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CN111355398B - 一种集成dc/dc转换器的双向车载充电机电路 - Google Patents

一种集成dc/dc转换器的双向车载充电机电路 Download PDF

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CN111355398B CN202010194379.XA CN202010194379A CN111355398B CN 111355398 B CN111355398 B CN 111355398B CN 202010194379 A CN202010194379 A CN 202010194379A CN 111355398 B CN111355398 B CN 111355398B
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Abstract

本发明公开了一种集成DC/DC转换器的双向车载充电机电路，包括双向AC/DC电路和双向DC/DC转换电路，双向DC/DC转换电路包括变压器、两个H桥开关电路和全波整流电路；第一H桥开关电路通过第一谐振电路接第一绕组，第二H桥开关电路通过第二谐振电路接第二绕组；全波整流电路两条半波整流支路的第一端分别接第三绕组的两端，第二端接全波整流电路输出端的第一端，第三绕组的中心抽头接全波整流电路输出端的第二端；半波整流支路包括整流管和斩波管、整流管与斩波管共源极串联，半波整流支路的整流管与斩波管同时开通，斩波管与输入侧绕组同名端的开关管同时关断，整流管相对于斩波管关断延时。本发明可以减小半波整流支路开关管的电压应力，降低击穿的风险。

Description

一种集成DC/DC转换器的双向车载充电机电路
[技术领域]
本发明涉及双向车载充电机，尤其涉及一种集成DC/DC转换器的双向车载充电机电路。
[背景技术]
传统的电动汽车车载充电机和车载DC/DC变换器都是单独的一个模块，独立工作，车载功率变换部分的体积和重量大。
申请号为CN201710559537.5的发明公开了一种新型的集成DC/DC转换器的车载充电机主电路及其控制环路，将DC/DC转换器与车载OBC做电气集成，并且能实现车载OBC双向传能；另外在蓄电池侧采用同步整流+PWM脉宽调制发波的控制策略，更大限度提高DC/DC功能模块效率；并使整机体积大幅度减小、成本明显降低、功率密度显著提高。
但是，但是该发明的高频变压器的原副边有两个谐振电感，加上主变压器总共有三个磁性元器件，磁性器件体积数量较大。另外该发明高频变压器的第三绕组、低压绕组的整流开关Q9和斩波开关Q12同时开通关断，整流开关Q10和斩波开关Q11同时开通关断。这种控制方法简单，但是在实际电路中，由于低压绕组输出电流常常达到100A以上，在整流开关和斩波开关同时关断时，由于线寄生电感的原因，关断时的大电流并不会瞬间降为0，导致整流管的结电容被充电到很高的电压，共源极点的电位下降，导致整流管和斩波管的漏源电压应力高，有可能击穿的风险。
[发明内容]
本发明要解决的技术问题是提供一种减小半波整流支路开关管的电压应力，降低击穿的风险的集成DC/DC转换器的双向车载充电机电路。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种集成DC/DC转换器的双向车载充电机电路，包括双向AC/DC电路和双向DC/DC转换电路，双向DC/DC转换电路包括变压器、第一H桥开关电路、第二H桥开关电路和全波整流电路；变压器包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，双向AC/DC电路与第一H桥开关电路通过直流母线连接；第一H桥开关电路的中点通过第一谐振电路接第一绕组，第二H桥开关电路的中点通过第二谐振电路接第二绕组；全波整流电路的输出端用于向车辆蓄电池供电；全波整流电路包括两条半波整流支路，第三绕组包括中心抽头，两条半波整流支路的第一端分别接第三绕组的两端，两条半波整流支路的第二端接全波整流电路输出端的第一端，中心抽头接全波整流电路输出端的第二端；半波整流支路包括整流管和斩波管、整流管与斩波管共源极串联，半波整流支路的整流管与斩波管同时开通，斩波管与输入侧绕组同名端的开关管同时关断，整流管相对于斩波管关断延时。
