专利名称：一种用于电动汽车dc/dc转换器的高性能软开关的制作方法
技术领域：
本发明属于汽车软开关技术领域，涉及一种用于电动汽车DC/DC转换器的高性能软开关。
背景技术：
在电动汽车中，DC/DC转换器是必不可少的部件，它是转变输入电压后有效输出需求电压的电压转换器，具有保障车载低压蓄电池正常供电的作用，当车载低压蓄电池亏电时，车辆通过它将动力电池中的电能充入车载低压蓄电池中，保障车辆低压电子器件的正常工作。由于车载低压蓄电池工作频繁，使得DC/DC也必须频繁开启与关闭，但受开关管的导通和关断损耗影响，从而导致DC/DC变换部分经常损坏。目前大部分DC/DC产品采用的都是硬开关或零电压软开关，硬开关DC/DC变换器是利用2个IGBT轮流切换，在高频变压器一次侧产生高频矩形交变电压，带中心抽头的二次侧绕组输出的电压经二极管再次整流后输出直流电压，这种方法很容易导致开关损耗很大，且容易损坏DC/DC变换部分。零电压软开关在超前臂的开关控制比较容易，但是它在滞后臂则难以实现，它虽然能在一定程度上减少开关的损耗但效果并不明显。IGBT即为绝缘栅双极型晶体管，由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点，且驱动功率小而饱和压降低。中国专利文献公开了专利号为94113331. 1的脉冲宽度调制与零电流零电压谐振开关联合控制逆变方法，该方法内的软开关利用全桥逆变回路中的负载及线路寄生电感、 电容在开关过程中形成电压和电流的谐振，采用电流过零时关断开关器件，电压为零时开通开关器件，该发明一定程度上减少了开关管的损耗，但同时存在几点不足1、该发明在零电流零电压开关断开关器件时开关比较单一，超前臂和超后臂的控制过程，导致该软开关的实现范围较窄；2、零电流控制在滞后臂上不容易实现。3、该全桥开关电路在整个移相控制过程中调整死区时间，从而使得转换器的输出不够可靠。
发明内容
本发明针对现有的技术存在上述问题，提出了一种用于电动汽车DC/DC转换器的高性能软开关，本发明通过零电压零电流的双闭环恒压控制方式降低DC/DC中开关的损耗，可在宽范围内实现软开关。本发明通过下列技术方案来实现包括分别依次连接的控制模块、驱动模块、包括四个开关管IGBT的开关网络、变压模块和滤波整流模块，滤波整流模块输出端与控制模块之间连接的反馈模块，所述的反馈模块用于采样输出端负载上的电压V2并进行衰减且输出给控制模块，所述的控制模块用于根据反馈模块的采集信号比较放大后分别输出四路不同相位的触发脉冲控制驱动模块驱动四个开关管IGBT的通断工作，所述的四个开关管IGBT 在触发脉冲控制下间隔导通和关断，其中两个开关管IGBT构成超前臂，另外两个开关管IGBT构成滞后臂，且在关断和导通过程超前臂与滞后臂之间形成重叠角。电路接通电源，控制模块实时接收反馈模块采集的电路输出端电压和电流等采样数据，衰减后的采样数据与设定值进行比较放大后输出特定宽度的触发脉冲，控制模块输出特定宽度和不同相位的触发脉冲给驱动电路，驱动电路驱动四个开关管IGBT分别在不同的时刻进行关断和导通，同时DC/DC输入电压经开关管的关断和导通制造的重叠角来控制输出电压，输出电压经变压模块和整流模块变压整流后输出平滑的电流给负载。在上述的用于电动汽车DC/DC转换器的高性能软开关中，所述的控制模块包括连接有外围电路的PWM主控制器U(^875和保护单元，上述的反馈模块与PWM主控制器之间连接运放单元。反馈模块采集数据经运放单元进行比较放大后由PWM主控制器控制输出触发脉冲。在上述的用于电动汽车DC/DC转换器的高性能软开关中，所述的保护单元包括 UC2875内部设置的短路保护和过流保护电路，所述的过流保护电路连接Ua875的C/S脚。 当Ua875的C/S脚电压大于2. 5V时，UC2875关闭输出动作进行重启动，以消除过流对电路的冲击。在上述的用于电动汽车DC/DC转换器的高性能软开关中，所述的运放单元包括一个外置运算放大器和UU875内置运算放大器，所述的外置运算放大器的负输入端与反馈模块通过电阻连接，正输入端连接一个电压环的定值电压，输出端连接Ua875的ea+脚， 外置运算放大器的输出端与负输出端串联一个电阻和一个电容；U(^875芯片中的ea+脚、 ea-脚和ea/out脚分别为UU875内置运算放大器的正负输入端和输出端，UC2875内置运算放大器正负输入端分别连接有电阻。