如何实现倍流整流DC/DC电源变换器的设计？电路图分析

进入21世纪以来，随着能源的过度消耗和环境的严重污染，在全球的汽车工业领域发展新能源汽车正是时候。

相对于传统领域的汽车，新能源汽车普遍使用低廉无污染的电力能源代替高能耗、高污染的石油，对全球能源及环境保护具有极大的意义。

新能源汽车从种类上来说有很多种形式，包括混合动力汽车(HEV)、增程式混合动力(PHEV)、纯电动汽车(EV)、燃料电池汽车(FCV)等。

在这些系列的新能源汽车设计中，需要使用到不同电压等级的电源系统，如高压系统、低压系统等，所以DC/DC变换器成为新能源汽车设计开发不可或缺的关键部件。

DC/DC变换器是一种直流电源的功率转换设备，在工业和民用领域应用十分普遍。

在新能源汽车领域依据不同的应用需求有不同的定义，通常可以分为三种：高压转高压DC/DC变换器、高压转低压DC/DC变换器、低压稳压DC/DC变换器。

01. 高压转高压DC/DC变换器

在新能源汽车上使用的高压转高压DC/DC变换器主要用于高压系统的升压，将动力电池系统的电压等级再进行升高，以匹配更高等级的电机驱动系统。

例如混合动力汽车使用144V系统的动力电池，为了匹配400V的电机驱动系统，在动力连接上设计此类DC/DC变换器将动力电池系统的电压等级升高，以匹配电机驱动系统。

02. 高压转低压DC/DC变换器

高压转低压DC/DC变换器一般代替传统汽车的发电机，提供低压蓄电池及低压电气设备的电源，这类DC/DC变换器在新能源汽车领域的应用十分普遍，已经成为新能源汽车设计领域内必要的关键电气部件之一。

03. 低压稳压DC/DC变换器

不论传统汽车还是新能源汽车，由于车内的低压电器设备较多，在不同的工况下的低压功率需求差异很大，及时有+12V蓄电池稳压的情况下，仍不能保证+12V的低压电源是稳定可靠的。

例如在启动引擎的时候，蓄电池瞬间可以跌落到6V，这样使用低压稳压DC/DC变换器来进行有效的稳压变得必要。

又如一些高级配置常规车，配备低压稳压DC/DC变换器，提供车载电脑的稳压。

随着新能源汽车的发展，DC/DC变换器在新能源汽车上得到了越来越广泛的应用，DC/DC变换器作为一种电源转换装置，其核心是开关电源技术，对于以传统工业电源、军工电源起家的迪龙新能源科技河北有限公司来说，研发生产DC/DC变换器有得天独厚的技术优势。

迪龙新能源科技河北有限公司(以下简称“迪龙新能源”)依托迪龙集团20年传统电源、军工电源研发生产经验，深耕研发创新，主要致力于电动汽车电源充电系统、新能源车载充电系统及设备的研发、生产、安装、维修及销售。

迪龙新能源将具有自主知识产权的高压全砖技术应用于DC-DC变换器，产品可靠性高，质量稳定，深受国内外电动汽车厂商的信赖与支持。

并通过了IATF16949：2016汽车质量管理体系认证，面向市场推出了先进的自冷式、液冷式、集成式车载DC/DC变换器产品，在国际同行业水平中处于前列。

除此之外，迪龙新能源还拥有强大的研发团队，配备专业一流的实验室和研发设备，以及拥有技术完备的产品生产线和训练有素的技术工人，能够快速灵活地为国内外客户提供不同的产品解决方案。

目前迪龙新能源公司开发的车载DC/DC变换器已经涵盖自冷式、液冷式、集成式、客车专用等类型产品，产品电压输入范围9V-950V(细分为21种机型)，单机输出功率覆盖数百瓦至几千瓦。近年来， 随着计算机微处理器的输入电压要求越来越低， 低压大电流DC - DC 变换器的研究得到了许多研究者的重视， 各种拓扑结构层出不穷，同步整流技术、多重多相技术、磁集成技术等也都应用于这个领域。笔者提出了一种交错并联的低压大电流DC - DC 变换器， 它的一次侧采用对称半桥结构， 而二次侧采用倍流整流结构。采用这种结构可以极大地减小滤波电容上的电流纹波， 从而极大地减小了滤波电感的大小与整个DC - DC 变换器的尺寸。这种变换器运行于48 V 的输入电压和100 kHz 的开关频率的环境。

随着微处理器和数字信号处理器的不断发展，对芯片的供电电源的要求越来越高了。不论是功率密度、效率和动态响应等方面都有了新要求，特别是要求输出电压越来越低，电流却越来越大。输出电压会从过去的3.3V降低到1.1～1.8V之间，甚至更低[1]。从电源的角度来看，微处理器和数字信号处理器等都是电源的负载，而且它们都是动态的负载，这就意味着负载电流会在瞬间变化很大，从过去的13A/μs到将来的30A/μs～50A/μs[2]。这就要求有能够输出电压低、电流大、动态响应好的变换器拓扑。而对称半桥加倍流同步整流结构的DC/DC变换器是最能够满足上面的要求的[3]。

本文对这种拓扑结构的变换器的工作原理作出了详细的分析说明，实验结果证明了它的合理性。

1 主电路拓扑结构

主电路拓扑如图1中所示。由图1可以看出，输入级的拓扑为半桥电路，而输出级是倍流整流加同步整流结构。由于要求电路输出低压大电流，则倍流同步整流结构是最合适的，这是因为：

1)变压器副边只需一个绕组，与中间抽头结构相比较，它的副边绕组数只有中间抽头结构的一半，所以损耗在副边的功率相对较小;

2)输出有两个滤波电感，两个滤波电感上的电流相加后得到输出负载电流，而这两个电感上的电流纹波有相互抵消的作用，所以，最终得到了很小的输出电流纹波;

3)流过每个滤波电感的平均电流只有输出电流的一半，与中间抽头结构相比较，在输出滤波电感上的损耗明显减小了;

4)较少的大电流连接线(high current inter-connection)，在倍流整流拓扑中，它的副边大电流连接线只有2路，而在中间抽头的拓扑中有3路;

5)动态响应很好。

它唯一的缺点就是需要两个输出滤波电感，在体积上相对要大些。但是，有一种叫集成磁(integrated magnetic)的方法，可以将它的两个输出滤波电感和变压器都集成到同一个磁芯内，这样可以大大地减小变换器的体积。