什么是電氣隔離？

電氣隔離，就是將電源與用電回路作電氣上的隔離，即將用電的分支電路與整個(gè)電氣系統(tǒng)隔離，使之成為一個(gè)在電氣上被隔離的、獨(dú)立的不接地安全系統(tǒng)，以防止在裸露導(dǎo)體故障帶電情況下發(fā)生間接觸電危險(xiǎn)。實(shí)現(xiàn)電氣隔離以后，兩個(gè)電路之間沒(méi)有電氣上的直接聯(lián)系。即，兩個(gè)電路之間是相互絕緣的。同時(shí)還要保證兩個(gè)電路維持能量傳輸?shù)年P(guān)系。電氣隔離的作用主要是減少兩個(gè)不同的電路之間的相互干擾，降低噪聲。

非隔離雙向DCDC，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，每個(gè)部件都是直接相連，沒(méi)有額外的能量損失，工作效率比較髙。對(duì)升壓側(cè)的電容要求比較高。主要的非隔離DCDC電路結(jié)構(gòu)有雙向半橋boost-buck電路，雙向buck-boost電路，雙向buck電路，雙向Zate-Sepic電路，如下圖所示。

隔離型雙向DCDC，在非隔離型雙向DCDC轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上加上一個(gè)高頻變壓器就構(gòu)成了隔離型雙向DCDC轉(zhuǎn)換器，高頻變壓器兩側(cè)的電路拓?fù)淇梢允侨珮蚴?、半橋式、推挽式等等。這幾種隔離型的雙向DCDC轉(zhuǎn)換器，采用了更多的功率開(kāi)關(guān)，電壓變比大，帶電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)。但是這類DCDC轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也相對(duì)較高，轉(zhuǎn)換器的損耗高，低頻時(shí)會(huì)導(dǎo)致隔離變壓器鐵芯飽和，損耗會(huì)進(jìn)一步增加。因此，非隔離型雙向DCDC轉(zhuǎn)換器比隔離型在電動(dòng)汽車上運(yùn)用更具有優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)能量由高皮側(cè)流向低壓側(cè)時(shí)，雙向DCDC轉(zhuǎn)換器工作在BUCK模式；能量由低壓側(cè)流向高壓側(cè)時(shí)，雙向DCDC轉(zhuǎn)換器工作在BOOST工作模式。

主電路

又叫做功率模塊，是整個(gè)DCDC的主體。一個(gè)典型的全橋型 DCDC 變換器主電路拓?fù)淙缦聢D所示。

上圖中，Vin為輸入電壓，需要通過(guò)DCDC回路，在輸出端得到一個(gè)需要的輸出電壓。原邊開(kāi)關(guān)電路，將輸入電流調(diào)制成矩形波，這個(gè)過(guò)程主要依靠控制器調(diào)制特定占空比的PWM波，用以驅(qū)動(dòng)四個(gè)開(kāi)關(guān)管按照既定的順序和時(shí)間開(kāi)閉，從而實(shí)現(xiàn)電流逆變過(guò)程。原邊輸入電壓可以通過(guò)占空比調(diào)節(jié)，占空比增加輸出電壓也增加，占空比減小輸出電壓減小。頻率則可以通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率調(diào)節(jié)。T1位變壓器，變比你n。變壓器既可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離，又可以起到電壓調(diào)節(jié)的作用。一個(gè)固定的原邊線圈匝數(shù)，副邊改變?cè)褦?shù)，即可得到不同的電壓等級(jí)。變壓器的輸入，是經(jīng)過(guò)左側(cè)全橋電路逆變得到的脈沖矩形波，傳遞到變壓器的副邊，得到的是另一個(gè)電壓幅值的交流正弦波。經(jīng)過(guò)DR1和DR2整流以后，再經(jīng)由Cf和Rl濾波處理，得到直流電，提供給輸出端。

驅(qū)動(dòng)模塊

對(duì)于控制芯片輸出的四路 PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)說(shuō)，并不能直接驅(qū)動(dòng)四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管。所以，一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)電源是需要配套一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管。驅(qū)動(dòng)電路種類很多，主要由以下三種:

直接耦合型：控制芯片的每一路輸出 PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)由兩個(gè)三極管組成的放大電路來(lái)驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管。此種方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制部分與主電路的隔離。

脈沖變壓器耦合型驅(qū)動(dòng)電路：此電路是在直接耦合型的基礎(chǔ)上加上了一個(gè)脈沖變壓器，實(shí)現(xiàn)了控制電路與主電路的隔離。但是這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是，涉及到變壓器的設(shè)計(jì)、制作等方面，比較復(fù)雜。

驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)電路：為了更加方便地來(lái)驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管，很多公司研制出驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)芯片可以輸出較大的功率，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，而且隨著芯片的小型化發(fā)展，現(xiàn)在的驅(qū)動(dòng)芯片體積非常小，有各種封裝形式。利用驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)，這種方法比較簡(jiǎn)單，但是控制電路與主電路仍然沒(méi)有實(shí)現(xiàn)隔離。