运放单元与PWM控制器连接形成双环控制电路，反馈电路采集输出电压衰减后输入外置运算放大器的负输入端，负输入端电压与正输入端电压比较放大后输出，由外置运算放大器连接组成的电路为电压外环控制电路。外置运算放大器的输出电压输出给UU875 内置运算放大器的正输入端，由UU875内置运算放大器连接组成的电路为电流内环控制电路，即外置运算放大器的输出作为电流内环的给定值。在上述的用于电动汽车DC/DC转换器的高性能软开关中，所述的外围电路包括 UC2875的死区设置脚dlyA/B脚与dlyC/D脚和接地之间分别并联连接的电容和电阻。 UU875的死区设置脚通过连接不同的电容和电阻来调整同一桥臂两个开关管的驱动信号的死区时间，防止同一桥臂的两个开关管同时导通。在上述的用于电动汽车DC/DC转换器的高性能软开关中，所述的四个开关管IGBT 分别为开关管S1、开关管&、开关管&和开关管、，所述的每个开关管IGBT的栅极对应连接驱动电路，集电极和发射极之间分别反向并联连接有一个二极管和一个寄生电容；所述开关管S1的发射极连接开关管S3的集电极使得开关管S1和&构成滞后臂，所述开关管& 的发射极连接开关管、的集电极使得开关管&和、构成超前臂，超前臂与滞后臂并联后再连接于输入电源，输入电源反向并联连接有两个正向串联连接的续流二极管Dai和Da2，所述续流二极管Dai的负极与输入电源的正极连接，所述续流二极管Dai的正极与续流二极管 Da3的负极连接，所述续流二极管Da3的正极与输入电源的负极连接。开关管的两极连接的电容在开关管的导通和关断过程中形成电压和电流的谐振。 输入直流电压通过控制开关管的通断顺序以及通断时间来控制输出电压。二极管对两极施加的电压具有正向导通反向截止的特性。在上述的用于电动汽车DC/DC转换器的高性能软开关中，所述的驱动模块包括 UC2875的outA脚，outB脚，outC脚，outD脚和两组具有两个独立二次侧绕组的变压器T3 和T4,所述outA脚通过电感和outB脚分别连接所述变压器T3的一次侧绕组线圈的两端， 所述开关管S1的栅极连接于所述变压器T3的同极二次侧线圈，所述开关管&的栅极连接所述变压器T3的异极二次侧线圈，所述outC脚通过电感和outD脚分别连接所述变压器T4 的一次侧绕组线圈的两端，所述开关管&的栅极连接所述变压器T4的同极二次侧线圈，所述开关管、的栅极连接所述变压器T4的异极二次侧线圈。outA脚和outB脚的输出控制脉冲经变压后驱动滞后臂开关管的通断，outC脚，outD脚的输出控制脉冲经变压后驱动超前臂开关管的通断，以上的连接方式可以看出超前臂与滞后臂的两个桥臂开关管导通相差一个相位，同一桥臂的两个开关管180°互补导通。在上述的用于电动汽车DC/DC转换器的高性能软开关中，所述的驱动模块(2)包括U(^875的outA脚，outB脚，outC脚，outD脚和两组具有两个独立二次侧绕组的变压器 T3和T4,所述outA脚通过电感和outB脚分别连接所述变压器T3的一次侧绕组线圈的两端， 所述开关管S1的栅极连接于所述变压器T3的同极二次侧线圈，所述开关管&的栅极连接所述变压器T3的异极二次侧线圈，所述outC脚通过电感和outD脚分别连接所述变压器T4 的一次侧绕组线圈的两端，所述开关管&的栅极连接所述变压器T4的同极二次侧线圈，所述开关管、的栅极连接所述变压器T4的异极二次侧线圈。辅助变压器T2为滞后臂提供反向电压并同时吸收与主变压器T1 一次侧线圈连接的漏感Lik上的能量“，从而实现滞后臂的零电流开通和关断。在上述的用于电动汽车DC/DC转换器的高性能软开关中，所述整流滤波模块包括二极管Dfl、二极管Df2和滤波电感Lf，所述二极管Dfl的负极与二极管Df2的负极连接后再串联连接滤波电感Lf，所述二极管Dfl的正极和二极管Df2的正极连接主变压器T1的二次侧线圈。在主变压器T1的一次侧线圈上的漏感Lik、主变压器T1的二次侧线圈上的滤波电感Lf 上的电流i2和超前臂上开关管S2、S4自身的寄生电容使超前臂实现零电压导通和关断。现有技术相比，本用于电动汽车DC/DC的高性能软开关具有以下优点1、本发明通过双闭环恒压控制方式实现开关管的零电压零电流通断，从而降低 DC/DC中开关的损耗，可在宽范围内实现软开关，同时降低了 DC/DC转换器在工作时的功率损耗、延长开关管的使用寿命。2、本发明采用电压控制和电流控制的双闭环控制模式，控制模块结合反馈模块可达到调节输出较宽范围PWM脉冲，从而自动限制输出电流值，提高DC/DC输出动态响应，使电源在负载突变的情况下，没有大的输出电压过冲。3、本发明采用肌观75芯片作为PWM主控制器进行脉冲控制，减少外围电路，同时使控制更加简便、灵活。
