【应用】双向同步PWM控制器，助力实现12至48V电路板网络间的双向DC-DC转换

世界各地的汽车制造商已经开始发布包括新型48V电源子系统（也称为电路板网络）的车辆。首次发布的消息来自欧洲的原始设备制造商，如奥迪，其宣布采用SQ7 TDI模型的48V系统。奥迪48V系统为消除涡轮迟滞的电动压缩机和机电主动式侧倾稳定系统提供动力，从而改善驾乘和操控性能。其他欧洲原始设备制造商已宣布他们即将推出48V轻度混合动力系统，例如奔驰计划在其S-Class系列中引入48V子系统以提高燃油经济性。吉利和一汽集团等中国原始设备制造商宣布未来几年将推出48V轻度混合动力车，意大利美国原厂菲亚特克莱斯勒也发布了类似声明。

尽管引入48V子系统的确带来了车辆成本的增加，但广泛接受的调查结果表明，汽车制造商承认它是降低二氧化碳排放量，提高燃油经济性和提升驾驶性能的一种手段，可以重燃驾驶员的驾驶乐趣。采用48V轻度混合动力系统的关键驱动因素是对汽车制造商车辆的二氧化碳排放量和燃油经济性的要求。对不符合这些立法目标的原始设备制造商施加的处罚将非常严厉。

48V系统的关键要素

48V系统通常由几个核心元件组成，如图3所示。它有一个48V电池，一个48V起动机/发电机和一个12-48VDC/DC转换器。通常，48V锂离子电池为该电路板网提供能量存储。锂离子电池因其高能量存储重量比（能量密度）和快速接受能量的能力而成为电池技术的首选，可实现高效的再生制动系统。48V起动机/发电机取代了12V交流发电机和12V起动机。它能够起动引擎，然后充当发电机，将内燃机的旋转能量转化为电力。在制动期间，车辆的动能转动发电机，因此产生电力，通常为12-15KW，同时减缓车辆。根据起动机/发电机集成到动力系统的方式，它也可以在加速期间提供增压或扭矩辅助。最后，使用12V/48V双向DC/DC转换器将现有的12V电路板网络连接到新的48V电路板网络。12V/48V的DC/DC转换通常从48V系统向12V网络提供高达3.5kW的功率，为现有车载电子设备供电。而在某些情况下，12V电路板网络必须通过12V/48V DC/DC转换为48V电子电路供电，因此需要双向电源传输。除了48V子系统的这三种常见元件之外，其他可能添加的元件还包括电动压缩机、机电式滚动稳定器，电动屏幕清晰器以及支持水泵、冷却风扇等功能的各种电机。

图3 48V电路板网络的关键组件

真实测试证明了其价值

汽车制造商和系统集成商一直在进行真实测试，以确认配备48V系统的车辆能实现二氧化碳减排和燃料改进。最近，福特汽车与多家供应商和研究人员合作开发的先进柴油机动力总成（ADEPT）项目显示，配备了48V轻度混合动力系统的福特福克斯减少了10-12％的二氧化碳排放量。他们宣布，由于混合动力系统提供更高的满载转矩，该车辆的二氧化碳排放量可低于80g/km，响应性和加速度都有所提高。

汽车制造商已投资于48V轻度混合动力系统，不仅因为它提供了二氧化碳、燃油经济性和驾驶性能方面的优势，而且因为它以可承受的成本实现了这一目标。上面描述的大多数好处都是通过全混合动力提供的。事实上，全混合动力的好处往往超过了轻度混合动力带来的好处。但是，关键的区别在于成本。全混合动力车需要一个非常大的电池组，能够存储足够的能量以将车辆从A点移动到B点，以及需要具备能够推动车辆的大型电动机。然后增加了重新设计车辆整个动力总成的复杂性，并且成本变得过高。成本通常被认为是混合动力汽车仍然只占汽车销售量很小一部分的关键原因之一。轻度混合，制造商可以增加额外元件到车辆中，而无需进行大规模的更改。机械元件可以设计成集成到现有的车辆平台，进一步消除了额外的制造费用。

在电气方面，48V系统从一开始就被设想为一种渐进式改变。 12V电子设备的安装基础非常庞大，并且涉及到车辆的许多方面，因此尝试将所有这些设备迁移到48V运行的成本非常高昂。随着渐进式方法的出现，像起动器/发电机这样的新元件可以设计成从48V工作，而不改变现有的12V电子设备，例如室内照明和信息娱乐系统。

双向DC/DC控制器支持12V-48V系统

采用12V/48V电源系统方案时，唯一需要的附加组件是功率相对较高的高达3.5kW的双向DC/DC转换器（如图4所示），可在48V和12V系统之间进行桥接。 最初，车辆中这种转换器的设计确实带来了挑战，因为DC/DC转换器和基础半导体设计为仅在一个方向上运行，并且它们被限制在几百瓦或更小的功率。 幸运的是，Intersil（RENESAS收购）的新型控制器设计（ISL78226）可用于在12至48V电路板网络之间提供双向DC-DC转换，并且可以将功率从1kW以下提升到超过3.5kW。

图4 采用ISL78226 PWM控制器的3.5kW多相12V/48V系统

Intersil推出的ISL78226是一款6相12V/48V双向同步PWM控制器，旨在解决在12V和48V电源系统之间实现高功率双向桥接所带来的挑战。为了支持政府推行的新要求，汽车一级供应商最初不得不将现有设备和用于其他目的的系统集成在一起。一种方法是使用DSP来实现可用于驱动多相半桥功率转换阶段的数字功率算法。这种方法非常灵活，但需要对控制理论有深入的了解，并且需要对固件进行广泛的长期支持。另一种方法是将两个单向控制器与多路复用器和一个微控制器组合起来以激活适当的路径。这种方法需要冗余组件，从而形成一个庞大而复杂的最终解决方案。

ISL78226又是一款单模拟控制器，可执行双向DC/DC电源转换，消除了上述替代方法的缺点。它可以控制多达6相并自动改变激活相数量以适应输出要求的负载，从而最大化DC/DC转换效率。单个IC通常可支持高达3.75kW的功率转换，但多个ISL78226 PWM控制器IC可以结合使用，以管理更高功率系统的更多相位。当并联使用以实现更高功率转换时，IC可协调相间电流平衡和故障响应。该款控制器可调节输出电压（在降压模式下为12V或在升压模式下为48V），并包含一个简单的轨道接口，可通过数字PWM信号或模拟参考调整输出电压。在调节输出电压的同时，器件主动平衡每个功率阶段的平均电流，这有助于均衡损耗。

此外，ISL78226 PWM控制器可调节最大平均电流，以限制向任一个方向传输的功率。这可以保护DC/DC转换器以及车辆的整个电力网络。它还允许在12V电池或48V电池直接连接到输出的应用中进行恒定电流充电。该控制器包含一个PMBus数字接口，可提供系统控制和诊断功能，实现功能安全目标，并具有足够的故障覆盖范围。它还允许系统在条件超过警告阈值时采取预防措施；并且在发生严重故障时，该控制器可配置为允许车辆跛行回家。 ISL78226 PWM控制器简化了双向DC/DC转换器的设计，使得12V和48V电源网络共存成为可能，同时有助于提高48V电路板的成本效益。

结论

汽车原始设备制造商完全接受了48V电源子系统，并表示正在进行新车型开发。几家汽车制造商已经公开宣布了其48V轻度混合动力汽车。增加48V系统的驱动因素是通过轻度混合动力可提高燃油经济性并减少二氧化碳排放量，同时增强车辆的驾驶性能，48V电路板网络以可接受的成本实现了所有汽车制造商的目标。