数字电源管理在汽车中的应用

摘要：通过面向计算应用的DC/DC多相转换器相关的技术和专业知识介绍，推广新型汽车用多相产品，包括功率部分和数字控制器以处理系统的相位及其监控功能。

汽车行业的终极目标是普及纯电动汽车，这样只需一组电池即可实现包括牵引在内的所有板上功能，而我们距离这个目标还非常遥远。电池的储能密度(单位：千瓦时/千克)仍然不足以支持汽车正常的日常使用，电池续航能力还很有限而且成本过高。

然而，近十年来不断飙升的燃油成本和降低汽车尾气排放量的环保要求推动了启/停系统在所有新车中的应用，以及市面上首个油电混合动力汽车系列的推出。标准内燃机汽车和全EV(电动汽车)之间的折中解决方案就是该行业下一阶段技术升级的重点。启/停功能现已被世界某些地区(以欧洲为主)的很多汽车制造商广泛采用，下一步就是推出两种引擎(内燃机和电动机)共存的油电混合动力汽车。

如今有多个HEV种类及其充当EV的等级。汽车内主要应用转向48V电池的新趋势向汽车制造商提出了新挑战 - 48V电源线上12V设备的兼容性和用于管理48V与12V电池间能量流的中/大功率DC/DC双向转换器。该转换器必须在300W至3kW-5kW的功率水平下处理双向能量流，而这是无法用简单的单相拓扑进行管理的，因此汽车制造商面临全新挑战，即开发采用多相配置的大功率升/降压转换器。

首先引入了“微油电混合动力汽车(mHEV)”这个概念，于是48V电网理念随之而来。mHEV的理念就是利用48V锂离子电池储存再生制动产生的能量，后者将汽车的动能转变成电能来为电池充电，然后用它为同一条48V线路上的所有设备供电或者向下变为12V线路，最终提高了汽车效率和燃油续航力。

mHEV的上一个智能版本最近被称为i-mHEV，区别在于ICE(内燃机)关闭时利用48V电动机实现汽车的短程运动或维持巡航速度。当汽车行驶在拥挤的城市街道或者平坦的机动车道(这是电动机最常见的使用环境)上时，这极大地降低了油耗。

中压DC/DC转换器

由于板上有2组电池，所以就不可避免地存在着需要均衡能量和将能量从一组电池转移到另一组上的情况。实现这种功能的关键就在于48V-12V DC/DC转换器：所有仍采用12V电压的服务，例如某些汽车的汽车收音机、信息娱乐、泵、制动器和EPS，使用这种必须利用锂电池不断为其充电的电池。根据被转移到12V网络上的服务数量的不同，可能需要在几百瓦至1.5kW或更高的功率水平下进行降压操作。

另一方面，我们可能需要在升压模式下将某些能量从12V电池转回到48V网络上，以便在紧急情况下实现最小供电。

上一种情况仍不明朗，也未在不同制造商之间实现标准化。这种反向能量在某些情况下要求达到几百瓦，而在其它情况下则要求达到与主降压转换器相同的功率水平，有时只需要有限的时间，而有时则只要12V电池能够继续工作就没有时间限制。

主能量流操作可以高达几千瓦，因此无法利用简单的转换器解决方案进行管理，对此我们已经达成了广泛共识。

市场上确实存在着面向这种大功率转换模块的解决方案，并且大约10年前就已经开发出来了，尽管环境和电压水平不同。

在2kW的功率下，电流输出约为160A，可以利用单相解决方案实现，如图1所示，这样控制器就更简单，但是需要许多驱动器来控制并联的多个FET，开关频率通常较低并且被开关损耗限制在100kHz-200kHz的范围内，这就意味着输入和输出电容的尺寸非常大。

大电流输出可能需要为每个开关并联更多FET。

多相解决方案就好得多，如图2所示，每个开关都与1个隔离电感滤波器相连，然后连至同一个输出电容。这时，我们就不用并联FET来增加电流输出了，而要规定相位数量和相位，例如每组由2个FET和1个电感构成。

各个相位均与其电感相连，并且具有不同的相序。

与单相法相比，这种替代性智能拓扑具有一定优势，如表1所示。

汽车用48V-12V DC/DC转换器当然要选择这种拓扑，需要注意的是这种拓扑仍然允许使用相同的、面向双向应用的电源元件，只需要将降压方向的48V -> 12V转换反方向驱动成升压就可以实现12V –> 48V转换，不过必须改变FET的开关控制策略。

汽车行业现在必须学会如何利用多年来一直开发面向这类转换但不适于汽车环境、电压和功率水平的元件的芯片制造商提供的元件、以最有利和最经济的方法实现这种解决方案。这正是这些年该市场面临的真正挑战。

数字控制器解决方案

事实上，作为计算应用解决方案领域的领导厂商，IR在过去10年里开发了大量多相数字转换器专用数字器件。这些器件与用于制造数字电源的竞争产品之间的主要区别在于这些器件不是处理