全球汽车直流/直流(DC-DC) 变换器市场预计到2026年将增长到170亿美元的规模。这标志着从2021年到2026年的复合年增长率将会超过10%。直流/直流变换器是车辆上的一个必备零部件，它通过转换电压为各种车载系统供电，例如越来越复杂的信息娱乐系统，以及使用先进驾驶辅助系统 (ADAS) 的增强型安全系统。电动汽车 (EV) 无论是纯电型还是混动型 (HEV) 的日益普及，也在刺激着直流/直流变换器的需求迅猛增长。我们现在来看看哪些行业趋势和技术有助于推动更高效直流/直流变换器的发展。混动汽车和电动汽车有许多架构上的差异。图1和图2显示了这两种架构的简化示意图。强混动(或并行混动)和纯电动汽车的电气化动力总成都是由大容量电池提供的高电压 (HV) 总线来驱动的。

　　图1、 强混动/全混动汽车的简化示意图

　　逆变器和电动机/发电机的功率电平最低大约60kW，最高可以超过180kW。除了大容量锂电池以外，另外一项重大投资就是开发这些架构。大多数组件都是双向的，允许电力从电池流向逆变器，使电动机开始转动和推动汽车运动起来(牵引驱动)。而在减速时，汽车的动量又驱使发电机转动，再通过逆变器回收电力并为电池重新充电(再生制动)。在中度混动 (MH) 汽车中，电动机/发电机、逆变器和电池也都是双向的。它们虽然不足以完全独立驱动汽车(像在混动汽车或电动汽车中一样)，但仍然可在加速期间为发动机补充电力，并在减速时为电池重新充电。中度混动汽车的电压电平通常是48V，可使高电压总线保持在60V的安全额定电压内，也能以相同的额定电流为12V总线提供四倍的电力。

　　图2、中度混动汽车的简化示意图

　　直流/直流变换器是这两种架构中的关键组件，它将高电压总线(中度混动汽车为- 48V;电动汽车/混动汽车为100V)转换为传统的12V电力总线，后者为大多数电子负载供电。在强混动汽车或电动汽车应用中，直流/直流变换器的作用是将高电压总线中的电力转换到12V，从而为12V电池充电。目前还没有将12V总线的电力“提升”到高电压总线的应用，因此这些架构中的直流/直流变换器基本都是单向的。然而，在中度混动架构中，直流/直流变换器除了要从48V总线为12V电池充电外，还需要将12V总线中的电力转换到48V总线。主要的应用是，在使用接触器将48V电池连接到该总线之前对48V总线(即逆变器的输入电容)进行预充电。预充电对电池电压和逆变器输入进行均衡，从而能最大程度减小接触器的电弧现象。随着这两种架构的市场不断发展，高压总线上还会增加新的负载。高压总线上的负载通常比低压总线上的负载效率更高。此外，电子负载仅在需要时(比如泵)进行电子控制和通电，效率远超机械负载，因为后者与机械动力总成始终保持连接。随着越来越多的负载过渡到使用高压总线，这就可能额 外产生将12V总线上的电力提升到高压总线的需求。例如，锂离子电池在低温下性能不佳。因此，当发动机启动器由高压总线供电时，采用12V铅酸电池就会多有益处。因为它具有良好的冷启动能力，可以通过直流/直流变换器将电力返回到高压总线，帮助启动器驱使发动机开始运转。

　　图3、直流/直流变换器在汽车中的位置示意

　　①、不同直流/直流变换器的应用模式

　　新能源汽车直流/直流变换器有降压型变换器、稳压型变换器和升压型变换器。降压变换器几乎所有新能源汽车都会应用，稳压器主要用在Start-Stop系统，升压器个别整车企业会应用，主要集成在逆变器里。降压型DC/DC变换器的作用是将动力电池输出的高压电转换成低压电，给汽车低压电气设备供电，同时给低压蓄电池充电。当车辆启动时，低压蓄电池为低压电气设备供电，当行驶时，DC/DC变换器为低压电气设备供电。

　　图4、直流/直流变换器供电示意图

　　12V稳压型DC/DC变换器是防止在车辆启动过程中，电压的波动对一些敏感器件产生影响。升压型DC/DC变换器的作用是为了提高新能源汽车的动力系统的效率，选择用一个Boost的升压器来提高逆变器输入的总线电压。

　　1、DC/DC变换器在纯电动汽车中的应用纯电动汽车中的DC/DC变换器应用主要包括对低压蓄电池充电、低压电气设备供电、减速或制动时的能量回收以及提供驱动电机所需要电压等。在车辆行驶过程中，DC/DC变换器将动力电池电压转换为电动机所需要的电压，再经过逆变器将直流电转换为交流电驱动电动机运转。

　　图5、纯电模式

　　当车辆减速制动时，DC/DC变换器将车辆减速/制动时产生的电能经过电压转换输入给动力电池，完成能量回收。

　　图6、制动能量回收模式

　　最重要的是，DC/DC变换器将动力电池的高电压转换成低电压为低压蓄电池充电，同时为整车低压电气设备供电。

　　2、双向DC/DC变换器在混合动力汽车中的应用当混合动力汽车启动或极低车速时，发动机在低效率区域中工作，能量管理系统将切断燃油，使发动机停止，仅由电动机提供机械能。此时DC/DC变换器将动力电池电压转换成电动机所需要的电压，再经过逆变器将直流电转换为交流电驱动电动机运转。

