CN104113213A - 一种用于电动汽车的dc-dc变换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于电动汽车的DC-DC变换装置，其包括：逆变模块，逆变模块与高压电池包相连，用于将高压电池包输入的直流电转换成交流电；谐振模块，谐振模块与逆变模块的输出端相连；变压器，变压器的输入端与谐振模块相连；同步整流模块，同步整流模块与变压器的输出端相连，用于将通过变压器变换后的交流电转换成直流电；控制器，控制器分别与逆变模块和同步整流模块相连，用于输出PWM信号控制逆变模块并通过控制所述PWM信号的相移以设定所述变压器的占空比，以及控制同步整流模块进行同步整流。该DC-DC变换装置在开始工作时能够使得其输出瞬间上升到一定电压，解决或减少了负电流的影响，并且电路结构简单，转换效率高。

Description

一种用于电动汽车的DC-DC变换装置

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种用于电动汽车的DC-DC变换装置。

背景技术

目前的整流电路主要分为全桥整流与同步整流。其中，全桥整流主要是运用二极管的单向导通性进行整流，但是效率较低。为了提高DC-DC变换器的效率，同步整流已成为当前的主要整流方式。据统计，同步整流可以提高5个百分点的效率。但是，同步整流也带来了很多问题，最主要的问题是DC-DC变换器在启动的瞬间会出现很大的负电流（不同的整流MOS管导致的负电流不一致，但是都在几百安培左右）。

当前，电动汽车上DC-DC变换器的主要作用是将高压电转为低压电，同时DC-DC变换器的输出会并接12VDC的蓄电池。但在DC-DC变换器的启动瞬间，其输出会有一个上升的过程，而在同步整流时，低压整流的MOS管的占空比会保持在最大值固定不变。因此，如果DC-DC变换器的输出电压低于蓄电池的电压时，低压蓄电池会反向给DC-DC变换器充电。

为解决电动汽车上的DC-DC变换器在开始工作时其输出电压低于蓄电池的电压导致蓄电池反向充电的问题，现有技术是在DC-DC变换器开始工作时进行全桥整流，直到DC-DC变换器的输出电压大于12VDC时，进行同步整流。为了实现输出电压到达12VDC时由全桥整流转换为同步整流，需要增加低压采样电路与转换控制电路，电路结构变得复杂，同时增加的二极管也会增加成本。并且，控制电路会受到干扰信号的影响。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种用于电动汽车的DC-DC变换装置，该DC-DC变换装置在开始工作时能够使得其输出瞬间上升到一定电压，解决或减少了负电流的影响，并且电路结构简单，转换效率高。

为达到上述目的，本发明实施例提出的一种用于电动汽车的DC-DC变换装置，包括：逆变模块，所述逆变模块与所述电动汽车的高压电池包相连，用于将所述高压电池包输入的直流电转换成交流电；谐振模块，所述谐振模块与所述逆变模块的输出端相连；变压器，所述变压器的输入端与所述谐振模块相连；同步整流模块，所述同步整流模块与所述变压器的输出端相连，用于将通过所述变压器变换后的交流电转换成直流电；控制器，所述控制器分别与所述逆变模块和同步整流模块相连，用于输出PWM信号控制所述逆变模块并通过控制所述PWM信号的相移以设定所述变压器的占空比，以及控制所述同步整流模块进行同步整流。

根据本发明实施例的用于电动汽车的DC-DC变换装置，通过控制器在该DC-DC变换装置开始工作时将变压器的占空比设定为预设值，使得DC-DC变换装置的输出瞬间上升到一定电压，从而解决了负电流或减少负电流的影响。并且，该DC-DC变换装置一直采用同步整流方式，提高了转换效率。此外，该DC-DC变换装置的电路结构简单，减少了元器件的使用，不用增加其他散热装置，节约了成本和空间。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有技术中电动汽车上的DC-DC变换器的电路图；

图2为根据本发明实施例的用于电动汽车的DC-DC变换装置的方框示意图；以及

图3为根据本发明一个优选实施例的DC-DC变换装置的电路图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