以上所述的双向车载充电机电路，通过调节斩波管的斩波占空比来实现对全波整流电路的输出增益。
以上所述的双向车载充电机电路，半波整流支路的开关频率与输入侧绕组开关管的开关频率相同，整流管与斩波管同时开通，斩波管与输入侧绕组同名端的开关管同时关断，整流管相对于斩波管关断延时。
以上所述的双向车载充电机电路，双向AC/DC电路为全桥开关电路，正向工作在SPWM整流模式，反向工作在SPWM逆变模式，其交流侧通过LC电路与交流输入端口相连，直流侧与直流母线相连。
以上所述的双向车载充电机电路，车载充电机正向工作时，第一H桥开关电路通过调节开关频率控制第二H桥开关电路输出的传输增益；车载充电机反向工作时，第二H桥开关电路通过调节开关频率控制第一H桥开关电路向直流母线输出的传输增益。
以上所述的双向车载充电机电路，包括三种工作模式：
模式一，从交流侧取电，经过双向AC/DC电路转换为母线直流电，第一绕组作为输入侧，向第二绕组和第三绕组传递能量，给动力电池和蓄电池充电；
模式二，从动力电池取电，第二绕组作为输入侧，向第三绕组供电，给蓄电池充电；
模式三，从动力电池取电，第二绕组作为输入侧，向直流母线供电，通过A双向AC/DC电路逆变给交流侧负载供电，同时向第三绕组供电，给蓄电池充电。
本发明通本发明可以减小半波整流支路开关管的电压应力，降低开关管击穿的风险。。
[附图说明]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例集成DC/DC转换器的双向车载充电机的电路图。
图2是本发明实施例车载充电机模式一下的等效电路图。
图3是本发明实施例车载充电机模式二下的等效电路图。
图4是本发明实施例车载充电机模式三下的等效电路图。
图5是本发明实施例低压PWM斩波调制的波形图。
图6是本发明实施例磁集成LLCC的等效电路图。
[具体实施方式]
本发明实施例集成DC/DC转换器的双向车载充电机电路如图1所示。该电路前级由双向AC/DC电路由全桥开关电路10、交流电感L1和电容C1组成。交流侧端子通过电感L1和电容C1组成的LC电路与4个开关管Q1、Q2、Q3、Q4组成的全桥开关电路两个半桥的中点相连，全桥开关电路的直流端与母线电容C2相连。
双向DC/DC转换电路包含一个高频变压器T1(50)，高频变压器包含三个绕组，第一高压绕组51、第二高压绕组52和低压绕组53，低压绕组53带有中间抽头。高频变压器集成绕组51对绕组52有漏感Lr1，绕组52对绕组51有漏感Lr2，高频变压器的集成漏感，参与电路谐振。高压绕组51通过谐振电容Cr1与H桥开关电路20的中点相连，H桥开关电路20由开关管Q5、Q6、Q7、Q8组成。，H桥开关电路20的直流端与直流母线相连。高压绕组52通过谐振电容Cr2与全桥开关电路30的中点相连，，H桥开关电路30由开关管Q9、Q10、Q11、Q12组成。，H桥开关电路30的直流端与高压端口与电容C3和动力电池相连。低压绕组53与全波整流斩波电路40相连，全波整流斩波电路40的输出与低压端口和电容C4相连，低压端口和电容C4与低压蓄电池相连。全波整流斩波电路40的第一半波整流斩波支路由整流管Q13和斩波管Q15共源极串联组成、第二半波整流斩波支路由整流管Q14和斩波管Q16共源极串联组成。
前级双向AC/DC电路正向充电时SPWM整流将单相交流电转变为母线直流电，反向放电时，SPWM逆变将母线直流电逆变为单相交流电给交流负载供电。
本发明实施例磁集成双向车载充电机电路有三种工作模式：
