要求越來越高，選擇合理、高效的拓撲結構至關重要。文章在研究現有拓撲結構的基礎上，設計一款6.6kW功率等級的車載電源轉換模塊，其中前級PFC電路采用Dual-Boost拓撲結構，滿足高效率、高功率密度無橋PFC的要求；后級高頻隔離DC-DC變換器電路采用基于數字化控制的LLC諧振拓撲，滿足其對轉換效率和輸出電壓紋波的要求。

【關鍵詞】車載電源；拓撲；Dual-Boost

中圖分類號：U463.63 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）07-0005-04

Research and Design on Topology of Vehicle Power Conversion Module*

FEI Chen1，JI Jing1，LI Wenting2

（1.Research and Development Center of Chery New Energy Vehicle Co.，Ltd.，Wuhu 241002；

2.School of Integrated Circuit，Anhui University of Engineering，Wuhu 241000，China）

【Abstract】With the increasing demand for power factor，input current harmonics，output voltage ripple，conversion efficiency，EMC and other performance of vehicle power conversion modules（VPCM），it is crucial to choose a reasonable and efficient topology structure. On the basis of studying the existing topology structure，this article designs a 6.6kW power level vehicle power conversion module. The front stage PFC circuit adopts a Dual Boost topology structure，which meets the requirements of high efficiency and high power density bridgeless PFC；The rear stage high-frequency isolated DC-DC converter circuit adopts a LLC resonant topology based on digital control，which meets its requirements for conversion efficiency and output voltage ripple.

【Key words】vehicle mounted power supply；topology；Dual-Boost

隨著國內燃油車保有量持續增加，燃油車尾氣排放對環境的污染也越來越大，尤其在涉及環境空氣質量、大氣層臭氧等溫室氣體含量方面，日益成為全球性空氣污染的重要來源。然而，新能源電動車相較于燃油車，在“新三化”（電動化、網聯化、智能化）方面具有自身獨特的優勢，加速新能源電動車產業發展及推廣，已成為全社會普遍共識。長遠來看，作為車載充電系統的重要組成部分，設計開發一款經濟、高效、穩定的車載電源轉換模塊VPCM，對解決用戶充電焦慮，提升用戶充電體驗和整車能耗等方面都具有重大意義。

車載電源轉換模塊VPCM的工作原理是將電網輸出的工頻50Hz交流電能，通過整流成高壓直流電，再輸出給高頻DC-DC變換器，根據電池管理控制器BMS需求，轉換成匹配動力電池需求的高壓直流電。在電動車續航里程和充電要求提高的背景下，目前主流電動汽車車載電源轉換模塊的功率已逐漸由3.3kW（單相）提升至6.6kW（單相），部分高端車載產品甚至已提升至11kW（三相）或22kW（三相）。不同功率等級的VPCM產品如圖1所示。

1 車載電源轉換模塊系統架構

車載電源轉換模塊VPCM的功能是給電動車動力電池充電，并具備與整車控制系統VCU、電池管理系統BMS等關聯控制器通信功能。其電氣架構包括主功率電路（包含EMI電路、軟啟動電路、PFC、DC-DC、直流負載等）和低壓控制電路（包含低壓輔源、PFC控制電路、DC-DC控制電路、通信電路等）兩大部分。圖2為車載電源轉換模塊系統架構框圖。

2 車載電源轉換模塊拓撲分析

目前，行業內常用的車載電源轉換模塊VPCM拓撲結構主要分為兩種：單級式和兩級式。其中，單級式拓撲電路結構簡單，沒有采用高頻變壓器，輸出功率和充電效率也相對較低，且為非電氣隔離，存在一定安全隱患；兩級式拓撲，相較于單級式拓撲，其優點在于可以通過濾波整形，有效濾除交流輸入電流中存在的高頻諧波含量及諧波干擾，同時兩級DC-DC變換電路又可以實現電氣隔離和電壓變換，在保證電氣安全的同時，根據直流負載實際需求，持續為后級提供穩定、可靠的直流功率輸出。

2.1 前級PFC電路拓撲

Boost PFC典型電路主要分為單路Boost PFC、交錯并聯Boost PFC、無橋Boost PFC和無橋交錯并聯Boost PFC這4種拓撲形式[1]。綜合來看，Boost PFC電路結構簡單，功率因數較高（可達0.99以上），對后級LLC電路而言，可以穩定輸出380～400V左右的直流電壓。針對6.6kW功率等級的車載電源轉換模塊VPCM前級PFC電路選型設計，可從拓撲復雜度、控制魯棒性及成本等綜合考慮，擬采用無橋Boost PFC電路進行開發設計。

