一款48V八相交錯(cuò)并聯(lián)Buck/Boost變換器的設(shè)計(jì)與分析①

甘崇劍

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海 201804)

0 引 言

為了有效緩解能源短缺和環(huán)境污染的壓力，我國(guó)法規(guī)要求到2020年乘用車平均燃料消耗量降至5.0升/百公里以下。由于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)很難滿足此要求，促使48V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)成為行業(yè)研究熱點(diǎn)之一[1]。

1 八相交錯(cuò)并聯(lián)Buck/Boost變換器說(shuō)明

根據(jù)48V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)的規(guī)劃，整車會(huì)采用一個(gè)48V發(fā)電機(jī)，而取消了傳統(tǒng)12V發(fā)電設(shè)備。通過(guò)48V雙向DC/DC變換器連接48V電源系統(tǒng)和12V電源系統(tǒng)，并在兩個(gè)電源系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。圖1顯示了一款48V雙向DC/DC變換器在整車中的連接示意圖。

圖1 48V雙向DC/DC變換器整車連接示意圖

為了滿足某整車企業(yè)提出的實(shí)際應(yīng)用要求，采用八相交錯(cuò)并聯(lián)Buck/Boost的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款48V雙向DC/DC變換器。它包含八個(gè)單相Buck/Boost電路，每相與傳統(tǒng)Buck/Boost變換器的工作原理相同，差別在于相鄰的兩相Buck/Boost電路存在45°相位差。

2 八相交錯(cuò)并聯(lián)Buck/Boost變換器的設(shè)計(jì)與分析

2.1 硬件原理及參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)多相交錯(cuò)并聯(lián)Buck/Boost變換器工作原理及設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)完成硬件原理框圖如圖2所示。硬件原理框圖主要包括如下幾個(gè)模塊：

1) 八相交錯(cuò)并聯(lián)雙向Buck/Boost電路模塊；

2) 功率電源濾波及保護(hù)模塊；

3) 控制器電源及CAN網(wǎng)絡(luò)通信模塊；

4) 風(fēng)扇控制及其它模塊；

由于Buck/Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下降壓(Buck)模式和升壓(Boost)模式具有對(duì)稱性，現(xiàn)采用降壓模式對(duì)Buck/Boost電路進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)分析。

(1) 儲(chǔ)能電感參數(shù)設(shè)計(jì)

理想情況下單相Buck/Boost電路的儲(chǔ)能電感值可以通過(guò)公式(1)計(jì)算得到。

(1)

其中，L1是單相Buck/Boost電路的儲(chǔ)能電感值，單位是H；V12是輸出端(低壓端)電壓，單位是V；D是占空比；m是相數(shù)；r是電流紋波率；IBuck_o是降壓模式額定輸出電流，單位是A；fsw1是單相Buck/Boost電路開(kāi)關(guān)頻率，單位是Hz。

圖2 八相交錯(cuò)并聯(lián)Buck/Boost變換器硬件原理框圖

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)將單相Buck/Boost電路的工作頻率選擇為fsw1=100kHz，將電流紋波率選擇為40%[2]，計(jì)算得出3kW輸出功率情況下，每相Buck/Boost電路儲(chǔ)能電感的電感值和平均工作電流分別為9.7uH和27A。

(2) 功率開(kāi)關(guān)器件參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)目前市場(chǎng)上主要功率半導(dǎo)體器件的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用情況，選擇MOSFET作為功率開(kāi)關(guān)器件，它具有開(kāi)關(guān)速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[3]。因?yàn)檎嚩x的高壓端口最大輸出電壓為54V，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選擇80V作為MOSFET耐壓等級(jí)。降壓模式下功率開(kāi)關(guān)器件的平均工作電流與儲(chǔ)能電感相同。其余參數(shù)(如導(dǎo)通阻抗、寄生容抗、開(kāi)關(guān)速度等)可以按照“快速工作損耗小”的原則進(jìn)行選擇。

2.2 主要元器件損耗分析

當(dāng)48V八相交錯(cuò)并聯(lián)Buck/Boost變換器在48V電源系統(tǒng)和12V電源系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)移能量時(shí)，它自身也會(huì)消耗一部分能量。為了確定3kW降壓模式(高壓為48V，低壓為14V)下的工作效率，對(duì)主要元器件進(jìn)行功率損耗分析。