在模式一下工作，电路从交流侧取电，经过AC/DC电路转换为母线直流电，高频变压器第一绕组作为输入侧，向第二绕组和第三绕组传递能量，给动力电池和低压蓄电池充电。
在模式二下工作，电路从动力电池取电，第二绕组作为输入侧，向第三绕组供电，给低压蓄电池充电。
在模式三下工作，电路从动力电池取电，第二绕组作为输入侧，向母线供电，通过AC/DC电路逆变给交流负载供电，给第三绕组供电，给蓄电池充电。
在模式一或模式三中，当低压输出需要调节输出增益时，斩波开关通过调节斩波占空比来实现对低压输出调节。斩波管Q15的驱动关断与输入侧绕组的同名端开关同时关断。整流管Q13的驱动开通和斩波管Q15同时开通。整流管Q13的驱动关断比斩波管Q15的关断延时。斩波管Q16的驱动关断与输入侧绕组的同名端开关同时关断。整流管Q14的驱动开通和斩波管Q16同时开通。整流管Q14的驱动关断比斩波管Q16的关断延时。
如附图2所示，当电路工作在模式一时，从交流端口取电，经过AC/DC全桥开关电路10进行SPWM整流后转换为直流能量。此时与高频变压器第一绕组51相连的H桥开关电路20作为输入侧开关，通过高频变压器第二绕组52向动力电池充电，通过高频变压器第三绕组53向低压蓄电池充电。此时与第二绕组52相连的全桥开关电路30保持与H桥开关电路20跟随进行同步整流。在工作模式一下，第一绕组51作为原边绕组，其对第二绕组52的漏感Lr1和励磁电感Lm1、谐振电容Cr1、谐振电容Cr2共同参与谐振，电路工作在LLCC模式。H桥开关电路20通过调节开关频率控制H桥开关电路30高压输出的传输增益。低压侧全波整流斩波电路40需要调节斩波占空比，调节低压输出传输增益。
如图3所示，当电路工作在模式二时，从动力电池直流端口取电。此时与高频变压器第二绕组52相连的H桥开关电路30作为输入侧开关，通过高频变压器第三绕组53向低压蓄电池充电。此时第二绕组52相对第三绕组52的漏感Lr3和第二绕组的励磁电感Lm2、谐振电容Cr2参与谐振，电路工作在LLC模式。低压侧全波整流斩波电路40跟随输入侧开关30同步整流，输入侧开关30通过调节开关频率，来调节低压输出传输增益。
如图4所示，当电路工作在模式三时，从动力电池直流端口取电。此时与高频变压器第二绕组52相连的H桥开关电路30作为输入侧开关，通过高频变压器第三绕组53向低压蓄电池充电，通过第一绕组51向母线电容C2供电。母线电容通过AC/DC全桥10反向工作SPWM逆变给交流负载供电。此时第二绕组52相对第一绕组51的漏感Lr2和第二绕组的励磁电感Lm2、谐振电容Cr2、Cr1参与谐振，电路工作在LLCC模式。此时与第一绕组51相连的H桥开关电路20保持与H桥开关电路30跟随进行同步整流。H桥开关电路30通过调节开关频率控制H桥开关电路20向直流母线输出的传输增益。
在模式二或模式三中，可以通过调节H桥开关电路30的开关频率来调节低压输出增益，还可以调节斩波占空比，调节低压输出传输增益。
图6展示了电路工作在模式一LLCC模式下的等效电路图。此时副边谐振电容Cr2等效到原边的谐振电容Cr2_eq。高频变压器第一绕组和第二绕组的匝比为n。则等效谐振电容Cr2_eq满足Cr2_eq＝Cr2/n2。原边的谐振频率满足：
Figure BDA0002417054120000061
在本实施例中，取第一绕组，第二绕组，第三绕组匝数之比为17:17:2。因此Cr2_eq＝Cr2。取漏感Lr1＝Lr2＝20uH,谐振电容Cr1＝Cr2＝253nF,励磁电感Lm1＝Lm2＝120uH，因此谐振频率fr＝100KHz。同理在模式三工作时，谐振频率也为100KHz。
因此在车载充电机正反向工作时，都能工作在LLCC模式下，原副边都能够谐振软开关，并且通过变压器集成漏感参与电路谐振软开关，极大的减少了电路的磁性器件，加大了功率密度。
在模式二工作时，第二绕组的励磁电感Lm2和第二绕组对第三绕组的漏感Lr3和谐振电容Cr2参与谐振工作，电路为LLC工作模式。本实施例中Lr3＝26uH,因此谐振频率为fr＝62KHz。