图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的主电路示意图；图3是本发明的驱动模块结构示意图4是本发明的控制模式结构示意图。图中1、控制模块；2、驱动模块；3、开关网络；4、变压模块；5、滤波整流模块；6、负载；7、反馈模块；11、过流保护电路；21、Ua875内置运算放大器；22、外置运算放大器。
具体实施例方式以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述， 但本发明并不限于这些实施例。如图1所示，本用于电动汽车DC/DC转换器的高性能软开关，包括分别依次连接的控制模块1、驱动模块2、包括四个开关管IGBT的开关网络3、变压模块4、滤波整流模块5 和负载6，滤波整流模块5输出端与控制模块1之间连接反馈模块7。反馈模块7用于采样输出端负载6上的电压并进行衰减后输出给控制模块1。控制模块1用于输出四路触发脉冲控制驱动模块2驱动四个开关管IGBT的通断工作。如图2、图3所示，控制模块1包括连接有外围电路的PWM主控制器U(^875和保护单元，反馈模块7与PWM主控制器之间连接运放单元，保护单元包括肌观75内部设置的短路保护和过流保护电路11，过流保护电路11连接UU875的C/S脚。运放单元包括一个外置运算放大器22和UU875内置运算放大器21，外置运算放大器22的负输入端与反馈模块7通过电阻连接，正输入端连接一个电压环的定值电压，输出端连接Ua875的ea+脚，外置运算放大器22的输出端与负输出端串联一个电阻和一个电容；U(^875芯片中的ea+脚、 ea-脚和ea/out脚分别为U(^875内置运算放大器21的正负输入端和输出端，UC2875内置运算放大器21正负输入端分别连接有电阻。外围电路包括UU875的死区设置脚dlyA/B 脚与dlyC/D脚和接地之间分别并联连接的电容和电阻。如图2所示，驱动模块2包括U(^875的outA脚，outB脚，outC脚，outD脚和两组具有两个独立二次侧绕组的变压器，outA脚通过电感和outB脚分别连接变压器T3的一次侧绕组线圈的两端，开关管S1的栅极连接于变压器T3的同极二次侧线圈，开关管&的栅极连接变压器T3的异极二次侧线圈，outC脚通过电感和outD脚分别连接变压器T4的一次侧绕组线圈的两端，开关管&的栅极连接变压器T4的同极二次侧线圈，开关管、的栅极连接变压器T4的异极二次侧线圈。如图4所示，变压模块4包括一个主变压器T1和一个辅助变压器T2,所述的辅助变压器T2的一次侧线圈连接于二极管Dai的正极和Da3的负极之间，辅助变压器二次侧线圈与主变压器T1的一次侧线圈一端连接，辅助变压器的中间抽头连接开关管&的发射极和开关管、的集电极；主变压器T1的一次侧线圈另一端串联漏感Lik，漏感Lik连接于开关管S1 的发射极和开关管&的集电极，主变压器T1的二次侧线圈连接整流滤波电路。整流滤波模块包括二极管Dfl，二极管Dfl的负极与二极管Df2的负极连接后再串联连接滤波电感Lf，二极管Dfl的正极和二极管Df2的正极连接主变压器T1的二次侧线圈。每个开关管IGBT的栅极对应连接驱动电路，集电极和发射极之间分别反向并联连接一个二极管和一个电容；开关管S1的发射极连接开关管&的集电极使得开关管S1和 S3构成滞后臂，开关管&的发射极连接开关管、的集电极使得开关管&和、构成超前臂， 超前臂与滞后臂并联后再连接于输入电源，输入电源与两个正向串联连接的续流二极管反向并联连接，输入电源的正极连接二极管Dai的负极，二极管Dai的正极连接二极管Da3的负极，二极管Da3的正极连接电源的负极。