车载电源转换模块拓扑研究与设计

收稿日期：2024-01-24

*基金项目：广东省重点领域研发计划项目（2020B0909030003）。

作者简介

费琛（1986—），硕士，工程师，主要从事新能源领域车载电源系统方面的研究与产品开发工作。

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【摘 要】随着车载电源转换模块（VPCM）对功率因数、输入电流谐波、输出电压纹波、转换效率、EMC等性能的要求越来越高，选择合理、高效的拓扑结构至关重要。文章在研究现有拓扑结构的基础上，设计一款6.6kW功率等级的车载电源转换模块，其中前级PFC电路采用Dual-Boost拓扑结构，满足高效率、高功率密度无桥PFC的要求；后级高频隔离DC-DC变换器电路采用基于数字化控制的LLC谐振拓扑，满足其对转换效率和输出电压纹波的要求。

【关键词】车载电源；拓扑；Dual-Boost

中图分类号：U463.63 文献标识码：A 文章编号：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

随着国内燃油车保有量持续增加，燃油车尾气排放对环境的污染也越来越大，尤其在涉及环境空气质量、大气层臭氧等温室气体含量方面，日益成为全球性空气污染的重要来源。然而，新能源电动车相较于燃油车，在“新三化”（电动化、网联化、智能化）方面具有自身独特的优势，加速新能源电动车产业发展及推广，已成为全社会普遍共识。长远来看，作为车载充电系统的重要组成部分，设计开发一款经济、高效、稳定的车载电源转换模块VPCM，对解决用户充电焦虑，提升用户充电体验和整车能耗等方面都具有重大意义。

车载电源转换模块VPCM的工作原理是将电网输出的工频50Hz交流电能，通过整流成高压直流电，再输出给高频DC-DC变换器，根据电池管理控制器BMS需求，转换成匹配动力电池需求的高压直流电。在电动车续航里程和充电要求提高的背景下，目前主流电动汽车车载电源转换模块的功率已逐渐由3.3kW（单相）提升至6.6kW（单相），部分高端车载产品甚至已提升至11kW（三相）或22kW（三相）。不同功率等级的VPCM产品如图1所示。

1 车载电源转换模块系统架构

车载电源转换模块VPCM的功能是给电动车动力电池充电，并具备与整车控制系统VCU、电池管理系统BMS等关联控制器通信功能。其电气架构包括主功率电路（包含EMI电路、软启动电路、PFC、DC-DC、直流负载等）和低压控制电路（包含低压辅源、PFC控制电路、DC-DC控制电路、通信电路等）两大部分。图2为车载电源转换模块系统架构框图。

2 车载电源转换模块拓扑分析

目前，行业内常用的车载电源转换模块VPCM拓扑结构主要分为两种：单级式和两级式。其中，单级式拓扑电路结构简单，没有采用高频变压器，输出功率和充电效率也相对较低，且为非电气隔离，存在一定安全隐患；两级式拓扑，相较于单级式拓扑，其优点在于可以通过滤波整形，有效滤除交流输入电流中存在的高频谐波含量及谐波干扰，同时两级DC-DC变换电路又可以实现电气隔离和电压变换，在保证电气安全的同时，根据直流负载实际需求，持续为后级提供稳定、可靠的直流功率输出。

2.1 前级PFC电路拓扑

Boost PFC典型电路主要分为单路Boost PFC、交错并联Boost PFC、无桥Boost PFC和无桥交错并联Boost PFC这4种拓扑形式[1]。综合来看，Boost PFC电路结构简单，功率因数较高（可达0.99以上），对后级LLC电路而言，可以稳定输出380～400V左右的直流电压。针对6.6kW功率等级的车载电源转换模块VPCM前级PFC电路选型设计，可从拓扑复杂度、控制鲁棒性及成本等综合考虑，拟采用无桥Boost PFC电路进行开发设计。

2.1.1 单路Boost PFC电路

单路Boost PFC电路的典型特征是具有连续的输入电流iac，拓扑相对成熟稳定，通过对交流输入电压与交流输出电压进行调节控制，保证两者的相位及波形基本一致，从而达到改善高频谐波干扰，提高系统功率因数等作用。单路Boost PFC电路的缺点是PFC电感上的纹波电流较大，功率越大，开关管导通损耗就越大（散热要求高），导通损耗与功率成正比。较大的导通损耗直接影响电源效率，该电路主要适用小功率开关电源应用场景。单路Boost PFC电路拓扑结构如图3所示。

2.1.2 交错并联Boost PFC电路

通过对单路Boost PFC电路进行优化设计，达到抑制改善输入电流纹波的效果，交错并联Boost PFC电路[2]应运而生。其典型特征是通过交错并联的电路结构，利用2个相位相反的开关管驱动波形，使得2个支路PFC电感中的电流纹波进行一定程度的抵消。采用这种方法，不仅可以起到降低输入/输出电流纹波的效果，同时也有利于PFC电感及前级EMI滤波电路小型化应用。然而，由于交错并联Boost PFC电路（图4）采用的功率器件数量较多，成本较高，控制方法也相对复杂，该电路主要适用于功率等级较高，但对效率要求不高的开关电源应用场景。

