CN101145736B - 一种混合动力车dc/dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合动力车DC/DC变换器，其特征在于：所述DC/DC变换器内设有四只场效应管(MOSFET)组成的移相全桥逆变电路，它的输入端与直流高压相连接，其输出端与变压器的初级线圈相连，变压器的次级线圈输出通过全波整流电路输出直流低压；所述的场效应管(MOSFET)栅极分别与脉宽调制(PWM)控制器输出端(OUTA、OUTB、OUTC、OUTD)相连接。采用上述结构，与现有技术相比；具有以下优点：1、输入电压和输出电压可以相差很大；2、输入端和输出端之间有变压器作电气隔离；3、交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器、滤波电感和滤波电容的体积和重量。在全波整流电路中采用两组通态压降仅为0.3V的肖特基二极管，功率损耗小。

Description

一种混合动力车DC/DC变换器

技术领域

本发明涉及直流变换器，具体地说是涉及一种混合动力车DC/DC变换器。

背景技术

混合动力汽车在减速和制动时实施刹车制动能量回收，使电机发电并将电能储存于高压动力电池中。另一方面也可以采用一套直流变直流(DC-DC)转换器以取代原来的小发电机来节省成本，这套系统可以把同步电机发出的高压电通过DC-DC转换器降压变为汽车低压电气系统所需要的12V电压，给车上小蓄电池充电。DC-DC转换的实现有多种方式例如：丰田汽车公司的混合动力车雷克萨斯“GS450h”装配的DC-DC转换器是一种将驱动马达的288V电源通过移相半桥逆变电路转换成普通12V电源。采用移相半桥逆变电路，但其转换的效率不高。另一种方式是降压斩波电路，通常做法就是直接将直流电变为另一直流电即所谓的直流斩波，直流斩波电路有以下缺点：1、输入电压和输出电压的比例不能相差很大；2、输入端和输出端之间没有隔离。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有多种保护功能、集成、高效和稳定的混合动力车DC/DC变换器。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是，一种混合动力车DC/DC变换器，其特征在于：所述DC/DC变换器内设有四只场效应管MOSFET组成的移相全桥逆变电路，它的输入端与直流高压电源相连接，其输出端与变压器的初级线圈相连，变压器的次级线圈输出通过全波整流电路输出直流低压；所述场效应管MOSFET的栅极分别与脉宽调制(PWM)控制器的输出端OUTA、OUTB、OUTC和OUTD相连接；所述的脉宽调制(PWM)控制器包括由电源电路、单片机和控制芯片，所述电源电路的5V输出端与控制芯片的电源输入端REF相连接，所述5V输出端还经由电阻分压电路与控制芯片的电源输入端EAP相连接，所述电源电路的12V输出端与控制芯片的电源输入端VCC相连；单片机的信号输出端与控制芯片的脉冲信号输入端EAN相连，控制芯片的输出端RAMP与控制芯片的输入端CT相连接，控制芯片的输出端DELAB、DELCD分别通过第一电阻R1和第二电阻R2接地，直流高压电源的输入电流采集信号输入控制芯片的输入端CS，直流高压电源的1/2输入电流的采集信号输入控制芯片的输入端ADS，超温信号、直流高压电源的输入过压信号和直流低压输出过压信号均与控制芯片的输入端SS/DISB相连接，所述的控制芯片型号为UCC2895。

混合动力车DC/DC变换器，由于采用上述结构，采用的直-交-直变换电路是先将混合动力车电机发出的114V直流电通过移相全桥逆变电路转换为交流电，然后通过全波整流电路变为汽车低压电气系统所需要的12V直流电。通过单片机PWM输出口来输出一定频率的PWM波来控制移相全桥电路的场效应管(MOSFET)的导通以实现直流到交流的变换，调节PWM的占空比就可以间接的调节输出电压的大小。与现有技术相比；具有以下优点，1、输入电压和输出电压可以相差很大；2、输入端和输出端之间有变压器作电气隔离；3、交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器、滤波电感和滤波电容的体积和重量。在全波整流电路中采用两组通态压降仅为0.3V的肖特基二极管，功率损耗小。4、该DC/DC变换器具有过压、过流、超温故障保护以及输出电压可调，在上、下半桥死区关断时间的设置等功能。

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说明；

图1为本发明一种混合动力车DC/DC变换器主电路结构示意图；

图2为本发明一种混合动力车DC/DC变换器中脉宽调制(PWM)控制器结构示意图；

图3为图2所示脉宽调制(PWM)控制器脉宽调制(PWM)信号输入/输出波形图；

在图1、图2中，1、直流高压；2、变压器；3、全波整流电路；4、直流低压；5、单片机；6、控制芯片。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种混合动力车DC/DC变换器，所述DC/DC变换器内设有四只场效应管MOSFET组成的移相全桥逆变电路，它的输入端与直流高压1相连接，其输出端与变压器2的初级线圈相连，变压器2的次级线圈输出通过全波整流电路3输出直流低压4；所述的场效应管MOSFET栅极分别与脉宽调制(PWM)控制器的输出端OUTA、OUTB、OUTC、OUTD相连接。

所述的脉宽调制(PWM)控制器，包括电源电路、单片机5、控制芯片6组成，所述的电源电路5V、12V输出端分别与控制芯片6电源输入端EAP、REF、VCC相连；单片机5的信号输出端与控制芯片6的脉冲信号输入端EAN相连，控制芯片6的输出端RAMP与输入端CT相连接，输出端DELAB、DELCD分别通过电阻R1、R2接地。控制芯片6型号为UCC2895。控制芯片6的输入端CS、ADS、SS/DISB分别与直流高压1电流输入端CS、直流高压1的1/2电流输入端ADS、直流高压1输入过压信号和直流低压4的输出过压信号、超温信号SS/DISB相连接。

