本文结合两种脉冲调制的特点， 设计一种新型的新能源汽车用降压DC/DC变换器， 提高了全负载情况下的效率， 并进行多种低功耗设计， 特别优化了轻负载时效率。 对IGBT模块进行了零电流关断保护设计， 控制器的PWM采用自反馈PID控制， PFM采用电压反馈控制， 最大电流高达50 A。

混合动力汽车、 电动汽车、 增程式电动汽车等新能源汽车是未来汽车的主要发展方向， 由于新能源汽车没有专用发电机而配有高压大容量电池包，故需使用降压DC/DC变换器将高压直流电转换为车载12V/24V低压直流电供车用电器使用， 以达到节能高效的目的。 传统DC/DC变换器是由4个IGBT模块通过单片机控制其开关调制电压， 国外代表车型丰田普锐斯， 国内代表车型比亚迪FD3M， 它们都存在转换效率低、 成本高的问题。 另外由于传统DC/DC电路器件多 ， 结构复杂 ， 势必造成大体积 、大质量、 低可靠性、 加工难度大等一系列问题。 笔者设计了一种两种调制模式降压大电流车用DC/DC变换器来解决上述问题。

脉冲频率调制 (PFM) 在低负载工况下有较高的效率， 但在高负载工况下效率较低； 而脉冲宽度调制 (PWM) 在高负载工况下有很好的效率和良好的控制性能， 但低负载工况时开关损耗大、 效率低。 实际应用中， 例如汽车夜间照明灯开启和发动机急加速模式下， DC/DC变换器负载变化的范围很大， 只用一种调制模式其工作效率、 工作可靠性难以满足整车需求。 本设计采用通过ADC对输出电压采取数字控制外加大闭环反馈机构两种调制方法综合调制， 反应更快， 结构更简单更可靠， 成本更低， 体积更小， 利用2个IGBT整流桥即可实现100~400 V输入， 设置电压上限~设置电压下限之间稳定800~1000 W输出， 平均效率相对传统DC/DC可提升10%以上。 DC/DC开关电源的损耗主要包括IGBT导通电阻和电感电容等效串联电阻的损耗， IGBT开关同时导通损耗和控制芯片工作电流带来的损耗，后者在低负载时占据比重很大， 采用PFM方式可有效降低低负载时IGBT开关损耗。

本设计数字控制系统DC/DC， 通过ADC对输出电压进行取样， 经过PID调节补偿后根据负载输出PFM或PWM控制信号， 有效提高了控制精度和工作稳定性， 降低了功耗。 目前， 采用该技术方案的DC/DC变换器已经搭载在长城 C20EV纯电动车上 ，使用效果良好。

1 电路工作原理

1.1 整体结构

PFM开关损耗随负载的变化而变化， 在低负载区域工作时损耗低， 故适合低负载的工况使用。而PWM开关频率高， 频率固定, 开关损耗与负载变化无关， 且控制精度高， 对系统电感电容要求小，输出电源波纹小， 故适合高负载状态使用。 本设计通过对输出电流的采样判断计算负载， 在高负载状态下使用PWM， 低负载状态下使用PFM。

PFM脉冲宽度设置： PFM脉冲宽度适当加大有利于减少在低负载下PFM脉冲的数量， 进一步降低开关损耗， 另外脉冲宽度加大使负载加大时PFM频率上升较为平滑， 在扩大PFM调制区间的同时有利于控制精度提升。 但另一方面 ， 电感效应PFM波形脉冲宽度如果过大， 将导致输入级电流急剧上升，对半导体功率器件， 变压器输入级线圈以及电容等器件的耐压要求将大大提高。 在实际设计过程中， 对PFM脉冲宽度设置需根据整体DC/DC成本要求、 功率要求、 效率要求、 体积要求等综合考量合理设置。

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