2.1.3 无桥Boost PFC电路

常见的无桥Boost PFC电路主要分为3种：基础型Boost PFC、Dual-Boost PFC和图腾柱Boost PFC（图5）。当无桥Boost PFC电路工作时，其导通回路上仅需要一个功率管和一个二极管处于导通状态即可，与传统Boost PFC电路相比，无桥Boost PFC电路中没有采用整流桥，极大地改善了电路结构，减少了导通回路中功率器件的数量，具有损耗低、效率高的显著特征。根据交流市电（Vac）正/负半周波形的典型特征，Dual-Boost PFC电路[3]工作原理如下。

1）当交流市电（Vac）处于正半周期时，PFC电感L1、L2和功率开关管S1、续流管D1组成Boost升压电路。当驱动信号控制功率开关管S1导通时，PFC电感L1和L2上的电流逐渐增加，储存能量；当驱动信号控制功率开关管S1断开时，电流通过续流管D1向负载R提供能量，此时，PFC电感L1和L2向输出滤波电容C释放储存的能量，使得输出滤波电容C两端电压上升。在正半周期中，功率开关管S2处于续流状态，根据功率开关管S2的驱动信号，可以判断电流的流通路径是流过功率开关管S2的沟道，还是体二极管。

2）同理，当交流市电（Vac）处于负半周期时，PFC电感L1、L2和功率开关管S2、续流管D2组成Boost升压电路，当驱动信号控制功率开关管S2导通时，PFC电感L1和L2上的电流逐渐增加，储存能量；当驱动信号控制功率开关管S2断开时，PFC电感上的电流通过续流管D2向负载供能，PFC电感L1和L2向输出滤波电容C释放储存的能量，使得输出滤波电容C两端电压上升；在负半周期中，功率开关管S1处于续流状态，当交流输入电压交替出现正/负半周期性变化时，输出滤波电容C通过持续的续流与储能，产生高于交流市电（Vac）的输出电压。

图腾柱Boost PFC电路中，二极管D1和D2为工频慢恢复二极管，当交流输入市电（Vac）处于正半周期时，负载R的地通过二极管D2与交流输入端的N线相连；当交流输入市电（Vac）处于负半周期时，负载R的地通过二极管D1与交流输入端的N线相连，此过程中电路共模噪声较小。图腾柱Boost PFC电路一般有3种模式：连续导通模式、临界导通模式和断续导通模式，考虑抑制PFC电感电流纹波的能力，其应用功率等级受到一定限制，同时，在图腾柱Boost PFC电路中，由于功率开关管S1和S2的驱动信号不同，进一步增加了驱动电路设计复杂程度。

2.1.4 无桥交错并联Boost PFC电路

无桥交错并联Boost PFC电路见图6，2个Boost变换器都工作在断续导通模式，每个Boost变换器对应的功率开关管S1和S2驱动脉宽信号（PWM）保持一致，但相位角θ相差180°，因此，功率开关管S1的开关周期超前功率开关管S2约1/2个周期。从无桥交错并联Boost PFC电路[4]电流波形图可以看出，虽然每一相Boost变换器都工作在断续导通模式下，但是PFC电路保持了连续的输入电流iin，不仅起到了减小输入电流纹波，降低输入电流高频分量的作用，同时，也对改善谐波畸变率THD起到了积极作用。为了使输入电流iin的平均值接近其峰值，可以通过减少前级EMI滤波器的尺寸，减小每一个Boost变换器对应的功率开关管S1和S2的电流，进一步降低了开关导通损耗，提升有功功率的输出，但受到交错并联拓扑结构和控制复杂度的影响，其应用场景具有一定的局限性。

综上，对上述4种前级PFC电路拓扑结构进行了研究分析（表1）。从拓扑结构、功率等级、驱动电路、效率等维度考虑，本文采用Dual-Boost PFC变换器作为前级PFC电路进行高效率、高功率密度的无桥PFC电路设计。

2.2 后级高频隔离DC-DC变换器的拓扑

车载电源转换模块常用的DC-DC变换器主要分为3种：移相全桥变换器、LLC谐振变换器和混合式DC-DC变换器[4]。

2.2.1 移相全桥变换器

移相全桥变换器作为类BUCK拓扑，其工作原理主要是利用变压器中的漏电感与功率开关管内寄生电容之间的谐振关系，让原边开关管实现ZVS[5]，提升转换效率，保证变压器副边可以实现大电流输出；与普通对称开关的全桥电路不同，移相全桥变换器分为超前桥臂和滞后桥臂，超前桥臂容易实现ZVS，滞后臂要实现ZVS则比较困难，两组半桥通过调整超前与滞后桥臂之间的相位差调节输出电压，实现闭环控制。

