比亚迪e3.0发布的时候提到了“驱动复用,升压充电”,也就是用电驱动替代传统DC-DC电路,实现500V充电桩直接给800V电池充电。
了解这个之前,先回顾电路的基础知识,先从降压电路开始。
假设一个电源是100V,一个负载(假设是一个阻抗5欧姆的灯泡)额定电压只需要50V,怎么办?
有人说这个好办,根据电阻串联分压原理,串联一个5Ω的电阻不就行了,这样负载的电压就是100×5/(5+5)=50V
那么,问题就来了,整个电路电流=100/(5+5)=10A
负载功率=500W,电阻功率=500W,整个电路1000W的功耗,结果只有50%是用来干活,另外50%被浪费掉了,这种电路的效率也未免太低。
电力电子的基本思想是“等效”。开关电源基于这个思想被发明了出来。
通过一个开关,两个触点1和2,在一个周期T的时间内,先将开关拨到1,负载联通,此时负载两端的电压v(t)等于电源电源Vg,持续DT(D<1,称为占空比,表示开关电源一个周期内通电时间的占比)时间后,切换到触点2,此时负载被断路,电压变为0。然后下个周期再把开关切回1,持续DT,再切到2。。。如此循环,那么对于负载而言,平均电压Vs就等于每个周期内导通的时间除以周期的总时间然后乘以母线电压,即Vs=DVg,这个很好理解,毕竟电源的每个周期只有占比D的时间在工作。
如果电路中没其他损失的话,电源理论效率可以做到100%!
但是这样还不行,这个电源的输出到负载的电压一会儿Vg,一会儿是0,波动太剧烈。如果耐压扛不住,灯泡说不定就炸了。而且在每个周期,阶段2时间内,电压完全没有,表现出来就是灯泡忽明忽暗。。。
有没有办法能够让这个过程平滑一点?
人们想到了电感和电容,电感和电容都是储能元器件,一个可以储存电荷(让电压平滑),一个可以储存磁场(让电流平滑)。
这样是不是看起来舒服多了?
看一个12V转5V的例子(B站up主:爱上半导体)
在一个周期内5/12的时间,开关闭合,此时电流流过电感,电容,负载,此时二极管电位上高下低,二极管阻断,没有电流流过,电感上会感应出一个左正右负的电压,使得负载电压达不到12V,负载上的电压波形如上图右侧。
然后在剩余7/12的时间内,开关断开,在开关断开的一瞬间,电感上感应出一个维持电路中电流的左负右正的电压,二极管电位此时是上负右正,导通,此时电路中的电感相当于电源,还没等到电感中能量耗尽,开关又闭合了,又开始了新的一轮充电,负载电压又被抬了起来。。。
最终电源输出到负载端的电压波形如下:
这个5V的电压,就平滑多了,实际电路中,选择合适的开关频率,电感和电容值,可以把波动降低到0.02V以内,几乎就是一条直线。
还有一个问题,开关的高速开通和断开怎么实现?用人的手当然是不可能的,每秒开关几千次,人们发明了晶体管,通过MOSFET,IGBT等,可以实现。
以上的这种直流转直流(DC-DC)的降压电路也被成为Buk电路。
了解了降压电路,再来理解直流升压电路(DC-DC boost)就方便了。
开关断开前,此时电流流过电感,电容
当开关断开时,此时由于负载阻抗较大,流过电感的电流要降低,电感感应出一个维持电流的电压,叠加到负载上。输出波形如下图
当开关再次闭合,此时电路左边相当于被短路,电源电流不再流过负载,负载此时只能靠电容放电来维持电压和电流,负载端的电压开始下降。
此时负载端的电压波形是这样的:
如此反复开关,最终波形这样:
选择合适的电感,电容,开关频率和占空比,就能得到平滑的输出电压
电压增益(升压倍率)和占空比有关,输出电压v=Vg×1/(1-D)
如果是要将5V电压升到12V,那么占空比D=7/12,即每个周期内,开关晶体管要在7/12的时间导通,5/12的时间断开。
学习回顾下DC-DC降压电路(buk)和升压电路(boost),后面再学习比亚迪的这个驱动复用技术和广汽,华为的相关专利。
审核编辑:汤梓红
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