车辆DC-DC转换系统

DC-DC转换系统在传统汽车上有着广泛的应用，如起动机、车辆照明系统、车载音响、导航系统等一些设备需要直流稳压供电，对于新能源车辆来说更是不可或缺。在新能源车辆上除了传统车辆上所需要的DC-DC设备以外，还有许多直流电源负载须从车载能源中获得高压直流电能，还需将高压直流电变成24V低压直流电，供给车辆控制系统使用，并给低压蓄电池组充电。

在新能源汽车动力系统中（以燃料电池车为例），大功率DC-DC转换器是一个重要的部件。在整个动力系统中DC-DC的转换如图3-33所示。

图3-33 动力系统中DC-DC的转换

燃料电池的输出特性偏软，难以直接与电动机驱动器匹配，故须采用DC-DC转换器改善其输出特性。燃料电池轿车要求DC-DC转换器体积小，重量轻，效率高，故采用非隔离式、硬开关型的DC-DC降压电路。在DC-DC转换器中，既涉及大功率、大电流的功率电子等强电设备，又涉及小功率、小电流的微电子器件等弱电设备。强电设备运行中产生的电磁干扰对弱电设备的正常运行构成了很大的威胁。

1.DC-DC转换器降压型主电路分析

图3-34所示为非隔离式、硬开关型的DC-DC转换器降压电路。该电路可以改善燃料电池偏软的输出特性，还能防止后续电路对燃料电池的能量反馈，从而明显改善燃料电池和整车的动力性能。图中U_in为燃料电池的输入电压；U_out为转换器输出端电压；电感L₁为电路的降压电感；VT₁为开关管IGBT；VD₁为续流二极管；C为输出端的滤波电容。

如图3-34所示，当t=t_on时，VT₁开通，I_s=I_L时，I_s流过电感线圈L₁，电流线性增加，在负载R上流过电流I₀，两端输出电压U_out极性上正下负；当I_s＜I₀时，电容在充电状态，这时VD₁承受反向电压。当t=t_off时，VT₁断开，线圈中的磁场将改变线圈L₁两端的电压极性，以保持其电流I_L不变，负载R两端电压仍是上正下负。当I_s＜I₀时，电容处在放电状态，有利于维持I₀、U_out不变，这时VD₁承受正向偏压，为电流I_L构成通路。

图3-34 非隔离式降压型DC-DC转换器

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图3-35 开关管关断等效图

2.DC-DC转换器的电磁干扰分析

通过对降压DC-DC转换器主电路的分析可知，电路开关过程中产生很大的di/dt与du/dt，从而形成较强的电磁干扰，这种干扰通过输入、输出电源线以共模或差模的形式向外传导，同时还向周围空间辐射。

（1）功率开关管的电压、电流尖峰干扰VT ₁导通时，开关管流过电流i_s，由于电路存在漏感，在开关管断开瞬间，电路将在漏感上产生一个极大的感应电压U_P以阻碍电流的突变，该电压将以浪涌电压的形式加在VT₁上，产生电压尖峰，如图3-35所示。当开关器件在很高的电压下开通时，储存在开关器件电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。频率越高，开通电流尖峰越大，就越容易使器件过热损坏。另外，二极管由导通变为截止时存在着反向恢复期，开关管在此期间内的开通动作易产生很大的冲击电流。频率越高，该冲击电流越大，就越容易对器件的安全运行造成危害。

（2）输入、输出传输线与其他传输线间的电容性耦合和电感性耦合引起的干扰 转换器工作过程中，开关管两端存在很高的与，由于电压变化率和寄生电容之间的耦合影响，会产生节点漏电流。该耦合电容电流可能和线路电感之间产生振荡，并且导线间以及导线与地之间存在分布电容，很容易引起传输线、屏蔽线等之间的电容性耦合串扰；导线之间、外壳间封闭电路的存在，也容易引起传输线之间电感性耦合，干扰转换器中的敏感元件。

（3）功率二极管VD₁引起的干扰 转换器中功率二极管从导通转变为截止时，由于断开的时间很短，容易产生反向电流的浪涌。二极管关断时的电压电流波形如图3-36所示。假设t₁时刻前，VD₁中流过的电流为i_b1，二极管承受正向导通压降ΔU。在t₁时刻，VD₁开始关断，流过二极管的电流开始减小。t₂时刻，i_b1=0。然后电流反向并增加，t₃时刻达负的电流峰值I_rr，i_b1的绝对值迅速减少。i_b1的突变在线路电感上产生一个很高的感应电动势，加到Z₁上，Z₁上产生电压脉冲。在t₄时刻，VD₁的反向恢复电流由I_rr下降为0。由于反向恢复电流很快降到零，故di/dt很大，该电流流过由L₁、VD₁和输出电容C组成的回路，该电流环路将向周围空间辐射高频电磁波，干扰敏感元件。由于直流输出线路上存在分布电容和电感，高频浪涌电流流过产生高频衰减振荡，对直流输出端形成差模干扰。

图3-36 二极管关断时的电压电流波形

（4）由连续波骚扰源等造成的空间辐射干扰 电感电流i₁在VT₁开通和关断的瞬间都会出现高频振荡，高频振荡电流将流过由Z₁、电感L₁和电源组成的回路。若回路面积较大，则向周围空间辐射的高频电磁波将严重干扰周围的敏感设备。VD₁通断时的高频反向浪涌电流由于输出线路的分布电容和电感产生高频衰减振荡，通过空间向外形成辐射骚扰。

（5）其他原因引起的干扰 元器件的安装位置、屏蔽措施、地线设计、电源的拓扑、结构布置等都会造成电磁干扰。