CN103595256A - 一种电动汽车用的dc/dc电源系统 - Google Patents

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CN103595256A CN201310589495.1A CN201310589495A CN103595256A CN 103595256 A CN103595256 A CN 103595256A CN 201310589495 A CN201310589495 A CN 201310589495A CN 103595256 A CN103595256 A CN 103595256A
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李汉平
刘金强
陈小江
刘爱华
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Abstract

本发明适用电源领域，提供一种电动汽车用的DC/DC电源系统，包括直流高压供电模块、直流低压供电模块、移相全桥模块、隔离模块、同步整流控制模块、辅助电源模块及主控模块，直流高压供电模块输出端连接移相全桥模块输入端，移相全桥模块输出端连接隔离模块输入端，隔离模块输出端连接同步整流控制模块输入端，同步整流控制模块输出端连接直流低压供电模块输入端，直流低压供电模块输出端连接辅助电源模块输入端，辅助电源模块输出端连接主控模块输入端，主控模块输出端分别连接移相全桥模块、同步整流控制模块输入端。采用汽车级MOSFET管同步整流，提高系统效率、可靠性、降低成本，实现模拟式DC/DC电源系统数字式控制。

Description

一种电动汽车用的DC/DC电源系统
技术领域
本发明属于电源领域，尤其涉及一种新能源电动汽车用的DC/DC电源系统。
背景技术
电动汽车用的DC/DC电源系统，是电动汽车把高压电池包的直流电压转换为直流低压的电源系统，可给纯电动汽车或混合动力汽车上的低压设备供电，是新能源汽车的重要部件，所需要满足的国际标准中ISO 26262汽车电子设备安全等级为ASIL-B及以上。现有的产品中采用方案可分为数字式和模拟式DC/DC电源系统，高成本的数字式可以实现电源系统输出电压的线性控制，而模拟式DC/DC电源系统未见。恶劣的使用条件，使得汽车电子产品高可靠性汽车级DC/DC电源系统的设计成为难点。
在DC/DC电源系统中，最为关键的器件是全桥电路的高压MOSFET（金属-氧化层 半导体场效晶体管，简称金氧半场效晶体管）和整流用的二极管/低压MOSFET，查阅国内相关的专利，未见有采用汽车级的MOSFET或二极管，大多采用工业级的产品。
在公告号为CN102170234A所述的专利中，采用了DSP实现DC/DC电源系统的控制，是一种高成本的方案。在公告号为CN201869097U所述的专利中，采用了二极管对输出进行整流的方式，由于二极管导通电阻较大，属于硬开通和关断，在高频开关电路中存在导通和截止损耗，效率较低。
在公告号为CN102170234A和CN102377331A的专利中，采用了DSP或MCU实现的输出电压检测并改变PWM的方式实现输出电压线性控制，方案成本较高。
综上所述，现有的DC/DC电源系统效率低、成本高、可靠性低、无法在模拟式DC/DC电源系统实现数字式控制。
发明内容
本发明提供一种电动汽车用的DC/DC电源系统，旨在解决现有DC/DC电源系统效率低、成本高、可靠性低、无法在模拟式DC/DC电源系统实现数字式控制的问题。
本发明是这样实现的，一种电动汽车用的DC/DC电源系统，所述DC/DC电源系统包括直流高压供电模块、直流低压供电模块、隔离模块、移相全桥模块、同步整流控制模块、辅助电源模块及主控模块，所述直流高压供电模块输出端连接所述移相全桥模块输入端，所述移相全桥模块输出端连接所述隔离模块输入端，所述隔离模块输出端连接所述同步整流控制模块输入端，所述同步整流控制模块输出端连接所述直流低压供电模块输入端，所述直流低压供电模块输出端连接所述辅助电源模块输入端，所述辅助电源模块输出端连接所述主控模块输入端，所述主控模块输出端分别连接所述移相全桥模块、同步整流控制模块输入端。