在描述本发明实施例提出的用于电动汽车的DC-DC变换装置之前，先来描述现有技术中的电动汽车上的DC-DC变换器。

如图1所示，在同步整流MOS管的Q5’、Q6’两端并接D1、D2二极管。在该DC-DC变换器开始工作时，Q5’、Q6’不工作，通过二极管D1、D2实现全桥整流；当DC-DC变换器的输出电压大于12VDC时，Q5’、Q6’开始工作，实现同步整流。并且，控制同步整流MOS管Q5’、Q6’和逆变的MOS管Q1’、Q2’、Q3’、Q4’的驱动信号为传统芯片输出的模拟信号。

其中，为了实现输出电压到达12VDC时由全桥整流转换为同步整流，需要增加低压采样电路与转换控制电路，电路结构变得复杂，同时增加的二极管D1、D2也会增加相应的成本。并且，控制电路还会受到干扰信号的影响。此外，增加低压采样电路与转换控制电路以及增加二极管D1、D2会导致电路散热变大，还需要增加其他散热装置，成本大大增加，空间也受到制约。

需要说明的是，在传统的移相全桥电路中，DC-DC变换器开始工作时变压器的占空比为0，然后逐步上升，这样就会导致DC-DC变换器的输出的上升速度很慢。这样DC-DC变换器在开始工作时其输出电压低于蓄电池的电压导致蓄电池给DC-DC变换器反向充电。

下面参照附图2和附图3来描述根据本发明实施例提出的用于电动汽车的DC-DC变换装置。

图2为根据本发明实施例的用于电动汽车的DC-DC变换装置的方框示意图。如图2所示，该DC-DC变换装置包括逆变模块10、谐振模块20、变压器30、同步整流模块40和控制器50。

其中，逆变模块10与电动汽车的高压电池包相连，用于将所述高压电池包输入的直流电转换成交流电。谐振模块20与逆变模块10的输出端相连，变压器30的输入端与谐振模块相连。同步整流模块40与变压器30的输出端相连，用于将通过变压器30变换后的交流电转换成直流电。控制器50分别与逆变模块10和同步整流模块40相连，用于输出PWM信号控制逆变模块10并通过控制所述PWM信号的相移以设定变压器30的占空比，以及控制同步整流模块40进行同步整流。

在本发明的一个实施例中，在所述DC-DC变换装置开始工作时控制器50设定变压器30的占空比不为0。

在本发明的实施例中，在所述DC-DC变换装置开始工作时控制器50通过设定变压器30的占空比不为0，使得DC-DC变换装置的输出瞬间上升到一定电压例如12VDC，从而解决了负电流的问题或者在一定程度上减少负电流。

在本发明的一个优选实施例中，如图3所示，该DC-DC变换装置还包括选择模块60，选择模块60连接在谐振模块20和变压器30的输入端之间，且选择模块60与控制器50相连，用于在控制器50的控制下改变变压器30的匝比。并且，变压器30根据所述匝比进行升压变换或降压变换。也就是说，在本实施例中，控制器50通过控制选择模块60来切换变压器30的匝比，并改变驱动逆变模块和同步整流模块进行工作的驱动信号从而使得变压器30进行升压变换或降压变换。

具体地，在本实施例中，如图3所示，逆变模块10包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4。其中，第一开关管Q1和第二开关管Q2相互串联连接，第一开关管Q1和第二开关管Q2之间具有第一节点A。第三开关管Q3和第四开关管Q4相互串联连接，第三开关管Q3和第四开关管Q4之间具有第二节点B。其中，第一开关管Q1和第二开关管Q2串联连接后与相互串联的第三开关管Q3和第四开关管Q4并联连接，组成桥式电路，第一开关管Q1的控制端、第二开关管Q2的控制端、第三开关管Q3的控制端和第四开关管Q4的控制端分别与控制器50相连。控制器50分别通过相应的管脚输出PWM1A、PWM2B、PWM2A和PWM1B信号给第一至第四开关管。

如图3所示，谐振模块20包括谐振电感L1和谐振电容C1。其中，谐振电感L1的一端与第一节点A相连，谐振电感L1的另一端与变压器30的初级线圈的一端相连，谐振电容C1的一端与第二节点B相连，谐振电容C1的另一端与选择模块60相连。