参见图3，在普通的单相全桥逆变电路中，各MOSFET的信号为180度正偏，180度反偏，并且A、B的信号互补，C、D信号互补，且C与B同相位，D与A同相位。因此输出电压u_o＝4U_d/π(sinωt+1/3sin3ωt+1/5sinωt+A)其中ω是MOSFET管导通频率，U_d是高压端电压。因此基波的幅值U_O1m和基波的有效值U_O1分别为

U_O1m＝4U_d/π＝1.27U_d              (式1)

$U_{O1}=2\sqrt{2}{U}_d/\mathrm{\π}=0.9U_d$ (式2)

U_O1＝0.9U_dθ                      (式3)

从式2中可以看出输出电压大小不能调节。在移相全桥逆变电路中可以采用调节输出电压脉冲的宽度的方式来调节逆变电路的输出电压。在这里D的相位比A相位落后(0°＜θ＜180°)。这样输出电压u_o就不再是正负各为180°的脉冲，而是各为θ的脉冲，这样改变θ的大小来达到调节输出电压u_o的目的。在移相全桥逆变电路中A、B、C、D四个MOSFET的门极信号是由相移脉宽调制PWM控制器产生的PWM波。可以做到移相全桥逆变电路输入电压和输出电压可以相差很大。

调压的实现原理：由上面的式3可知，要调节输出电压，即须改变θ的大小。从图3中可以清楚地看出来。图2中所示的PWM signal信号是由单片机5设定的DC-DC-setpoint输出的PWM波输入到控制芯片6的脉冲信号输入端EAN引脚上，PWM信号由单片机5的PWM口输出，名称为DC-DC输出电压设定值，这个PWM波信号经过转换后最终输入到控制芯片6的EAN脚上，由在控制芯片6内部与引脚RAMP的斜坡电压在相减得来的。因此我们可以通过单片机PWM口来输出一定频率的PWM信号来设置输出电压的大小，调节PWM的占空比就可以间接的调节输出电压的大小。

低压端输出电流过大，关断保护。在图2中输出的电流采集值输入到控制芯片6的引脚EAOUT，如果输出电流过大，控制芯片6的引脚EAOUT处电压就会小于0.5V，由这个低电平来封锁控制芯片6的输出端OUT A、OUT B、OUT C、OUT D的输出。

高压端输入电流过大关断保护。它的实现原理与输出电流过大保护基本相同，只是输入电流的采集输入到了控制芯片6的输入端CS。这里CS处的电压是与电流成正比，只要它的电压值超过设定值，就会关断输出。

输入过压、输出过压和DC-DC变换器超温关断。三个故障信号是与控制芯片6的软关断引脚SS/DISB连接的。只要三个故障产生，通过脉宽调制(PWM)控制器中的电压比较转换电路就可以使这个引脚的电平拉低到低电平，而一旦控制芯片6的输入端SS/DISB处的电压小于0.5V，控制芯片6就启动软关断功能，将输出关断。

实现全桥电路上、下半桥短路保护功能。通过设置与控制芯片6输出端DELAB、DELCD连接处的电阻R1和电阻R2大小以及检测CS处输入电流峰值的大小来设置MOSFET门极信号A_GATE_DRIVE和B_GATE_DRIVE，以及C_GATE_DRIVE和D_GATE_DRIVE延迟导通时间，通过控制MOSFET A和B的门极触发信号延迟导通时间以及MOSFET C和D的门极触发信号延迟导通时间。以防止出现上、下半桥的MOSFET在换相瞬间导致的短路现象。上述的控制是通过控制芯片6中的软件程序实现的。具体的计算公式如下：

$T_{\mathrm{DELAY}}=(25\×{10}^{-12})\frac{R}{V_{\mathrm{DELAY}}}+25\mathrm{ns}$ (式4)

V_DELAY＝[0.75×(V_CS-V_ADS)]+0.5v        (式5)

综上所述，在DC-DC转换器中，正是由于其独特的，完备的硬件保护功能设计，在高效率地实现高压到低压转换得同时，也确保了转换的安全性和可靠性。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种混合动力车DC/DC变换器，其特征在于：所述DC/DC变换器内设有四只场效应管MOSFET组成的移相全桥逆变电路，它的输入端与直流高压电源(1)相连接，其输出端与变压器(2)的初级线圈相连，变压器(2)的次级线圈输出通过全波整流电路(3)输出直流低压(4)；所述场效应管MOSFET的栅极分别与脉宽调制(PWM)控制器的输出端OUTA、OUTB、OUTC和OUTD相连接；所述的脉宽调制(PWM)控制器包括由电源电路、单片机(5)和控制芯片(6)，所述电源电路的5V输出端与控制芯片(6)的电源输入端REF相连接，所述5V输出端还经由电阻分压电路与控制芯片(6)的电源输入端EAP相连接，所述电源电路的12V输出端与控制芯片(6)的电源输入端VCC相连；单片机(5)的信号输出端与控制芯片(6)的脉冲信号输入端EAN相连，控制芯片(6)的输出端RAMP与控制芯片(6)的输入端CT相连接，控制芯片(6)的输出端DELAB、DELCD分别通过第一电阻(R1)和第二电阻(R2)接地，直流高压电源(1)的输入电流采集信号输入控制芯片(6)的输入端CS，直流高压电源(1)的1/2输入电流的采集信号输入控制芯片(6)的输入端ADS，超温信号、直流高压电源(1)的输入过压信号和直流低压(4)输出过压信号均与控制芯片的输入端SS/DISB相连接，所述的控制芯片(6)型号为UCC2895。

Images