2.2.2 LLC谐振变换器

根据逆变电路结构和适用场景不同，LLC谐振变换器主要分为两种：半桥LLC变换器和全桥LLC变换器。其中，半桥LLC谐振变换器由半桥逆变器和谐振电感组成，采用全波整流电路，仅需要2个开关管，能够降低开关损耗，实现零电压开关；半桥LLC谐振变换器使用的功率器件数量少，在适度考虑功率器件电压应力及低功率应用场景下，半桥LLC是一种转换效率比较高的谐振变换器。全桥LLC谐振变换器[6-7]（图7）由全桥逆变器和谐振电感组成，功率器件开关应力仅为半桥LLC谐振变换器的一半，其谐振腔主要由谐振电感Lr、励磁电感Lm和谐振电容Cr组成，其工作模态不仅取决于谐振变换器的工作状态，还与工作频率和负载相关；励磁电感Lm则根据谐振腔工作模态决定是否参与谐振；通过提高开关频率、减小无源器件尺寸等方法，有助于提升LLC谐振变换器[8]的功率密度，是一种适用于高功率、宽输出电压范围等场景的谐振变换器。

2.2.3 混合式DC-DC变换器

半桥LLC变换器具有功率密度高、电压增益灵活、ZVS等特点，移相全桥变换器具有拓扑成熟、效率高等特点，通过将两种变换器的特点进行集成，可以得到另一种变换器，即混合式DC-DC变换器，主要分为串联式和并联式两种；其中，半桥LLC谐振变换器利用谐振电路的特性来实现高效率的电力转换，并且在不同的负载条件下自动调节谐振频率，保证全负载范围内主功率MOS管都能实现零电压开关；移相全桥变换器通过精确控制功率开关管的开关时序，结合变压器和电感电容自身特性，实现高效且稳定的电能转换。因此，结合半桥LLC变换器和移相全桥变换器[8-9]的典型特征，混合DC-DC变换器输出电压范围更宽，保证从轻载到满载的宽载范围内工作效率大于95%。

综上，3种后级DCDC变换器对比分析见表2。从ZVS、软开关控制、开关损耗、效率等维度考虑，后级高频隔离DC-DC变换器电路采用基于数字化控制的LLC谐振拓扑[10]，满足其对转换效率和输出电压纹波的要求。

3 结论

本文设计的6.6kW功率等级车载电源转换模块拓扑方案，前级PFC电路采用Dual-Boost拓扑结构，后级高频隔离DC-DC变换器电路采用基于数字化控制的LLC谐振拓扑。研究结果表明，前级PFC电路主要用于调节交流输入电流Iac与输入电压Vac的相位和频率相同，提高系统功率因数φ，有效抑制交流侧高频谐波干扰，通过整流滤波后，为后级负载电路提供符合设计要求的直流电；后级高频隔离DC-DC变换器实现输入/输出之间的电气隔离，并通过对电流环/电压环双闭环反馈控制[11]，为动力电池提供一个低纹波、宽范围且稳定的直流电压Vbat，分阶段完成对动力电池的充电。与传统的开关电源拓扑相比，本文设计的车载电源拓扑方案，可以在相同的频率范围内，实现更高的输出电压增益，较窄的开关工作范围使得变换器的效率更高，在全负载范围内，平均效率可达95%以上。同时，具有效率高、功耗小、鲁棒性高、成本低等特点，整体拓扑方案符合设计预期。

参考文献：

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[2] 梁凯歌. 车载充电机中的交错并联Boost PFC系统设计与优化[D]. 南京：南京理工大学，2018.

[3] 孙明. Dual Boost PFC电路拓扑的研究[J]. 通信电源技术，2012，29（6）：1-3.

[4] 王慧贞，张军达. 一种新型无桥Boost PFC电路[J]. 电工技术学报，2010，25（5）：109-115.

[5] 邱慧，蔡群英. 车载充电机拓扑结构对比[J]. 电子技术与软件工程，2017（8）：244-245.

[6] 李星. 3.5kW电动汽车车载充电机的研究与实现[D]. 成都：电子科技大学，2013.

[7] 徐鑫. LLC谐振式车载充电机设计[D]. 南京：南京信息工程大学，2020.

[8] 赵文辉. 电动汽车车载充电机的研究与实现[D]. 无锡：江南大学，2018.

[9] 刘迪. 高功率因数充电机性能优化研究[D]. 合肥：合肥工业大学，2020.

[10] 瞿章豪，徐正龙. 电动汽车车载充电机设计与实现[J]. 科技信息，2013（5）：133-134.

[11] 刘春喜，于航，刘文强. 交错并联LLC谐振变换器均流技术[J]. 辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2023，42（2）：207-214.

（编辑 凌 波）