DC/DC转换器及其控制方法与流程

dc/dc转换器及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及电动机车充电技术领域，特别是一种dc/dc转换器及其控制方法。


背景技术：

2.随着新能源电动汽车逐渐在市场中推广，用户对充电速度的要求也有更高的要求，高端电动汽车有往高电池电压的方向进行发展。特别地，为了提高快充充电速度，在部分整车电池包架构中，电池包组件电压达到800vdc。但常规的650v硅mos管并不能满足800v的电压要求，容易损坏开关管，为解决上述问题，现有技术中需要使用满足1200v电压的sic器件，设计成本高，但对于1200v电压的sic器件，其对于低电压输入时，如200v电压输入时，由于电压较低，并不能起到很好的控制效果，其适用的电压范围小，并不能起到很好的控制效果。
3.因此，如何设计一种能适用于宽电压输入范围的dc/dc转换器及其控制方法，是业界亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术中dc/dc转换器的输入电压范围小，不能很好的满足800v高压输入的问题，本发明提出了一种dc/dc转换器及其控制方法。
5.本发明的技术方案为，提出了一种dc/dc转换器，包括输入端相互连接的第一原边电路和第二原边电路、与所述第一原边电路连接的第一副边电路、用于连接第一原边电路和第一副边电路的第一变压器、与所述第二原边电路连接的副边第二电路、用于连接第二原边电路和第二副边电路的第二变压器、以及给所述第一原边电路和第二原边电路供电的母线电容，所述第一原边电路和第二原边电路的输入电压根据所述母线电容的电压调节，且所述第一副边电路和第二副边电路的输出连接到同一输出端。
6.进一步，所述第一原边电路包括第一全桥电路、给所述第一全桥电路提供电压输入的第一电容，所述第一电容并联于所述第一全桥电路两端；所述第二原边电路包括第二全桥电路、给所述第二全桥电路提供电压输入的第二电容，所述第二电容并联于所述第二全桥电路两端；所述第一电容与所述第二电容串联后连接于所述母线电容两端，所述第一电容和所述第二电容的电压根据所述母线电容的电压调节。
7.进一步，所述第一原边电路包括第一半桥电路、给所述第一半桥电路提供电压输入的第三电容和第四电容，所述第三电容和所述第四电容串联后并联于所述第一半桥电路两端；所述第二原边电路包括第二半桥电路、给所述第二半桥电路提供电压输入的第五电容和第六电容，所述第五电容和第六电容串联后并联于所述第二半桥电路两端；所述第三电容、第四电容、第五电容和第六电容依次串联后连接于所述母线电容
两端，并根据所述母线电容的电压调节所述第三电容、第四电容、第五电容和第六电容上的电压。
8.进一步，所述dc/dc变换器具有两种工作模式，当所述母线电容的电压低于预设电压时，所述dc/dc变换器处于第一工作模式，所述第二原边电路中全部开关管导通、且所述第二副边电路中所有开关管截止，使所述第二原边电路中电压为零，所述第一原边电路接收所述母线电容的全部电压；当所述母线电容的电压高于预设电压时，所述第二原边电路和第二原边电路正常导通，使所述第一原边电路和第二原边电路均分所述母线电容的电压。
9.进一步，还包括检测所述第一原边电路中电流的第一电流检测装置、检测所述第二原边电路中电流的第二检测装置、以及检测所述第一原边电路与所述第二原边电路之间电压的第一电压检测装置，所述dc/dc转换器通过调节所述第一原边电路和第二原边电路中开关管的占空比调节母线电容电压，使所述第一原边电路和第二原边电路的电流设定调整，从而达到母线电容均压。
10.进一步，还包括检测所述第一副边电路输出电流的第三电流检测装置、检测所述第二副边电路输出电流的第四电流检测装置、以及检测所述第一原边电路与所述第二原边电路之间电压的第二电压检测装置，所述dc/dc转换器通过调节所述第一原边电路和第二原边电路中开关管的占空比调节母线电容电压，使所述第一原边电路和第二原边电路的电流设定调整，从而达到母线电容均压。
11.进一步，所述第一原边电路和第二原边电路中开关管的导通频率相同，且相位差为π或π/2。