本发明的进一步技术方案是：所述移相全桥模块包括MOSFET管Q1、MOSFET管Q2、MOSFET管Q3、MOSFET管Q4、谐振电路、续流二极管D1及续流二极管D2，所述MOSFET管Q1源极连接所述MOSFET管Q2漏极，所述MOSFET管Q1漏极连接所述直流高压供电模块输出端，所述MOSFET管Q2源极连地，所述MOSFET管Q3源极连接所述MOSFET管Q4漏极，所述MOSFET管Q3漏极连接所述直流高压供电模块输出端，所述MOSFET管Q4源极连地，所述谐振电路连接所述MOSFET管Q1源极连接所述MOSFET管Q2漏极的节点上，所述续流二极管D1阳极与所述续流二极管D2阴极串联，所述续流二极管D2阳极接地。
本发明的进一步技术方案是：所述谐振电路包括电容C2及电感L1，所述电容C1与所述电感L1串联，所述电容C1连接所述MOSFET管Q1源极连接所述MOSFET管Q2漏极的节点上。
本发明的进一步技术方案是：所述同步整流控制模块包括MOSFET管Q5、MOSFET管Q6、电感L2、电容C3、电容C4及电阻R3，所述MOSFET管Q5源极连接电阻R3，所述MOSFET管Q6源极连接电阻R3，所述电感L2分别连接所述电容C3及电容C4，所述电容C3另一端接地，所述电容C4与所述电阻R3串联，所述电感L2输出低压检测电压给所述主控模块输入端，所述电阻R3输出低压检测电流给所述主控模块输入端。
本发明的进一步技术方案是：所述隔离模块还包括主变压器T1，所述主变压器T1原边初级线圈同名端连接所述电感L1，异名端连接所述续流二极管D1阳极与所述续流二极管D2阴极串联节点上，所述主变压器副边包括第一次级线圈及第二次级线圈，所述第一次级线圈异名端连接所述第二次级线圈同名端，所述第一次级线圈同名端连接所述MOSFET管Q6漏极，所述第二次级线圈同名端连接所述电感L2，所述第二次级线圈异名端连接所述MOSFET管Q5漏极。
本发明的进一步技术方案是：该电源系统还包括高压电流检测模块，所述高压电流检测模块输入端连接所述直流高压供电模块输出端，所述高压电流检测模块输出端连接所述主控模块输入端。
本发明的进一步技术方案是：所述高压电流检测模块包括电流互感器T2、电阻R1、电阻R2及二极管D3，所述电流互感器T2原边一端连接所述直流高压供电模块输出端，另一端连接所述续流二极管D1阴极，所述电阻R1、电阻R2分别连接与所述电流互感器T2副边并联，所述二极管D3阳极连接所述电阻R1一端，所述二极管D3阴极连接所述电阻R2一端，所述电阻R2输出检测电流给所述主控模块输入端。
本发明的进一步技术方案是：该电源系统还包括保险丝F1及高压电压检测模块，所述高压电压检测模块包括电容C1，所述保险丝F1一端连接所述直流高压供电模块输出端，另一端分别连接所述MOSFET管Q1、MOSFET管Q3的源极及电流互感器T1输入端，所述电容C1一端连接所述保险丝F1，另一端接地，所述电容C1输出高压检测电压给所述主控模块输入端。
本发明的进一步技术方案是：该电源系统还包括第一门极驱动器、第二门极驱动器、第三门极驱动器、保护模块及温度检测模块，所述主控模块输出端连接第一门极驱动器、第二门极驱动器、第三门极驱动器及保护模块输入端，所述保护模块输出端连接所述第一门极驱动器、第二门极驱动器及第三门极驱动器输入端，所述第一门极驱动器输出端连接所述MOSFET管Q1及MOSFET管Q2的栅极，所述第二门极驱动器输出端连接所述MOSFET管Q3及MOSFET管Q4的栅极，所述第三门极驱动器输出端连接所述MOSFET管Q5及MOSFET管Q6的栅极，所述温度检测模块设于所述MOSFET管上，所述温度检测模块输出端连接所述主控模块输入端。