其中，选择模块60包括继电器J1、三极管Q0、第一电阻R1和第二电阻R2。其中，继电器J1的第一端1与谐振电感L1的另一端相连，继电器J1的第二端2与变压器30的初级线圈的中间抽头相连，继电器J1的第三端3与变压器30的初级线圈的另一端相连，继电器J1的电源端与预设直流电源例如12VDC的电源相连。三极管Q1的集电极与继电器J1的第四端4相连，三极管Q0的发射极接地，第一电阻R1的一端与三极管Q0的基极相连，第一电阻R1的另一端与控制器50的GPIO11管脚相连，第二电阻R2的一端分别与第一电阻R1的另一端和控制器的GPIO11管脚相连，第二电阻R2的另一端接地。

在本发明的优选实施例中，如图3所示，同步整流模块40包括第五开关管Q5和第六开关管Q6。其中，第五开关管Q5的一端与第六开关管Q6的一端相连，第五开关管Q5的另一端与变压器30的次级线圈的一端相连，第六开关管Q6的另一端与变压器30的次级线圈的另一端相连，第五开关管Q5的控制端和第六开关管Q6的控制端分别与控制器50相连。控制器50通过相应的管脚分别输出PWM4A和PWM4B信号至第五开关管Q5和第六开关管Q6。

其中，需要说明的是，控制器50为数字芯片，不再是传统的芯片例如2895，该数字芯片的输出信号通过预先标定，不再是传统的芯片输出的模拟信号。因此说，每个开关管例如MOS管的驱动信号不是通过传统的芯片如2895获得，而是通过专用的数字芯片通过预先处理获得，其中，硬件电路采信号（如输出电压、输出电流）给数字芯片，然后通过相应处理，从而数字芯片输出相应的信号来驱动每个MOS管。数字芯片输出的PWM信号与MOS管的信号一一对应，具体而言，数字芯片输出PWM波形的引脚通过驱动变压器后与各个MOS管相连接。

此外，在本发明的实施例中，如图3所示，上述的DC-DC变换装置，还包括滤波电感L2和滤波电容C2，滤波电感L2的一端与变压器30的次级线圈的中间抽头相连，滤波电感L2的另一端与滤波电容C2的正极端相连，滤波电感L2和滤波电容C2之间具有第三节点C，第三节点C作为所述DC-DC变换装置的正输出端，滤波电容C2的负极端与第六开关管Q6的一端相连，滤波电容C2的负极端作为所述DC-DC变换装置的负输出端。其中，所述DC-DC变换装置的正、负输出端与负载相连。滤波电感L2和滤波电容C2对同步整流模块40转换后的直流电进行滤波处理。

综上所述，在传统的移相全桥电路中，DC-DC变换器开始工作时变压器的占空比为0，然后逐步上升，这样就会导致DC-DC变换器的输出上升速度很慢。而本发明实施例提出的DC-DC变换装置通过数字芯片在DC-DC变换装置刚开始工作时改变DC-DC变换装置中变压器30的占空比即将变压器两端的占空比设定为预设值，DC-DC变换装置的输出会瞬间上升到一定值例如12VDC，从而从一定程度解决负电流或减小负电流的影响。其中，预设值是通过设定数字芯片输出的驱动波形PWM1A、PWM1B、PWM2A和PWM2B的相移来实现的。在本发明实施例提出的DC-DC变换装置一直处于同步整流过程，相比于先全桥整流后同步整流的方式，大大提高转换效率，并且不再需要增加整流二极管，从而减小了元器件的使用，也不用增加其他的散热装置，可以节约成本与空间。

同时，在本发明的优选实施例中，在运用数字芯片的基础上，可以通过改变变压器30的匝比来实现升压或降压变换。降压时，数字芯片通过GPIO11管脚输出低电平，三极管Q0截止，继电器J1的第一端1和第二端2连接；当数字芯片接收到的信号满足升压条件时，数字芯片通过GPIO11管脚输出高电平，三极管Q0导通，此时继电器第一端1和第三端3连接，从而数字芯片实现通过继电器J1切换变压器30的匝比，同时将驱动MOS管的信号切换为升压信号，控制DC-DC变换装置执行升压功能。因此，使用数字芯片为基础，可以实现DC-DC变换装置高压转低压与低压转高压的双向控制，并方便人们对DC-DC变换装置进行功能增加与改进。