12.本发明还提出了一种dc/dc变换器的控制方法，包括：检测所述母线电容的电压，并与预设电压比较；当母线电容的电压低于预设电压时，进入第一工作模式，控制第二原边电路中开关管全部导通、第二副边电路中开关管全部截止；当母线电容的电压高于预设电压时，进入第二工作模式，控制所述第一原边电路和第二原边电路正常工作，并调节所述第一原边电路和第二原边电路的输入电压相同，均为母线电容的电压的一半。
13.进一步，当处于第二工作模式时，还包括：检测第一原边电路、第二原边电路上的电流；根据所述第一原边电路和第二原边电路上的计算得出第一副边电路和第二副边电路的输出电流，并进行输出电压和输出电流闭环控制；调节第一原边电路与第二原边电路之间电压，使其等于母线电容电压的一半；根据第一原边电路与第二原边电路之间电压、以及第一副边电路和第二副边电路的输出电流得出第一原边电路和第二原边电路的峰值电流给定值，并对所述工作电流进行电流峰值pwm处理，使其达到所述峰值电流给定值；根据pwm信号调节第一原边电路和第二原边电路中开关管的占空比，平衡分配第一原边电路和第二原边电路的功率输出，并达成母线电容均压。
14.进一步，当处于第二工作模式时，还包括：检测第一副边电路、第二副边电路的输出电流；
调节第一原边电路与第二原边电路之间电压，使其等于母线电容的电压的一半；对输出电压采用闭环控制，并得出此时的环路输出；将所述环路输出作为电流环给定的偏差补偿，并调节第一原边电路和第二原边电路中开关管的占空比，使所述输出电流等于所述环路输出，使所述第一原边电路和第二原边电路均流和母线电容均压。
15.与现有技术相比，本发明至少如下有益效果：1、本发明通过第一原边电路和第二原边电路相互连接，使其共同分担母线电容的电压，当母线电容电压过高时，可通过第一原边电路和第二原边电路共同分担，当母线电容电压过低时，可只导通第一原边电路，通过第一工作模式和第二工作模式的切换，本发明能够适用于高电压和低电压的输入，使其满足宽电压输入范围。
16.2、本发明通过第一原边电路和第二原边电路均分母线电容的电压，使其能够通过普通650v的硅开关管实现800v高压输入的控制，代替了1200v的sic器件的使用，降低了成本。
17.3、本发明中第一原边电路和第二原边电路中开关管的控制频率相同，相位差为π或π/2，使高压输入和低压输出的波纹噪声均大幅减小，有利于emc滤波器的设计。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明第一实施例的电路拓扑图；图2为本发明第二实施例的电路拓扑图；图3为本发明第一实施例的控制逻辑图；图4为本发明第二实施例的控制逻辑图。
具体实施方式
20.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
21.由此，本说明书中所指出的一个特征将用于说明本发明的一个实施方式的其中一个特征，而不是暗示本发明的每个实施方式必须具有所说明的特征。此外，应当注意的是本说明书描述了许多特征。尽管某些特征可以组合在一起以示出可能的系统设计，但是这些特征也可用于其他的未明确说明的组合。由此，除非另有说明，所说明的组合并非旨在限制。
22.下面结合附图以及实施例对本发明的原理及结构进行详细说明。
23.现有的充电系统中，dc/dc变换器采用普通的650v硅mos管，其并不能满足800v的高压输入，需要采用满足1200v的sic器件，其增大了变换器的成本。但对于1200v的sic器件，其对于低压输入的情况，并不能起到很好的控制效果，其使用的输入电压范围较窄。本
发明的思路在于，提出一种dc/dc变换器，其设有第一原边电路和第二原边电路，通过第一原边电路和第二原边电路的电压分配，使其能够适应与高电压输入和低电压输入，达到宽电压输入范围，不用更换开关管器件，降低了dc/dc变换器的设计成本。