本发明的进一步技术方案是：所述第一门极驱动器包括第一驱动芯片及第一脉冲变压器，所述第一驱动芯片输出端连接所述第一脉冲变压器输入端；所述第二门极驱动器包括第二驱动芯片及第二脉冲变压器，所述第二驱动芯片输出端连接所述第二脉冲变压器输入端；所述第二门极驱动器采用第三驱动芯片。
本发明的有益效果是：采用移相全桥芯片为主控芯片、汽车级的MOSFET或二极管、MOSFET同步整流，提高了系统效率，降低成本、提高了可靠性，实现了在模拟式DC/DC电源系统实现数字式控制。
附图说明
图1是本发明实施例提供的电动汽车用的DC/DC电源系统架构框图；
图2是本发明实施例提供的电动汽车用的DC/DC电源系统的电路图；
图3是本发明实施例提供的电动汽车用的DC/DC电源系统的线性输出电压控制电路。
具体实施方式
附图标记：10-直流高压供电模块   11-移相全桥模块   12-同步整流控制模块   13-直流低压供电模块   14-辅助电源模块   15-保护模块   16-高压电压检测模块   17-高压电流检测模块   18-第一门极驱动器   19-第二门极驱动器   20-第三门极驱动器   21-温度检测模块   22-主控模块   23-反向电路   24-积分电路   25-隔离模块   181-第一驱动芯片   182-第一脉冲变压器   191-第二驱动芯片   192-第二脉冲变压器   201-第三驱动芯片
图1-3示出了本发明提供的电动汽车用的DC/DC电源系统，所述DC/DC电源系统包括直流高压供电模块10、直流低压供电模块13、移相全桥模块11、隔离模块25、同步整流控制模块12、辅助电源模块14及主控模块22，所述直流高压供电模块10输出端连接所述移相全桥模块11输入端，所述移相全桥模块11输出端连接所述隔离模块25输入端，所述隔离模块25输出端连接所述同步整流控制模块12输入端，所述同步整流控制模块12输出端连接所述直流低压供电模块13输入端，所述直流低压供电模块13输出端连接所述辅助电源模块14输入端，所述辅助电源模块14输出端连接所述主控模块22输入端，所述主控模块22输出端分别连接所述移相全桥模块11、同步整流控制模块12输入端。采用移相全桥芯片为主控芯片、汽车级的MOSFET或二极管、MOSFET同步整流，提高了系统效率，降低成本、提高了可靠性，实现了在模拟式DC/DC电源系统实现数字式控制。
所述移相全桥模块11包括MOSFET管Q1、MOSFET管Q2、MOSFET管Q3、MOSFET管Q4、谐振电路、续流二极管D1及续流二极管D2，所述MOSFET管Q1源极连接所述MOSFET管Q2漏极，所述MOSFET管Q1漏极连接所述直流高压供电模块11输出端，所述MOSFET管Q2源极连地，所述MOSFET管Q3源极连接所述MOSFET管Q4漏极，所述MOSFET管Q3漏极连接所述直流高压供电模块11输出端，所述MOSFET管Q4源极连地，所述谐振电路连接所述MOSFET管Q1源极连接所述MOSFET管Q2漏极的节点上，所述续流二极管D1阳极与所述续流二极管D2阴极串联，所述续流二极管D2阳极接地。
所述谐振电路包括电容C2及电感L1，所述电容C1与所述电感L1串联，所述电容C1连接所述MOSFET管Q1源极连接所述MOSFET管Q2漏极的节点上。
所述同步整流控制模块12包括MOSFET管Q5、MOSFET管Q6、电感L2、电容C3、电容C4及电阻R3，所述MOSFET管Q5源极连接电阻R3，所述MOSFET管Q6源极连接电阻R3，所述电感L2分别连接所述电容C3及电容C4，所述电容C3另一端接地，所述电容C4与所述电阻R3串联，所述电感L2输出低压检测电压给所述主控模块22输入端，所述电阻R3输出低压检测电流给所述主控模块22输入端。
所述隔离模块25包括主变压器T1，所述主变压器T1原边初级线圈同名端连接所述电感L1，异名端连接所述续流二极管D1阳极与所述续流二极管D2阴极串联节点上，所述主变压器T1副边包括第一次级线圈及第二次级线圈，所述第一次级线圈异名端连接所述第二次级线圈同名端，所述第一次级线圈同名端连接所述MOSFET管Q6漏极，所述第二次级线圈同名端连接所述电感L2，所述第二次级线圈异名端连接所述MOSFET管Q5漏极。