(1) 儲(chǔ)能電感

儲(chǔ)能電感的損耗主要來(lái)源于銅損、磁芯損耗和交流繞線損耗三部分。由直流等效電阻引起的損耗稱為銅損，它可以通過(guò)公式(2)表示；由材料內(nèi)磁通量場(chǎng)的變化產(chǎn)生的損耗稱磁芯損耗，由交流等效電阻引起的損耗稱為交流繞線損耗，它們通常由電感供應(yīng)商直接提供。

(2)

其中，Pdcr是儲(chǔ)能電感的銅損，單位是W；Irms是流過(guò)儲(chǔ)能電感電流的有效值，單位是A；DCRT是環(huán)境溫度為T(mén)時(shí)儲(chǔ)能電感直流等效電阻，單位是Ω；DCR25是環(huán)境溫度為T(mén)25時(shí)儲(chǔ)能電感等效直流電阻，單位是Ω；α是儲(chǔ)能電感材料的溫度系數(shù)，銅材一般選擇0.00393/℃；T和T25是儲(chǔ)能電感環(huán)境溫度，單位是℃。

當(dāng)雙向DC/DC變換器工作環(huán)境溫度為70℃時(shí)，根據(jù)公式(2)可以計(jì)算出儲(chǔ)能電感的銅損為

1.95W。當(dāng)電流紋波率為40%且單相電路工作頻率為100kHz時(shí)，根據(jù)供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)顯示磁芯損耗和交流繞線損耗為2W，此時(shí)儲(chǔ)能電感的總損耗為3.95W。

(2) 功率MOSFET

如果MOSFET一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，則導(dǎo)通損耗可以采用公式(3)進(jìn)行表示。

(3)

其中，PCM是MOSFET導(dǎo)通損耗，單位是W；IDrms是流過(guò)MOSFET電流有效值，單位是A；Rds(on)(Tj)是結(jié)溫為T(mén)j時(shí)MOSFET的導(dǎo)通阻抗，單位是Ω。

根據(jù)Buck/Boost工作原理分析可知，處于降壓模式下功率開(kāi)關(guān)MOSFET的導(dǎo)通損耗可以采用公式(4)進(jìn)行表示，續(xù)流MOSFET的導(dǎo)通損耗可以采用公式(5)進(jìn)行表示。

(4)

(5)

其中，PCMHS是降壓模式功率開(kāi)關(guān)MOSFET的導(dǎo)通損耗，單位是W；Tsw是開(kāi)關(guān)周期，單位是s；D是占空比；iD(t)是流過(guò)MOSFET的電流，單位是A；Rds(on)(Tj)是結(jié)溫為T(mén)j時(shí)MOSFET的導(dǎo)通阻抗，單位是Ω；PCMLS是降壓模式續(xù)流MOSFET的導(dǎo)通損耗，單位是W；td是體二極管續(xù)流時(shí)間，單位是s；pcd(t)是MOSFET體二極管導(dǎo)通損耗，單位是W。

由于MOSFET在打開(kāi)和關(guān)閉的過(guò)程中，電壓的變化和電流變化存在重疊部分，因此會(huì)存在開(kāi)關(guān)損耗。當(dāng)MOSFET處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)且體二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)可忽略體二極管功率損耗，故功率MOSFET中的開(kāi)關(guān)損耗可以采用公式(6)近似計(jì)算得到[4]。

(6)

其中，PswM是MOSFET開(kāi)關(guān)損耗，單位是W；UDS是MOSFET開(kāi)關(guān)過(guò)程中D-S電壓變化值；IDon是開(kāi)通后流過(guò)MOSFET電流值，單位是A；tsw是開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間之和，單位是s；fsw是MOSFET開(kāi)關(guān)頻率，單位是Hz。