　　图7、混动汽车双向DC/DC变换器

　　汽车在正常行驶时，此时启动发动机运转，输出两路能量，一路提供汽车运行的机械能。另一路使得电机工作在发电状态，向动力电池充电，直至合理状态，以备加速爬坡时提供辅助能量或回收制动能量。此时DC/DC变换器将电动机发出的电能经过电压转换输入给动力电池，完成充电。

　　图8、串联混动模式

　　当混合动力汽车爬坡或加速时，除了发动机正常运转外，还需启动动力电池输出电能，使得电机工作在电动状态提供辅助机械能，增加车轮的驱动力，使发动机始终工作在最佳效率区间。此时DC/DC变换器将动力电池电压转换成电动机所需要的电压，在经过逆变器将直流电转换为交流电驱动电动机运转。

　　图9、并联混动模式

　　汽车在减速或制动时，车轮驱动电机，电机工作在发电状态，能量回馈给储能装置。此时DC/DC变换器将电动机的电能经过电压转换输入给动力电池，完成能量回收过程。

　　图10、制动能量回收模式

　　汽车在怠速状态时，发动机一般自动停止，没有常规发动机那样的怠速，但当动力电池没有达到规定的电量状态时，发动机会驱动电机给动力电池充电，直至达到合理的电量状态。此时DC/DC变换器将电动机所发的电能经过电压转换输入给动力电池，完成充电。

　　3、双向DC/DC变换器在新能源汽车复合电源中的应用双向DC/DC变换器与超级电容串联，车辆加速时，DC/DC变换器将超级电容提供的额外大电流传递给逆变器。减速制动时，DC/DC变换器将电机回馈的能量传递给超级电容，使能量储存在超级电容中。

　　图11、复合电源

　　DC/DC变换器与超级电容串联，超级电容与动力电池并联组成复合电源，这种连接方式更适合用于新能源汽车辅助储能系统。

　　②、电气隔离DC/DC变换器

　　DC/DC变换器还可被分为隔离式和非隔离式。电气隔离，就是将电源与用电回路作电气上的隔离，即将用电的分支电路与整个电气系统隔离，使之成为一个在电气上被隔离的、独立的不接地安全系统，以防止在裸露导体故障带电情况下发生间接触电危险。实现电气隔离以后，两个电路之间没有电气上的直接联系。即，两个电路之间是相互绝缘的。同时还要保证两个电路维持能量传输的关系。电气隔离的作用主要是减少两个不同的电路之间的相互干扰，降低噪声。

　　图12、隔离型与非隔离型双向DC/DC变换器综合比较

　　非隔离式DC/DC转换器结构较为简单，每个部件直接相连，额外能量损失少，工作效率较高，但其实际应用中对升压侧的电容要求较高，主要产品有降压电路、升压电路、降压-升压电路等。非隔离式DC/DC变换器，按有源功率器件的个数，可以分为单管、双管和四管三类。单管DC/DC转换器共有六种，即降压式(Buck)DC/DC转换器 ，升压式(Boost)DC/DC转换器、升压降压式(Buck Boost)DC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器。在这六种单管DC/DC转换器中，Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。双管DC/DC转换 器有双管串接的升压式(Buck-Boost)DC/DC转换器。四管DC/DC转换器常用的是全桥DC/DC转换器(Full-Bridge Converter)。

　　图13、非隔离式DC/DC转换器电路图例

　　隔离式DC/DC变换器具有功率开关较多，电压变比较大，带电隔离等优点，但其结构更为复杂，成本相对较高。因此，非隔离式DC/DC转换器相比隔离式在汽车领域的应用更具备优势。隔离式DC/DC转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。单管的DC/DC转换器有正激式(Forward)和反激式(Flyback)两种。双管DC/DC转换器有双管正激式(DoubleTransistor Forward Converter)，双管反激式(Double Transistr Flyback Converter)、推挽式(Push-Pull Converter) 和半桥式(Half-Bridge Converter)四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器(Full-Bridge Converter)。

　　图14、隔离式DC/DC转换器电路图例

　　作为新能源电动汽车车载电源的重要部分，DC/DC转换器必须满足以下要求：

　　1、作为能量传递部件，提高能源的利用率，要求转换器转换效率高;

　　2、具有降压功能，从而降低对燃料电池的输出电压要求;

　　3、由于燃料电池包的输出电压不稳定，通过DC/DC变换器闭环控制系统对其进行稳压，需要具有良好的动态调节能力;

　　4、综合使用环境和需求，具有体积小重量轻的特点。

　　图15、新能源汽车结构组成

　　在实际的应用过程中，DC/DC转换器的合理使用非常重要，可以控制高电压值的稳定，有利于提升电动汽车的驱动性能。而目前的国内大多数厂商采用情况看，单向DC/DC转换器是市场主流，逐渐走向双向DC/DC转换器。单向DC-DC转换器可以达到优化电机控制、提高电动汽车整体效率性能的作用，同时还可以避免出现反向制动无法控制和变换器出现浪涌电压的不利情况。