如图2、图3、图4所示，DC/DC转换器电源接通开关网络3，同时输出端负载6上产生电压，此电压经反馈模块7采集并衰减50倍后输出的采样电压值输入外置运算放大器22 的负输入端，外置运算放大器22的正输入端连接UU875的slope脚，同时外置运算放大器 22的正输入端接收UU875内部增益电压的分压作为电压环的定值输入，外置运算放大器 22输出电压。经外置运算放大器22比较放大后的输出电压为电压环输出电压，电压环输出电压作为电流环的给定值，电压流经电阻产生电流为定值电流输入U(^875的ea+脚，输出端滤波电感Lf上的电流输入U(^875的ea-脚，电流环控制通过完成U(^875内置的运算放大器ea/out脚输出，ea/out脚的输出脉冲大小与outA脚、outB脚、outC脚和outD脚的输出脉冲大小相同，outA脚和outB脚控制脉冲经变压后驱动滞后臂开关管的通断，outC脚， outD脚的输出控制脉冲经变压后驱动超前臂开关管的通断。同时通过调整输出脉冲的死区时间和触发脉冲宽度来有效控制四个开关管IGBT 分别在不同的时刻进行关断和导通，UC2875的死区设置脚通过连接不同的电容和电阻来调整同一桥臂两个开关管的驱动信号的死区时间，防止同一桥臂的两个开关管同时导通。超前臂与滞后臂的两个桥臂开关管导通相差一个相位，同一桥臂的两个开关管180°互补导
ο同时开关管的两极连接的电容在开关管的导通和关断过程中形成电压和电流的谐振。超前臂在开关管的导通和关断过程中形成电压谐振，滞后臂在开关管的导通和关断过程中形成电流谐振。同时辅助变压器T2为滞后臂提供反向电压并同时吸收与主变压器 T1 一次侧绕组线圈连接的漏感Lik上的能量“，从而实现滞后臂的零电流导通和关断。在主变压器T1的二次侧线圈上的滤波电感Lf上的电流i2和滞后臂上开关管两极上的寄生电容使超前臂实现零电压的导通和关断。输入直流电压通过控制开关管的通断顺序以及通断时间制造的重叠角来控制输出电压。输出电压经变压模块4和滤波整流模块5变压整流后输出平滑的电压为V2的电流给负载6。当U(^875的C/S脚电压大于2. 5V时，U(^875关闭输出动作进行重启动，以消除过流对电路的冲击，UC2875的内部有短路保护电路。上述的保护电路简单容易形成，同时很好的为整个软开关电路起到保护作用。本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。尽管本文较多地使用了控制模块1、驱动模块2、开关网络3、变压模块4、滤波整流模块5、负载6、反馈模块7、过流保护电路11、UC2875内置运算放大器21、外置运算放大器 22等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
权利要求
1.一种用于电动汽车DC/DC转换器的高性能软开关，其特征在于，包括分别依次连接的控制模块⑴、驱动模块⑵、包括四个开关管IGBT的开关网络(3)、变压模块⑷和滤波整流模块(5)，滤波整流模块( 输出端与控制模块(1)之间连接的反馈模块(7)，所述的反馈模块(7)用于采样输出端负载(6)上的电压V2并进行衰减且输出给控制模块(1)，所述的控制模块(1)用于根据反馈模块(7)的采集信号比较放大后分别输出四路不同相位的触发脉冲控制驱动模块(2)驱动四个开关管IGBT的通断工作，所述的四个开关管IGBT在触发脉冲控制下间隔导通和关断，其中两个开关管IGBT构成超前臂，另外两个开关管IGBT 构成滞后臂，且在关断和导通过程超前臂与滞后臂之间形成重叠角。
2.根据权利要求1所述的用于电动汽车DC/DC转换器的高性能软开关，其特征在于，所述的控制模块(1)包括连接有外围电路的PWM主控制器U(^875和保护单元，所述的反馈模块(7)与PWM主控制器之间连接运放单元。
3.根据权利要求2所述的用于电动汽车DC/DC转换器的高性能软开关，其特征在于，所述的保护单元包括UU875内部设置的短路保护和过流保护电路(11)，所述的过流保护电路(11)连接UU875的C/S脚。