當(dāng)雙向DC/DC變換器工作環(huán)境溫度為70℃時(shí)，本應(yīng)用的功率MOSFET會(huì)出現(xiàn)三種情況，第一種情況是用于Buck/Boost電路的開(kāi)關(guān)MOSFET，根據(jù)規(guī)格書(shū)及公式(4)和公式(6)可以計(jì)算出單個(gè)MOSFET的總損耗為2.9W；第二種情況是用于Buck/Boost電路的續(xù)流MOSFET，根據(jù)規(guī)格書(shū)及公式(5)和公式(6)可以計(jì)算出單個(gè)MOSFET的總損耗為2.8W；第三種情況是用于12V電源的防反接及開(kāi)關(guān)保護(hù)用MOSFET，根據(jù)規(guī)格書(shū)及公式(3)可以計(jì)算出單個(gè)MOSFET的總損耗為2.4W。

(3) 電流采樣電阻

電流采樣電阻的功率損耗可以采用公式(7)進(jìn)行計(jì)算。

(7)

其中，Psh是采樣電阻損耗，單位是W；Irms是流過(guò)采樣電阻電流的有效值，單位是A；RT是環(huán)境溫度為T(mén)時(shí)采樣電阻阻抗，單位是Ω；R25是環(huán)境溫度為T(mén)25時(shí)采樣電阻阻抗，單位是Ω；TCR是采樣電阻的溫度系數(shù)，單位是10-6/℃；T和T25是采樣電阻環(huán)境溫度，單位是℃。

當(dāng)雙向DC/DC變換器工作環(huán)境溫度為70℃時(shí)，將采樣電阻值1mΩ和溫度系數(shù)10-4/℃代入公式(7)可計(jì)算出功率損耗為0.7W。

圖3 雙向DC/DC變換器的溫度場(chǎng)分布仿真結(jié)果

2.3 整機(jī)熱仿真分析

根據(jù)上一節(jié)分析可知，當(dāng)雙向DC/DC變換器工作環(huán)境溫度為70℃時(shí)，單相Buck/Boost電路的主要損耗包括一個(gè)儲(chǔ)能電感、一個(gè)功率開(kāi)關(guān)MOSFET、一個(gè)續(xù)流MOSFET和一個(gè)采樣電阻，單相Buck/Boost損耗合計(jì)為10.4W；12V電源防反接及開(kāi)關(guān)保護(hù)電路一共使用了12個(gè)MOSFET，總損耗為28.8W；其余電路損耗為16W，此時(shí)電路總損耗為128W。如果不能為其找到合適的散熱路徑，輕則會(huì)影響產(chǎn)品壽命和可靠性，重則導(dǎo)致產(chǎn)品失效會(huì)影響整車功能。為了提高產(chǎn)品一次成功率，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占得一席之地，采用了ANSYS的ICEPAK軟件進(jìn)行前期熱仿真設(shè)計(jì)。圖3是雙向DC/DC變換器的溫度場(chǎng)分布仿真結(jié)果，它顯示在強(qiáng)制風(fēng)冷情況下雙向DC/DC變換器的最高溫度為133.9℃(溫升63.9℃)。

3 實(shí)際測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上一節(jié)分析可知，當(dāng)雙向DC/DC變換器工作環(huán)境溫度為70℃時(shí)，雙向DC/DC變換器的總損耗為128W，故而3kW降壓模式下雙向DC/DC變換器的理論工作效率如公式(8)所示。

(8)

其中，η是工作效率；Pout是降壓模式下輸出功率，單位是W；Ploss是降壓模式下總損耗，單位是W。

為了驗(yàn)證主要元器件功率損耗及工作效率理論分析結(jié)果，對(duì)雙向DC/DC變換器降壓模式工作效率進(jìn)行測(cè)試，實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)降壓輸出功率為3kW時(shí)，工作效率為95.8%，與理論計(jì)算數(shù)據(jù)十分接近。

4 結(jié) 論

實(shí)際樣機(jī)的工作效率測(cè)試結(jié)果與理論數(shù)據(jù)十分接近，充分驗(yàn)證了48V八相交錯(cuò)并聯(lián)雙向Buck/Boost變換器的設(shè)計(jì)及分析的正確性，研究成果能夠滿足整車企業(yè)對(duì)48V雙向DC/DC變換器提出的功能需求及設(shè)計(jì)指標(biāo)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。