2.1.1 單路Boost PFC電路

單路Boost PFC電路的典型特征是具有連續的輸入電流iac，拓撲相對成熟穩定，通過對交流輸入電壓與交流輸出電壓進行調節控制，保證兩者的相位及波形基本一致，從而達到改善高頻諧波干擾，提高系統功率因數等作用。單路Boost PFC電路的缺點是PFC電感上的紋波電流較大，功率越大，開關管導通損耗就越大（散熱要求高），導通損耗與功率成正比。較大的導通損耗直接影響電源效率，該電路主要適用小功率開關電源應用場景。單路Boost PFC電路拓撲結構如圖3所示。

2.1.2 交錯并聯Boost PFC電路

通過對單路Boost PFC電路進行優化設計，達到抑制改善輸入電流紋波的效果，交錯并聯Boost PFC電路[2]應運而生。其典型特征是通過交錯并聯的電路結構，利用2個相位相反的開關管驅動波形，使得2個支路PFC電感中的電流紋波進行一定程度的抵消。采用這種方法，不僅可以起到降低輸入/輸出電流紋波的效果，同時也有利于PFC電感及前級EMI濾波電路小型化應用。然而，由于交錯并聯Boost PFC電路（圖4）采用的功率器件數量較多，成本較高，控制方法也相對復雜，該電路主要適用于功率等級較高，但對效率要求不高的開關電源應用場景。

2.1.3 無橋Boost PFC電路

常見的無橋Boost PFC電路主要分為3種：基礎型Boost PFC、Dual-Boost PFC和圖騰柱Boost PFC（圖5）。當無橋Boost PFC電路工作時，其導通回路上僅需要一個功率管和一個二極管處于導通狀態即可，與傳統Boost PFC電路相比，無橋Boost PFC電路中沒有采用整流橋，極大地改善了電路結構，減少了導通回路中功率器件的數量，具有損耗低、效率高的顯著特征。根據交流市電（Vac）正/負半周波形的典型特征，Dual-Boost PFC電路[3]工作原理如下。

1）當交流市電（Vac）處于正半周期時，PFC電感L1、L2和功率開關管S1、續流管D1組成Boost升壓電路。當驅動信號控制功率開關管S1導通時，PFC電感L1和L2上的電流逐漸增加，儲存能量；當驅動信號控制功率開關管S1斷開時，電流通過續流管D1向負載R提供能量，此時，PFC電感L1和L2向輸出濾波電容C釋放儲存的能量，使得輸出濾波電容C兩端電壓上升。在正半周期中，功率開關管S2處于續流狀態，根據功率開關管S2的驅動信號，可以判斷電流的流通路徑是流過功率開關管S2的溝道，還是體二極管。

2）同理，當交流市電（Vac）處于負半周期時，PFC電感L1、L2和功率開關管S2、續流管D2組成Boost升壓電路，當驅動信號控制功率開關管S2導通時，PFC電感L1和L2上的電流逐漸增加，儲存能量；當驅動信號控制功率開關管S2斷開時，PFC電感上的電流通過續流管D2向負載供能，PFC電感L1和L2向輸出濾波電容C釋放儲存的能量，使得輸出濾波電容C兩端電壓上升；在負半周期中，功率開關管S1處于續流狀態，當交流輸入電壓交替出現正/負半周期性變化時，輸出濾波電容C通過持續的續流與儲能，產生高于交流市電（Vac）的輸出電壓。

圖騰柱Boost PFC電路中，二極管D1和D2為工頻慢恢復二極管，當交流輸入市電（Vac）處于正半周期時，負載R的地通過二極管D2與交流輸入端的N線相連；當交流輸入市電（Vac）處于負半周期時，負載R的地通過二極管D1與交流輸入端的N線相連，此過程中電路共模噪聲較小。圖騰柱Boost PFC電路一般有3種模式：連續導通模式、臨界導通模式和斷續導通模式，考慮抑制PFC電感電流紋波的能力，其應用功率等級受到一定限制，同時，在圖騰柱Boost PFC電路中，由于功率開關管S1和S2的驅動信號不同，進一步增加了驅動電路設計復雜程度。

2.1.4 無橋交錯并聯Boost PFC電路

無橋交錯并聯Boost PFC電路見圖6，2個Boost變換器都工作在斷續導通模式，每個Boost變換器對應的功率開關管S1和S2驅動脈寬信號（PWM）保持一致，但相位角θ相差180°，因此，功率開關管S1的開關周期超前功率開關管S2約1/2個周期。從無橋交錯并聯Boost PFC電路[4]電流波形圖可以看出，雖然每一相Boost變換器都工作在斷續導通模式下，但是PFC電路保持了連續的輸入電流iin，不僅起到了減小輸入電流紋波，降低輸入電流高頻分量的作用，同時，也對改善諧波畸變率THD起到了積極作用。為了使輸入電流iin的平均值接近其峰值，可以通過減少前級EMI濾波器的尺寸，減小每一個Boost變換器對應的功率開關管S1和S2的電流，進一步降低了開關導通損耗，提升有功功率的輸出，但受到交錯并聯拓撲結構和控制復雜度的影響，其應用場景具有一定的局限性。