4.根据权利要求3所述的用于电动汽车DC/DC转换器的高性能软开关，其特征在于， 所述的运放单元包括一个外置运算放大器0 和UU875内置运算放大器(21)，所述的外置运算放大器0 的负输入端与反馈模块(7)通过电阻连接，正输入端连接一个电压环的定值电压，输出端连接Ua875的ea+脚，外置运算放大器0 的输出端与负输出端串联一个电阻和一个电容；U(^875芯片中的ea+脚、ea-脚和ea/out脚分别为U(^875内置运算放大器的正负输入端和输出端，UC2875内置运算放大器正负输入端分别连接有电阻。
5.根据权利要求2或3或4所述的用于电动汽车DC/DC转换器的高性能软开关，其特征在于，所述的外围电路包括UU875的死区设置脚dlyA/B脚与dlyC/D脚和接地之间分别并联连接的电容和电阻。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的用于电动汽车DC/DC转换器的高性能软开关， 其特征在于，所述的四个开关管IGBT分别为开关管S1、开关管&、开关管&和开关管、，所述的每个开关管IGBT的栅极对应连接驱动电路，集电极和发射极之间分别反向并联连接有一个二极管和一个寄生电容；所述开关管Sl的发射极连接开关管S3的集电极使得开关管S1和&构成滞后臂，所述开关管S2的发射极连接开关管S4的集电极使得开关管&和 、构成超前臂，超前臂与滞后臂并联后再连接于输入电源，输入电源反向并联连接有两个正向串联连接的续流二极管Dai和Da2，所述续流二极管Dai的负极与输入电源的正极连接， 所述续流二极管Dai的正极与续流二极管Da3的负极连接，所述续流二极管Da3的正极与输入电源的负极连接。
7.根据权利要求6所述的用于电动汽车DC/DC转换器的高性能软开关，其特征在于， 所述的驱动模块( 包括U(^875的outA脚，outB脚，outC脚，outD脚和两组具有两个独立二次侧绕组的变压器T3和T4,所述outA脚通过电感和outB脚分别连接所述变压器T3的一次侧绕组线圈的两端，所述开关管S1的栅极连接于所述变压器T3的同极二次侧线圈，所述开关管&的栅极连接所述变压器T3的异极二次侧线圈，所述outC脚通过电感和outD脚分别连接所述变压器T4的一次侧绕组线圈的两端，所述开关管&的栅极连接所述变压器T4的同极二次侧线圈，所述开关管、的栅极连接所述变压器T4的异极二次侧线圈。
8.根据权利要求6所述的用于电动汽车DC/DC转换器的高性能软开关，其特征在于， 所述的变压模块(4)包括一个主变压器T1和一个辅助变压器T2，所述的辅助变压器T2的一次侧线圈连接于续流二极管Dai的正极和Da3的负极之间，所述辅助变压器T2 二次侧线圈与主变压器T1的一次侧线圈一端连接，所述辅助变压器T2的中间抽头连接于开关管&的发射极和开关管、的集电极；所述主变压器T1的一次侧线圈另一端串联有漏感Lik，所述漏感 Lik连接于所述开关管S1的发射极和开关管&的集电极，主变压器T1的二次侧线圈连接整流滤波模块(5)。
9.根据权利要求8所述的用于电动汽车DC/DC转换器的高性能软开关，其特征在于，所述整流滤波模块( 包括二极管Dfl、二极管Df2和滤波电感Lf，所述二极管Dfl的负极与二极管Df2的负极连接后再串联连接滤波电感Lf，所述二极管Dfl的正极和二极管Df2的正极连接主变压器T1的二次侧线圈。
全文摘要
本发明提供了一种用于电动汽车DC/DC转换器的高性能软开关，属于汽车软开关技术领域。它解决了现有技术中DC/DC中开关的损耗较大，不能实现宽范围软开关的问题。本开关包括分别依次连接的控制模块、驱动模块、开关网络、变压模块和滤波整流模块，滤波整流模块输出端与控制模块之间连接反馈模块，反馈模块用于采样输出端负载上的电压并进行衰减且输出给控制模块，控制模块根据反馈模块的采集信号比较放大后分别输出四路不同相位的触发脉冲控制驱动模块驱动开关管的通断工作，四个开关管在触发脉冲控制下间隔导通和关断，且不同时刻的关断和导通过程产生重叠角。本发明通过零电压零电流的双闭环恒压控制方式降低DC/DC中开关的损耗，在宽范围内实现软开关。
文档编号H02M1/36GK102437723SQ20111032885
公开日2012年5月2日 申请日期2011年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者吴成明, 廖中华, 由毅, 赵福全, 金启前 申请人:浙江吉利控股集团有限公司, 浙江吉利汽车研究院有限公司