该电源系统还包括高压电流检测模块17，所述高压电流检测模块17输入端连接所述直流高压供电模块10输出端，所述高压电流检测模块17输出端连接所述主控模块22输入端。
所述高压电流检测模块17包括电流互感器T2、电阻R1、电阻R2及二极管D3，所述电流互感器T2原边一端连接所述直流高压供电模块10输出端 ，另一端连接所述续流二极管D1阴极，所述电阻R1、电阻R2分别连接与所述电流互感器T2副边并联，所述二极管D3阳极连接所述电阻R1一端，所述二极管D3阴极连接所述电阻R2一端，所述电阻R2输出检测电流给所述主控模块22输入端。
该电源系统还包括保险丝F1及高压电压检测模块16，所述高压电压检测模块16包括电容C1，所述保险丝F1一端连接所述直流高压供电模块10输出端，另一端分别连接所述MOSFET管Q1、MOSFET管Q3的源极及电流互感器T1输入端，所述电容C1一端连接所述保险丝F1，另一端接地，所述电容C1输出高压检测电压给所述主控模块22输入端。
该电源系统还包括第一门极驱动器18、第二门极驱动器19、第三门极驱动器20、保护模块15及温度检测模块21，所述主控模块22输出端分别连接第一门极驱动器18、第二门极驱动器19、第三门极驱动器20及保护模块15输入端，所述保护模块15输出端分别连接所述第一门极驱动器18、第二门极驱动器19及第三门极驱动器29输入端，所述第一门极驱动器18输出端分别连接所述MOSFET管Q1及MOSFET管Q2的栅极，所述第二门极驱动器19输出端分别连接所述MOSFET管Q3及MOSFET管Q4的栅极，所述第三门极驱动器20输出端分别连接所述MOSFET管Q5及MOSFET管Q6的栅极，所述温度检测模块21设于所述MOSFET管上，所述温度检测模块21输出端连接所述主控模块22输入端。
所述第一门极驱动器18包括第一驱动芯片181及第一脉冲变压器182，所述第一驱动芯片181输出端连接所述第一脉冲变压器182输入端；所述第二门极驱动器19包括第二驱动芯片191及第二脉冲变压器192，所述第二驱动芯片191输出端连接所述第二脉冲变压器192输入端；所述第二门极驱动器20采用第三驱动芯片201。
所述保护模块15采用主控IC芯片。
电容C1给高压电提供输入稳压，通过主控模块22控制移相全桥模块11的开通和关断，直流高压会在主变压器T1的原边实现斩波，形成高压交流电，因为主变压器的匝比是原边大于副边，所以交流电在主变压器T1的副边形成交流低压。谐振电路提供MOSFET管开通和关断所需的零电压，主变压器T1完成一次侧和二次侧的能量转换，同步整流控制模块12对副边进行整流获得正向低压电压，通过输出功率电感L2进行滤波，输出电容C3、电容C4进行稳压和平滑输出，以获得稳定的直流电压。电流互感器T2、电阻R1、二极管D3、电阻R2组成高压电流检测电路，实现高压电流到电压的线性转换；脉冲变压器实现高低压电气的隔离，利用低压电源来驱动高压端的MOSFET管（Q1、Q2、Q3、Q4），电容C2实现直流的隔离；L1为谐振电感，实现高压MOSFET管零电压开关所需的谐振能量存储和释放；D1、D2为续流二极管，实现变压器T1换向所需的续流及钳位；高、低压MOSFET管的驱动芯片是一样的，均采用IR公司生产的汽车级驱动IC。