24.具体的，本发明提出的dc/dc变换器包括有第一原边电路、第二原边电路、与第一原边电路连接的第一副边电路、与第二原边电路连接的第二副边电路、用于提供输入电压的母线电容。其中，第一原边电路与第一副边电路之间设置有第一变压器，第二原边电路与第二副边电路之间设置有第二变压器，通过第一变压器和第二变压器实现dc/dc变换，将输入电压转换为低压输入给第一副边电路和第二副边电路，并通过第一副边电路和第二副边电路输出电压。
25.进一步的，第一原边电路和第二原边电路的输入侧相互连接到一起，用于分摊母线电容的电压，第一副边电路和第二副边电路的输出连接到同一输出端，用于输出dc/dc变换之后的电压。本发明的整体相当于一个单路的dc/dc控制器，其接收母线电容的输入电压并提供一个相应的输出电压。其中，第一原边电路和第二原边电路的输入电压根据母线电容的电压确定，当母线电容的电压过高时，其超过第一原边电路和/或第二原边电路中开关管的耐压时，此时第一原边电路和第二原边电路均摊母线电容的电压，从而降低第一原边电路和第二原边电路的输入电压，避免开关管的损坏，同时由于第一副边电路和第二副边电路的输出连接到同一输出端，其并不影响最终的输出结果；当母线电容的电压较低时，其满足第一原边电路和/或第二原边电路中开关管的耐压时，此时通过第一原边电路即可实现该电压的控制和调节，此时只用到导通第一原边电路即可，将第二原边电路中开关管全部导通，使其短路，同时关断第二副边电路中的开关管全部截止，使其断路，此时第二原边电路和第二副边电路不工作，只有第一原边电路工作，对低电压输入进行调节。
26.进一步，请参见图1，第一原边电路包括有第一全桥电路、以及给第一全桥电路提供电压输入的第一电容，第一电容并联于第一全桥电路两端；第二原边电路包括有第二全桥电路、以及给第二全桥电路提供电压输入的第二电容，第二电容并联于第二全桥电路两端。其中，第一电容和第二电容串联后连接于母线电容两端，第一电容用于给第一全桥电路提供输入电压、第二电容用于给第二全桥电路提供输入电压，在调节第一原边电路和第二原边电路的输入电压时，只用调节第一电容和第二电电容之间的电压即可。
27.第一电容和第二电容能充当储能器件，能够储存并释放能量，且其电压可控，将第一电容和第二电容串联后连接在母线电容两端后，能够吸收母线电容释放出来的能量，并分别给第一原边电路和第二原边电路供电，从而解决800v母线电容供电损坏开关管的问题。本发明中，开关管均采用普通650v的硅开关管，其能够承受650v的耐压，虽然当第一原边电路和第二原边电路上电压分别为600v和200v也在开关管的承受范围内，但该情况下无法对最终输出的电压起到很好的调控，故本发明中，控制第一原边电路和第二原边电路上的电压均为400v，在后续输出电压的调控上，只要设置其开关管的开关频率相同，即可得到相同的输出波形，便于对输出电压的控制。在进行控制时，为使第一原边电路的电压和第二原边电路的电压均为400v，只用调节第一电容和第二电容之间电压即可，当第一电容和第二电容之间的电压为400v时，即可认为第一电容和第二电容上的电压均为400v。
28.其中，第一全桥电路包括上桥臂和下桥臂，其由4个开关管组成，分别由开关管q1和开关管q3组成一个桥臂，其中开关管q1组成上桥臂、开关管q3组成下桥臂，开关管q2和开
关管q4组成另一个桥臂，其中开关管q2组成上桥臂、开关管q4组成下桥臂，每个桥臂的中间均连接到变压器的原边绕组，用于提供输入电压。通过调节开关管q1、开关管q2、开关管q3和开关管q4的占空比即可调节第一原边电路的输出的电压。第一电容分别连接到两个桥臂的两端，给第一全桥电路提供电压。
29.第二全桥电路与第一全桥电路相同，其由4个开关管组成，其中开关管q5和开关管q7组成一个桥臂，开关管q5组成上桥臂、开关管q7组成下桥臂，开关管q6和开关管q8组成另一个桥臂，其中开关管q6构成上桥臂，开关管q8够成下桥臂，通过调节开关管q5、开关管q6、开关管q7和开关管q8即可调节第二原边电路的输出电压。
30.请参见图2，在本发明另一实施例中，第一原边电路包括第一半桥电路、给第一半桥电路供电的第三电容和第四电容，第三电容和第四电容串联后连接在第一半桥电路两端；第二原边电路包括第二半桥电路、给第二半桥电路供电的第五电容和第六电容， 第五电容和第六电容串联后连接在第二半桥电路两端。并使第三电容、第四电容、第五电容和第六电容依次串联后连接在母线电容两端，同时调节第三电容和第四电容的电压之和，与第五电容和第六电容的电压之和，使其适用于不同的母线电压。