根据本发明实施例的用于电动汽车的DC-DC变换装置，通过控制器在该DC-DC变换装置开始工作时将变压器的占空比设定为预设值，使得DC-DC变换装置的输出瞬间上升到一定电压，从而解决了负电流或减少负电流的影响。并且，该DC-DC变换装置一直采用同步整流方式，提高了转换效率。此外，该DC-DC变换装置的电路结构简单，减少了元器件的使用，不用增加其他散热装置，节约了成本和空间。最后，通过控制器例如数字芯片还可以实现DC-DC高低压的相互转换，方便人们对DC-DC进行功能增加和改进。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (9)

1.一种用于电动汽车的DC-DC变换装置，其特征在于，包括：

逆变模块，所述逆变模块与所述电动汽车的高压电池包相连，用于将所述高压电池包输入的直流电转换成交流电；

谐振模块，所述谐振模块与所述逆变模块的输出端相连；

变压器，所述变压器的输入端与所述谐振模块相连；

同步整流模块，所述同步整流模块与所述变压器的输出端相连，用于将通过所述变压器变换后的交流电转换成直流电；

控制器，所述控制器分别与所述逆变模块和同步整流模块相连，用于输出PWM信号控制所述逆变模块并通过控制所述PWM信号的相移以设定所述变压器的占空比，以及控制所述同步整流模块进行同步整流。

2.如权利要求1所述的DC-DC变换装置，其特征在于，还包括：

选择模块，所述选择模块连接在所述谐振模块和所述变压器的输入端之间，且所述选择模块与所述控制器相连，用于在所述控制器的控制下改变所述变压器的匝比。

3.如权利要求2所述的DC-DC变换装置，其特征在于，所述变压器根据所述匝比进行升压变换或降压变换。

4.如权利要求2所述的DC-DC变换装置，其特征在于，所述逆变模块包括：

相互串联的第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和第二开关管之间具有第一节点；

相互串联的第三开关管和第四开关管，所述第三开关管和第四开关管之间具有第二节点；

其中，所述第一开关管和第二开关管串联连接后与所述相互串联的第三开关管和第四开关管并联连接，所述第一开关管的控制端、第二开关管的控制端、第三开关管的控制端和第四开关管的控制端分别与所述控制器相连。

5.如权利要求4所述的DC-DC变换装置，其特征在于，所述谐振模块包括：

谐振电感，所述谐振电感的一端与所述第一节点相连，所述谐振电感的另一端与所述变压器的初级线圈的一端相连；

谐振电容，所述谐振电容的一端与所述第二节点相连，所述谐振电容的另一端与所述选择模块相连。

6.如权利要求5所述的DC-DC变换装置，其特征在于，所述选择模块包括：

继电器，所述继电器的第一端与所述谐振电感的另一端相连，所述继电器的第二端与所述变压器的初级线圈的中间抽头相连，所述继电器的第三端与所述变压器的初级线圈的另一端相连，所述继电器的电源端与预设直流电源相连；

三极管，所述三极管的集电极与所述继电器的第四端相连，所述三极管的发射极接地；

第一电阻，所述第一电阻的一端与所述三极管的基极相连，所述第一电阻的另一端与所述控制器相连；

第二电阻，所述第二电阻的一端分别与所述第一电阻的另一端和所述控制器相连，所述第二电阻的另一端接地。

7.如权利要求6所述的DC-DC变换装置，其特征在于，所述同步整流模块包括：

第五开关管和第六开关管，所述第五开关管的一端与所述第六开关管的一端相连，所述第五开关管的另一端与所述变压器的次级线圈的一端相连，所述第六开关管的另一端与所述变压器的次级线圈的另一端相连，所述第五开关管的控制端和第六开关管的控制端分别与所述控制器相连。

8.如权利要求7所述的DC-DC变换装置，其特征在于，还包括：

滤波电感和滤波电容，所述滤波电感的一端与所述变压器的次级线圈的中间抽头相连，所述滤波电感的另一端与所述滤波电容的正极端相连，所述滤波电感和滤波电容之间具有第三节点，所述第三节点作为所述DC-DC变换装置的正输出端，所述滤波电容的负极端与所述第六开关管的一端相连，所述滤波电容的负极端作为所述DC-DC变换装置的负输出端。

9.如权利要求1所述的DC-DC变换装置，其特征在于，在所述DC-DC变换装置开始工作时所述变压器的占空比不为0。