控制模塊

主電路的反饋主要有三種控制模式：電壓控制模式，峰值電流控制模式，平均電流控制模式。

電壓控制模式：屬于電壓反饋，利用輸出電壓進(jìn)行校正，是單環(huán)反饋模式，輸出電壓采樣與輸入基準(zhǔn)電壓比較，得到的輸出信號(hào)與一鋸齒波電壓比較，輸出 PWM波信號(hào)。電壓控制模式設(shè)計(jì)以和運(yùn)用都比較簡(jiǎn)單，但是電壓控制模式?jīng)]有對(duì)輸出電流進(jìn)行控制，有一定的誤差存在，并且輸出電壓先經(jīng)過(guò)電感以及電容的濾波，使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較差。

峰值電流控制模式：峰值電流控制模式與電壓控制模式的區(qū)別在于，峰值電流控制模式中，把電壓控制模式的那一路鋸齒波形，轉(zhuǎn)換成了電感的瞬時(shí)電流與一個(gè)小鋸齒波的疊加。但是電感的瞬時(shí)電流并不能表示平均電流的情況。

平均電流控制模式：屬于雙環(huán)控制方式，電壓環(huán)的輸出信號(hào)作為基準(zhǔn)電流與電感電流的反饋信號(hào)比較。設(shè)置誤差放大器，可以平均化輸入電流的一些高頻分量，輸出的經(jīng)過(guò)平均化處理的電流，再與芯片產(chǎn)生的鋸齒波進(jìn)行比較，輸出合適的 PWM 波形。

電感電流和電容電壓因此需要對(duì)兩個(gè)變量都要進(jìn)行PID整定，一個(gè)典型的控制流程如下圖所示。控制模塊是由兩個(gè)PID控制器組成，分別是電壓控制控制外環(huán)和電流控制內(nèi)環(huán)，在流程圖中給出一個(gè)參考電壓，設(shè)計(jì)合理的參數(shù)，就可以很快速的達(dá)到控制系統(tǒng)的目的。

相比三種控制方式，平均電流的控制方式不限制占空比，對(duì)輸出電壓和電感電流均進(jìn)行反饋，有比較好的控制效果。采用平均電流控制方式進(jìn)行反饋電路的設(shè)計(jì)時(shí)，把電流環(huán)是看作電壓環(huán)的一部分。

DCDC中的硬開(kāi)關(guān)與軟開(kāi)關(guān)有何區(qū)別？

硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)是針對(duì)開(kāi)關(guān)管來(lái)講的。

硬開(kāi)關(guān)是不管開(kāi)關(guān)管(DS極或CE極)上的電壓或電流，強(qiáng)行turn on或turn off開(kāi)關(guān)管。當(dāng)開(kāi)關(guān)管上(DS極或CE極)電壓及電流較大時(shí)開(kāi)關(guān)管動(dòng)作，由于開(kāi)關(guān)管狀態(tài)間的切換(由開(kāi)到關(guān)，或由關(guān)到開(kāi))需要一定的時(shí)間，這會(huì)造成在開(kāi)關(guān)管狀態(tài)間切換的某一段時(shí)間內(nèi)電壓和電流會(huì)有一個(gè)交越區(qū)域，這個(gè)交越造成的開(kāi)關(guān)管損耗稱為開(kāi)關(guān)管的切換損耗。

軟開(kāi)關(guān)是指通過(guò)檢測(cè)開(kāi)關(guān)管電流或其他技術(shù)，做到當(dāng)開(kāi)關(guān)管兩端電壓或流過(guò)開(kāi)關(guān)管電流為零時(shí)才導(dǎo)通或關(guān)斷開(kāi)關(guān)管，這樣開(kāi)關(guān)管就不會(huì)存在切換損耗。

一般來(lái)說(shuō)軟開(kāi)關(guān)的效率較高(因?yàn)闆](méi)有切換損)；操作頻率較高，PFC或變壓器體積可以減少，所以體積可以做的更小。但成本也相對(duì)較高，設(shè)計(jì)較復(fù)雜。

進(jìn)一步的，軟開(kāi)關(guān)包括三種控制方式：雙極性控制，有限雙極性控制，移相全橋控制，得到的矩形波波形如下圖所示。

Q1 和 Q3 為超前橋臂上的開(kāi)關(guān)管，屬于同一橋臂，而 Q1 和 Q4 為對(duì)角的開(kāi)關(guān)管，分別屬于兩個(gè)橋臂。第一種控制方式為硬開(kāi)關(guān)，第二和第三種均可以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，但是第三種的控制方式較靈活，比較容易實(shí)現(xiàn)。

由于對(duì)功率密度越來(lái)越高的要求，可以通過(guò)提高頻率來(lái)提高功率性能的軟開(kāi)關(guān)類DCDC是當(dāng)前研究的主要方向。軟開(kāi)關(guān)包括3種主要控制方式：ZVS 移相全橋變換， ZCS 移相全橋變換，ZVZCS移相全橋變換。