图1中三个门级驱动器，第一门级驱动器18和第二门级驱动器19的结构一样，图2中第一驱动芯片181和第一脉冲变压器182构成第一门级驱动器18，第二驱动芯片191和第二脉冲变压器192构成第二门级驱动器19，而第三门级驱动器只包括第三驱动芯片201。第一门级驱动器18、第二门极驱动器19提供DC-DC主变压器T1原边高压MOSFET管的开通和关断，第三门级驱动器20提供主变压器T1副边低压MOSFET管的开关，分别属于高边和低边驱动器。此外，电源系统提供接口模块，主要实现的是直流高压电的接入、直流低压电的输出及与整车控制器的通信。移相全桥模块11实现直流到交流的转换功能，同步整流控制模块12实现交流到直流的转换。主控模块22利用了TI的UCC28950芯片，实现输出电压的比较，电流检测，原边副边MOSFET管的开通和关断以达到控制DC-DC变换器输出电压目的。高压电流通过电流互感器T2实现隔离，通过电阻实现电流到电压的转换。低压电流检测通过小阻值电阻进行电流到电压的转换，利用运算放大器进行电压放大。温度检测模块15是利用热敏电阻（置于MOSFET管的E和F上，图中未标示）实现温度到电压的转换，也利用了运算放大器实现电压放大。UCC28950有软启动端脚SS，所有的保护信号接到SS端，SS端正常工作电压为0.5V，一旦过压、过温、过流，SS端被拉低至0V，主控模块自动关闭。高压低压电流、电压、温度等信号通过比较器与设定值进行比较，超过阈值则拉低SS端电压，关闭主控UCC28950，实现DC-DC电源系统自保护。
线性输出电压控制在模拟式DC/DC上实现是个难点，本专利采用的设计方案如下：输入控制信号为整车控制器（图中未标示）给出的PWM信号（电平5V），PWM信号占空比在20~80%之间，DC/DC电源系统输出需控制在12~16V之间线性变化，20%的PWM占空比实现输出电压12V的控制，80%实现输出电压16V的控制，占空比在20%~80%变化时，输出电压也成线性变化。
DC-DC主控IC（主控模块22）内部集成误差放大器，误差放大器正端接入参考电压2.5V，误差放大反向端接入检测信号，检测信号来自DC/DC电源系统的输出电压所分压。误差放大器反向端并入PWM信号所积分的电压。工作原理如下：PWM信号占空比增加会使得积分电压减小，误差放大器反向端电压也跟着减小，为达到系统的稳定，主控IC会改变控制信号以增加主变压器T1的占空比，主变压器T1的占空比增加会导致电源系统输出电压的增加，最终达到误差放大器反向端电压与正端的平衡。反之，PWM信号占空比减小会使得DC/DC电源系统输出电压减小。由此，DC/DC电源系统输出电压可以根据PWM信号占空比进行线性调节，精度误差不超过1%。
参考电压经电阻R9分别连接电阻R10及主控模块22的误差放大器正向端，电阻R10另一端接地，积分电路输出端经电阻R7分别连接电阻R6、电阻R8及主控模块22的误差放大器反向端，电阻R8另一端接地，电阻R6另一端连接直流/直流变换器低压输出端，误差放大器输出端及主控模块22输出端分别连接直流/直流变换器输入端控制其工作，直流高压经直流/直流变换器输出直流电压。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电动汽车用的DC/DC电源系统，其特征在于，所述DC/DC电源系统包括直流高压供电模块、直流低压供电模块、隔离模块、移相全桥模块、同步整流控制模块、辅助电源模块及主控模块，所述直流高压供电模块输出端连接所述移相全桥模块输入端，所述移相全桥模块输出端连接所述隔离模块输入端，所述隔离模块输出端连接所述同步整流控制模块输入端，所述同步整流控制模块输出端连接所述直流低压供电模块输入端，所述直流低压供电模块输出端连接所述辅助电源模块输入端，所述辅助电源模块输出端连接所述主控模块输入端，所述主控模块输出端分别连接所述移相全桥模块、同步整流控制模块输入端。
2.根据权利要求1所述的DC/DC电源系统，其特征在于，所述移相全桥模块包括MOSFET管Q1、MOSFET管Q2、MOSFET管Q3、MOSFET管Q4、谐振电路、续流二极管D1及续流二极管D2，所述MOSFET管Q1源极连接所述MOSFET管Q2漏极，所述MOSFET管Q1漏极连接所述直流高压供电模块输出端，所述MOSFET管Q2源极连地，所述MOSFET管Q3源极连接所述MOSFET管Q4漏极，所述MOSFET管Q3漏极连接所述直流高压供电模块输出端，所述MOSFET管Q4源极连地，所述谐振电路连接所述MOSFET管Q1源极连接所述MOSFET管Q2漏极的节点上，所述续流二极管D1阳极与所述续流二极管D2阴极串联，所述续流二极管D2阳极接地。
