车载电源系统开关电源的设计

车载电源系统开关电源的设计

余泽辉

深圳市赛迈科技有限公司 广东 深圳 518110

摘要：在车载电源系统中，开关电源是十分重要的一个构成部分，主要是为车载低压电源进行充电，并且为相应设备进行供电，是高低压系统能量传递转换的媒介。由于科技的快速发展，有关车载开关电源的研究成为了热点，开关电源的可靠性和应用设施运行的安全性有较大的关联。所以，本文主要针对车载电源系统开关电源进行了设计，确保电源转换能够有持续稳定的输出电压，从而降低电源耗损，提高电源效率。

关键词：开关电源；车载电源系统；电源效率

1.引言

随着社会经济水平的不断提升，我国的汽车行业发展也得到了良好的推动，汽车的普及度逐渐提升。然而相应的也出现了一系列的问题，燃油汽车排放的尾气中含有一氧化碳、氮氧化物等有害物质，对大气环境产生了很大的污染，而且石油属于不可再生能源，对石油的大量消耗引发了能源短缺问题。而电动汽车由于具有低噪声、零排放、无污染等优点，在节能环保方面具有突出的优势，因而其应用受到了广泛关注。在电动汽车中，车载开关电源是其十分重要的构成部分，主要为高低压系统能量传递和转换提供路径，在新能源汽车逐渐投入市场的过程中，有关车载开关电源的设计受到了广泛关注。

2.开关电源的发展趋势

由于微电子学和材料学的快速发展，使得磁性材料以及半导体发展得到了有效的推动，开关电源技术取得了较大的进步^[1]。具体来看，首先，新型半导体的出现为研发制造大功率的开关电源提供了机会。大功率开关电源不需要类似传统开关电源那样采取多管串并联，有效的减少了开关管的数量，较好的解决了多管串并联存在的均压均流问题，有效的降低了生产成本。另外，开关电源的高频化发展使得生产效率得到了一定程度的提高，通过软开关技术，使电路运行中的开关损耗降低，而且SiC半导体技术也逐渐成熟，对于开关电源频率以及使用效率的提升带来帮助。再者，数字开关电源的出现，有效提高了开关电源的可靠性和稳定性，使用数字控制方法实现开关电源的闭环控制，采用组合逻辑以及并行计算的方式进行闭环控制。最后，由于电子类产品的逐渐广泛应用，使得开关电源逐渐朝着小型化、集成化和模块化方向发展，相比较线性电源而言，效率更高，温升更低，电压范围更广、带载能力更大、可靠性更高。

3.开关电源设计的基本结构

车载开关电源的基本结构示意图如下图1所示。

图1 车载开关电源基本结构示意图

其中，1、5、8 属于滤波模块，2、4属于采样模块，3为高压母线电容，6、7 为供电模块。这几模块和主电路以及控制模块进行合并后，电路结构可以分为以下几部分。

3.1输入滤波电路

这部分电路主要作用是对高压电源侧纹波较大的高电压进行滤波，然后将其转换为纹波较小的高电压^[2]。另外，由于开关电源属于高频电路，在运行工作的过程中容易出现高频噪声，通过这部分电路中的EMC滤波模块能够使开关电源工作时的高频噪声干扰降低。

3.2开关变换电路

这部分电路构成主要包含变压器和开关管，在整个功率电路中，这部分电路是最核心的部分，电路在进行工作时，开关变换电路部分会将直流电转化为交流电，利用变压器对交流电进行降压处理，然后再进行传递，通过整流电路将交流电转化为较大纹波的直流电压。

3.3输出滤波电路

这部分电路主要作用是对整流电路中输出的具有较大纹波的直流电压进行滤波，在这部分电路中将其转化为较小纹波的直流电压，利用这部分电路中的EMC滤波模块，使负载能够较小的受到高频噪声影响。

4.主电路拓扑设计

开关电源变换器的拓扑设计方式较多，基于车载电源系统的要求，变换器拓扑设计为降压变换器，并且高压侧和低压侧之间做好隔离，因此，需要设计具有隔离作用的开关电源变换器。选择移相全桥开关电源变换器设计方式，其基本结构如图2所示。

图2 移相全桥变换器基本结构图

在移相全桥开关电源变换器的原边电路中设置4个开关管，其中VT1与 VT2属于互补的桥臂，VT3与VT4属于互补桥臂^[3]。当接通VT1和VT4时，在变压器的原边一侧会出现上正下负的电压，这时副边一侧电路中的VT5被接通，由变换器原边电路向副边电路进行能量传递。而当接通VT2与VT3时，在变压器的原边一侧会出现上负下正的电压，这时副边一侧电路中的VT6被接通，同时由变换器原边电路向副边电路进行能量传递。在进行续流时，同时接通VT1和VT3，或者是VT2和VT4同时导通，在这种情况下，变换器的原边电路不能传递能量到副边电路，利用两对桥臂控制信号对电压输出大小进行调节。

这种开关电源变换器的设计具有突出的优势表现为：首先，具有较为简单的控制形式，可以更好的达到闭环控制目的。其次，能够适应较宽范围的负载，可以保证更高效率的运行。如果负载或者输入电压出现波动时，也能快速作出动态反应。移相全桥变换器对电压的转化效率较高，在多种中大功率环境中都能够使用，基于车载电源系统的实际需求，对其进行移相全桥拓扑设计。

5.整流电路设计

在降压变换器电路中，副边一侧的整流电路一般都会处在低压大电流状态下，而且损耗情况与流过的电流和自身管压降的乘积成正比关系，因此需要注意整流管的损耗问题^[4]。整流电路中使用的续流二极管，一般的管压降范围在0.3V～0.5V之间，导通后损耗较大、温升较高。将同步整流技术应用其中，能够使变换器副边整流管降低导通损耗，技术原理是利用功率开关管替代传统的续流二极管，由于功率开关管导通电阻较小，导通时具有较小的压降，这样在相同负载大电流流过时，大大降低了损耗，提高了电源效率，降低电源温升。

采取全波整流电路设计，能够在全桥和半桥双端输出电路以及中低压输出电路中进行应用。这种电路不仅输出滤波电感体积小，而且在进行瞬时响应时具有较大的占空比调节范围。整流电路的驱动方式一般有两种，外部驱动和自驱动。其中，利用电路中电压电流量对整流管进行直接驱动的属于自驱动方式，具有较低的制造成本，结构也较为简单，包含电流型和电压型驱动。

6.结语：

本文针对车载电源系统开关电源设计进行了详细分析，主要包括有开关电源的系统结构、主电路拓扑设计、整流滤波电路设计等，指出了各自特点和适用范围。随着半导体技术和自动控制技术不断发展，车载电源系统的应用越来越普遍，而开关电源作为车载电源系统的重要构成部分，需求量必然会进一步扩大，可以预测，未来小型化、高频化、功率集成化的开关电源将会得到广泛的应用和发展。

参考文献：

[1]田沛. 基于移相全桥拓扑的车载开关电源系统研究[D]. 中国矿业大学;中国矿业大学(江苏), 2019.

[2]郑嘉伟. 车载充电器辅助电源系统的高效设计[D]. 合肥工业大学, 2016.

[3]熊伟. 车载大功率电台电源软启动设计[J]. 科技尚品, 2017(6):2.