31.其中，第一半桥电路由串联连接的开关管q9、q10组成，第二半桥电路由串联连接的开关管q11、q12组成，通过调节4个开关管的占空比，可以调节第一半桥电路和第二半桥电路的输出。相比于全桥电路，半桥电路具有更少的开关管，其成本更低，且不存在同时通断的问题，其抗不平衡能力强。
32.在第一原边电路和第一副边电路之间设有用于dc/dc变换的第一变压器，在第二原边电路和第二副边电路之间设有用于dc/dc变换的第二变压器，其分别用于第一原边电路和第二原边电路输出电压的dc/dc变换，其中，第一变压器包括第一原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组，其第一原边绕组与第一原边电路连接，用于接收第一原边电路的输出电压，第一副边绕组和第二副边绕组与第一副边电路连接，用于输出dc/dc变换之后的电压，第一副边电路中与第一副边绕组连接处设置有开关管q9、与第二副边绕组连接处设置有开关管q10，通过调节开关管q9和开关管q10的占空比，能够调节输出电压的大小。
33.第二变压器包括第二原边绕组、第三副边绕组和第四副边绕组，第二原边绕组与第二原边电路连接，其用于接收第二原边电路的输出电压，第三副边绕组和第四副边绕组与第二副边电路连接，用于输出dc/dc变换之后的电压，在第二副边电路与第三副边绕组连接处设置有开关管q11、与第四副边绕组连接处设置有开关管q12，通过调节开关管q11和开关管q12的占空比，能够调节输出电压的大小。
34.进一步的，第一副边电路和第二副边电路的输出端连接到同一个输出电容，作为整个电路的总输出，其相当于实现了一个输入电压的控制和调节。在控制调节时，由于第一原边电路和第二原边电路上的电压相同，在设置相同的线圈绕组后能够得到相同的输出电压，得出的电压波纹的幅值相同，通过设置相同的开关频率，可以得到相同的电压波形，然后对通过对第一原边电路和第二原边电路错相发波，使其之间的相位差为相位差为π或π/2，即可在调节输出的同时，使输入和输出的波纹电流得到优化。
35.具体的，本发明还提出了一种dc/dc变换器的控制方法，其包括检测母线电容的电压，并与预设电压比较；当母线电容的电压低于预设电压时，进入第一工作模式，控制第二原边电路中开
关管全部导通、第二副边电路中开关管全部截止；当母线电容的电压高于预设电压时，进入第二工作模式，控制所述第一原边电路和第二原边电路正常工作，并调节所述第一原边电路和第二原边电路的输入电压相同，均为母线电容的电压的一半。
36.其中，预设电压为400v，当母线电容的电压低于400v时，其处于开关管的耐压范围内，此时不需要通过两路控制，只需进入第一工作模式，将第二原边电路中的开关管全部导通，使其相当于短路，并使第二副边电路与中开关管全部截止，使其相当于断路，此时第二原边电路和第二副边电路不工作，母线电容的电压全部置于第一原边电路，第一原边电路接收到母线电容的全部电压，且处于开关管的耐压范围内，通过第一原边电路和第一副边电路即可实现该电压的控制和调节。
37.当母线电容的电压高于400v时，其能够通过两种控制方式，但对于高压输入，特别是650v以上的电压，其极易损坏开关管，故此时需要进入第二工作模式，将第一原边电路和第二原边电路正常导通，并通过第一电容和第二电容均分母线电容的电压，从而降低开关管接收的电压，如母线电容电压为800v时，此时通过第一原边电路和第二原边电路均分母线电容的电压时，第一原边电路和第二原边电路的电压均为400v，处于开关管650v的耐压范围内，能够对其进行控制。
38.进一步的，在第二控制模式下，为实现本发明dc/dc转换器的控制，在第一原边电路中设置有用于检测第一原边电路工作电流的第一检测装置、在第二原边电路中设置有用于检测第二原边电路工作电流的第二检测装置，以及检测第一原边电路和第二原边电路之间电压的第一电压检测装置，通过电流和电压的实时监测，能够实现dc/dc变换器对高压输入的实时控制。