3.根据权利要求2所述的DC/DC电源系统，其特征在于，所述谐振电路包括电容C2及电感L1，所述电容C1与所述电感L1串联，所述电容C1连接所述MOSFET管Q1源极连接所述MOSFET管Q2漏极的节点上。
4.根据权利要求3所述的DC/DC电源系统，其特征在于，所述同步整流控制模块包括MOSFET管Q5、MOSFET管Q6、电感L2、电容C3、电容C4及电阻R3，所述MOSFET管Q5源极连接电阻R3，所述MOSFET管Q6源极连接电阻R3，所述电感L2分别连接所述电容C3及电容C4，所述电容C3另一端接地，所述电容C4与所述电阻R3串联，所述电感L2输出低压检测电压给所述主控模块输入端，所述电阻R3输出低压检测电流给所述主控模块输入端。
5.根据权利要求4所述的DC/DC电源系统，其特征在于，所述隔离模块还包括主变压器T1，所述主变压器T1原边初级线圈同名端连接所述电感L1，异名端连接所述续流二极管D1阳极与所述续流二极管D2阴极串联节点上，所述主变压器副边包括第一次级线圈及第二次级线圈，所述第一次级线圈异名端连接所述第二次级线圈同名端，所述第一次级线圈同名端连接所述MOSFET管Q6漏极，所述第二次级线圈同名端连接所述电感L2，所述第二次级线圈异名端连接所述MOSFET管Q5漏极。
6.根据权利要求5所述的DC/DC电源系统，其特征在于，该电源系统还包括高压电流检测模块，所述高压电流检测模块输入端连接所述直流高压供电模块输出端，所述高压电流检测模块输出端连接所述主控模块输入端。
7.根据权利要求6所述的DC/DC电源系统，其特征在于，所述高压电流检测模块包括电流互感器T2、电阻R1、电阻R2及二极管D3，所述电流互感器T2原边一端连接所述直流高压供电模块输出端，另一端连接所述续流二极管D1阴极，所述电阻R1、电阻R2分别连接与所述电流互感器T2副边并联，所述二极管D3阳极连接所述电阻R1一端，所述二极管D3阴极连接所述电阻R2一端，所述电阻R2输出检测电流给所述主控模块输入端。
8.根据权利要求7所述的DC/DC电源系统，其特征在于，该电源系统还包括保险丝F1及高压电压检测模块，所述高压电压检测模块包括电容C1，所述保险丝F1一端连接所述直流高压供电模块输出端，另一端分别连接所述MOSFET管Q1、MOSFET管Q3的源极及电流互感器T1输入端，所述电容C1一端连接所述保险丝F1，另一端接地，所述电容C1输出高压检测电压给所述主控模块输入端。
9.根据权利要求5-8任一项所述的DC/DC电源系统，其特征在于，该电源系统还包括第一门极驱动器、第二门极驱动器、第三门极驱动器、保护模块及温度检测模块，所述主控模块输出端连接第一门极驱动器、第二门极驱动器、第三门极驱动器及保护模块输入端，所述保护模块输出端连接所述第一门极驱动器、第二门极驱动器及第三门极驱动器输入端，所述第一门极驱动器输出端连接所述MOSFET管Q1及MOSFET管Q2的栅极，所述第二门极驱动器输出端连接所述MOSFET管Q3及MOSFET管Q4的栅极，所述第三门极驱动器输出端连接所述MOSFET管Q5及MOSFET管Q6的栅极，所述温度检测模块设于所述MOSFET管上，所述温度检测模块输出端连接所述主控模块输入端。
10.根据权利要求9所述的DC/DC电源系统，其特征在于，所述第一门极驱动器包括第一驱动芯片及第一脉冲变压器，所述第一驱动芯片输出端连接所述第一脉冲变压器输入端；所述第二门极驱动器包括第二驱动芯片及第二脉冲变压器，所述第二驱动芯片输出端连接所述第二脉冲变压器输入端；所述第二门极驱动器采用第三驱动芯片。
CN201310589495.1A 2013-11-20 2013-11-20 一种电动汽车用的dc/dc电源系统 Pending CN103595256A (zh)

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