如图5所示，展示了工作在模式一，低压绕组侧工作在整流和PWM斩波时各关键波形。在t1时，输入侧开关管Q5和Q8导通，输入侧向第二绕组侧动力电池充电。在t2时，低压侧整流管Q13和斩波管Q15开通，此时与Q13相连处绕组电压为正向，低压绕组向低压输出侧传递能量。在t3时，斩波管Q15关断，整流管Q13未关断，低压侧电流通过Q15体二极管迅速降为0。在t4后整流管Q13关断。如图5所示，低压输出电压V4＝16.4V。在一个周期内整流管Q13的漏源极电压Vds不超过30V，斩波管Q15的漏源极电压Vds不超过50V。同理，在另外半个周期Q14和Q16的工作状态也如上所述。所以，本方法能有效避免关断大电流带来的低压侧开关的电压应力问题。
本发明以上实施例的成DC/DC转换器的双向车载充电机电路，能够实现车载充电机的双向功能，能够实现给低压蓄电池充电。通过高频变压器的磁集成，利用高频变压器的集成漏感作为谐振电感参与电路工作，只需要交流电感和高频变压器，极大减小了功率电路磁性器件的数量，提高了整个变换器的功率密度。通过对低压侧整流开关和斩波开关的新的控制方法，能有效地降低关断大电流带来的低压侧开关的电压应力。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员通过本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种集成DC/DC转换器的双向车载充电机电路，包括双向AC/DC电路和双向DC/DC转换电路，双向DC/DC转换电路包括变压器、第一H桥开关电路、第二H桥开关电路和全波整流电路；变压器包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，双向AC/DC电路与第一H桥开关电路通过直流母线连接；第一H桥开关电路的中点通过第一谐振电路接第一绕组，第二H桥开关电路的中点通过第二谐振电路接第二绕组；全波整流电路的输出端用于向车辆蓄电池供电；其特征在于，全波整流电路包括两条半波整流支路，第三绕组包括中心抽头，两条半波整流支路的第一端分别接第三绕组的两端，两条半波整流支路的第二端接全波整流电路输出端的第一端，中心抽头接全波整流电路输出端的第二端；半波整流支路包括整流管和斩波管、整流管与斩波管共源极串联，半波整流支路的整流管与斩波管同时开通，斩波管与输入侧绕组同名端的开关管同时关断，整流管相对于斩波管关断延时。
2.根据权利要求1所述的双向车载充电机电路，其特征在于，通过调节斩波管的斩波占空比来实现对全波整流电路的输出增益。
3.根据权利要求1所述的双向车载充电机电路，其特征在于，半波整流支路的开关频率与输入侧绕组开关管的开关频率相同。
4.根据权利要求1所述的双向车载充电机电路，其特征在于，双向AC/DC电路为全桥开关电路，正向工作在SPWM整流模式，反向工作在SPWM逆变模式，其交流侧通过LC电路与交流输入端口相连，直流侧与直流母线相连。
5.根据权利要求1所述的双向车载充电机电路，其特征在于，车载充电机正向工作时，第一H桥开关电路通过调节开关频率控制第二H桥开关电路输出的传输增益；车载充电机反向工作时，第二H桥开关电路通过调节开关频率控制第一H桥开关电路向直流母线输出的传输增益。
6.根据权利要求1所述的双向车载充电机电路，其特征在于，包括三种工作模式：
模式一，从交流侧取电，经过双向AC/DC电路转换为母线直流电，第一绕组作为输入侧，向第二绕组和第三绕组传递能量，给动力电池和蓄电池充电；
模式二，从动力电池取电，第二绕组作为输入侧，向第三绕组供电，给蓄电池充电；
模式三，从动力电池取电，第二绕组作为输入侧，向直流母线供电，通过A双向AC/DC电路逆变给交流侧负载供电，同时向第三绕组供电，给蓄电池充电。
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