39.具体的，请参见图3，其为该实施例下的控制示意图，其中，i_ct_up为第一原边电路上的检测电流、i_ct_down为第二原边电路上的检测电流，vbus为母线电容的电压、v_n为第一电容和第二电容之间的电压，i_pk_ref_up为第一原边电路的峰值电流给定值，i_pk_ref_dowm为第二原边电路的峰值电流给定值，vo_lv为输出电压。
40.具体控制过程为，先检测第一原边电路和第二原边电路上的电流i_ct_up和i_ct_down，然后根据i_ct_up和i_ct_down对输出电流iout进行核算，病对输出电压和输出电流进行闭环控制，得出i_pk_ref_up和i_pk_ref_down，然后调节第一电容和第二电容上的电压，使v_n为vbus的一半，再在该电压输入的情况下比较i_ct_up与i_pk_ref_up、i_ct_down与i_pk_ref_down然后根据两者之间的差值进行电流峰值pwm处理，调节控制开关管的pwm信号，再根据pwm信号调节第一原边电路和第二原边电路中开关管的占空比，以此能够得到均流和母线电容均压的效果。
41.在本发明另一实施例中，dc/dc变换器还包括有检测第一副边电路输出电流的第三电流检测装置、检测第二副边电路输出电流的第四电流检测装置、以及检测第一原边电路和第二原边电路之间电压的第二电压检测装置，通过电流和电压的实时监测，实现dc/dc变换器对高压输入的实时控制。
42.具体的，请参见图4，其为该实施例下的控制示意图，其中，i_out
‑
up为第一副边电路的输出电流、i_out
‑
up为第二副边电路的输出电流，vbus为母线电容的电压、v_n为第一电容和第二电容之间的电压，i_out_ref为电压环输出。
43.其具体控制过程为，先检测第一副边电路和第二副边电路的输出电流i_out
‑
up和i_out
‑
down，然后对输出电压进行闭环控制，其作为电流内环的给定参考，再进行hv输入电压平衡控制，使第一电容和第二电容之间电压v_n等于母线电容电压vbus的一半，并控制环路输出作为电流环给定的偏差补偿，再根据该偏差补偿对原边第一电路和原边第二电路中开关管的占空比进行调节，以达到均流和母线电容均压的目的。
44.本发明中提出了两种控制方法，分别通过检测第一原边电路和第二原边电路上的电流，再根据峰值电流给定值进行控制，调节第一原边电路和第二原边电路的功率分配，使v
‑
n等于vbus/2，另一种则是直接检测第一副边电路和第二副边电路的输出电压和输出电流，并对其进行相应的控制，两种方法均能实现高压输入下的控制，以达到均流和母线电容均压的目的，根据实际情况，本领域技术人员可以采用不同的控制方法，其对图1和图2两种实施例的电路拓扑均能适用。需要说明的是，图1和图2两种实施例中同时示意出电流检测点i_ct_up、i_ct_down、i_out
‑
up和i_out
‑
down是便于理解，在实际控制过程中，只用根据控制方法采集两处电流检测点即可，其中当采用第一种控制方法时，检测i_ct_up和i_ct_down，当采用第二种控制方法时，检测i_out
‑
up和i_out
‑
down。
45.优选的，本发明中，第一原边电路和第二原边电路中的开关管的开关频率相同，相位差为π或π/2。通过上述设置，能够达到高压输入和低压输出波纹电流的目的，大幅度降低emc滤波器的设计难度。
46.与现有技术相比，本发明通过第一原边电路和第二原边电路的设置，通过调节第一原边电路和第二原边电路的输入电压，使其能够满足宽输入范围的电压，在200v~860v均能起到较好的控制效果。同时对于高压输入时，通过本发明的设置，不用采用1200v的sic器件，通过普通650v的开关管即可实现高压输入的控制，降低了装置的成本。由于本发明设置有两路调节电路，使其可以通过调节第一原边电路和第二原边电路的相位差调节高压输入和低压输出的波纹电流，降低emc滤波器的设计难度。
47.上述实施例仅用于说明本发明的具体实施方式。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和变化，这些变形和变化都应属于本发明的保护范围。