綜上，對上述4種前級PFC電路拓撲結構進行了研究分析（表1）。從拓撲結構、功率等級、驅動電路、效率等維度考慮，本文采用Dual-Boost PFC變換器作為前級PFC電路進行高效率、高功率密度的無橋PFC電路設計。

2.2 后級高頻隔離DC-DC變換器的拓撲

車載電源轉換模塊常用的DC-DC變換器主要分為3種：移相全橋變換器、LLC諧振變換器和混合式DC-DC變換器[4]。

2.2.1 移相全橋變換器

移相全橋變換器作為類BUCK拓撲，其工作原理主要是利用變壓器中的漏電感與功率開關管內寄生電容之間的諧振關系，讓原邊開關管實現ZVS[5]，提升轉換效率，保證變壓器副邊可以實現大電流輸出；與普通對稱開關的全橋電路不同，移相全橋變換器分為超前橋臂和滯后橋臂，超前橋臂容易實現ZVS，滯后臂要實現ZVS則比較困難，兩組半橋通過調整超前與滯后橋臂之間的相位差調節輸出電壓，實現閉環控制。

2.2.2 LLC諧振變換器

根據逆變電路結構和適用場景不同，LLC諧振變換器主要分為兩種：半橋LLC變換器和全橋LLC變換器。其中，半橋LLC諧振變換器由半橋逆變器和諧振電感組成，采用全波整流電路，僅需要2個開關管，能夠降低開關損耗，實現零電壓開關；半橋LLC諧振變換器使用的功率器件數量少，在適度考慮功率器件電壓應力及低功率應用場景下，半橋LLC是一種轉換效率比較高的諧振變換器。全橋LLC諧振變換器[6-7]（圖7）由全橋逆變器和諧振電感組成，功率器件開關應力僅為半橋LLC諧振變換器的一半，其諧振腔主要由諧振電感Lr、勵磁電感Lm和諧振電容Cr組成，其工作模態不僅取決于諧振變換器的工作狀態，還與工作頻率和負載相關；勵磁電感Lm則根據諧振腔工作模態決定是否參與諧振；通過提高開關頻率、減小無源器件尺寸等方法，有助于提升LLC諧振變換器[8]的功率密度，是一種適用于高功率、寬輸出電壓范圍等場景的諧振變換器。

2.2.3 混合式DC-DC變換器

半橋LLC變換器具有功率密度高、電壓增益靈活、ZVS等特點，移相全橋變換器具有拓撲成熟、效率高等特點，通過將兩種變換器的特點進行集成，可以得到另一種變換器，即混合式DC-DC變換器，主要分為串聯式和并聯式兩種；其中，半橋LLC諧振變換器利用諧振電路的特性來實現高效率的電力轉換，并且在不同的負載條件下自動調節諧振頻率，保證全負載范圍內主功率MOS管都能實現零電壓開關；移相全橋變換器通過精確控制功率開關管的開關時序，結合變壓器和電感電容自身特性，實現高效且穩定的電能轉換。因此，結合半橋LLC變換器和移相全橋變換器[8-9]的典型特征，混合DC-DC變換器輸出電壓范圍更寬，保證從輕載到滿載的寬載范圍內工作效率大于95%。

綜上，3種后級DCDC變換器對比分析見表2。從ZVS、軟開關控制、開關損耗、效率等維度考慮，后級高頻隔離DC-DC變換器電路采用基于數字化控制的LLC諧振拓撲[10]，滿足其對轉換效率和輸出電壓紋波的要求。

3 結論

本文設計的6.6kW功率等級車載電源轉換模塊拓撲方案，前級PFC電路采用Dual-Boost拓撲結構，后級高頻隔離DC-DC變換器電路采用基于數字化控制的LLC諧振拓撲。研究結果表明，前級PFC電路主要用于調節交流輸入電流Iac與輸入電壓Vac的相位和頻率相同，提高系統功率因數φ，有效抑制交流側高頻諧波干擾，通過整流濾波后，為后級負載電路提供符合設計要求的直流電；后級高頻隔離DC-DC變換器實現輸入/輸出之間的電氣隔離，并通過對電流環/電壓環雙閉環反饋控制[11]，為動力電池提供一個低紋波、寬范圍且穩定的直流電壓Vbat，分階段完成對動力電池的充電。與傳統的開關電源拓撲相比，本文設計的車載電源拓撲方案，可以在相同的頻率范圍內，實現更高的輸出電壓增益，較窄的開關工作范圍使得變換器的效率更高，在全負載范圍內，平均效率可達95%以上。同時，具有效率高、功耗小、魯棒性高、成本低等特點，整體拓撲方案符合設計預期。

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（編輯 凌 波）