CN107623363A - 一种dc/dc转换器和车载充电机的合并电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种DC/DC转换器和车载充电机的合并电路，包括充电机电路和DC/DC转换电源电路，充电机电路包括主变压器，主变压器的输出端设有整流管，DC/DC转换电源电路通过连接DC/DC驱动控制电路、输出整流滤波电路以及在变压器上增加一个辅助绕组NS2、在整流管上并接DC主开关电路形成。本发明实现了DC/DC转换器和车载充电机的合并，大大简化了器件的使用量和结构件设计，优化了车载一体化电源的成本，且电路原理简单、可靠，对电路的其它功能和指标没有影响。

Description

一种DC/DC转换器和车载充电机的合并电路

技术领域

本发明涉及车载电源领域，特别涉及到一种可实现DC/DC转换功能的车载充电机电路。

背景技术

在纯电动汽车中车载充电机和DC/DC转换电源是两个重要的电器部件，一般这两大部件是独立配置分开安装在前置车舱内。近年来也有部分新结构是采用两者一体化结构，即：将两套独立的电气设计部件安装在同一个壳体内。这种方式能够节约结构件和部分配线成本，已经开始越来越获得整车厂家的认可。然而采用这种方式的一体化部件内部的电子零件数量大大增加，提高了成本，结构相对紧凑带来制造工艺复杂，对整机的可靠性造成一定的影响。

本专利采用的BOOST+PUSHPULL电路组合与以往的直接在充电机电池端组建单级PUSH-PULL PWM电路相比,其优点是主电路可以实现全占空比工作.有利于实现ZVS.大大降低了开关损耗及EMI问题.并且与同样两级电路BUCK+PUSHPULL相比,不仅主变压器付边圈数比较容易确定,且DC工作时匝比较大有利于降低原边电流,实现更高效率.

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种DC/DC转换器和车载充电机的合并电路，以解决上述问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种DC/DC转换器和车载充电机的合并电路，包括充电机电路和DC/DC转换电源电路，充电机电路包括主变压器，主变压器的输出端设有整流管，DC/DC转换电源电路通过连接DC/DC驱动控制电路、输出整流滤波电路以及在变压器上增加一个辅助绕组NS2、在整流管上并接DC主开关电路形成。

进一步的，所述充电机电路包括依次连接的整流滤波电路、充电机预稳压主开关电路、主变压器、整流电路和输出滤波电路；充电机电路的两端分别连接市电输入和动力电池；充电预稳压主开关电路为LLC电路或由第一预稳压电路和充电机主开关电路组成。

进一步的，所述DC/DC转换电源电路包括依次连接的输出滤波电路、第二预稳压电路、DC主开关电路、主变压器、DC/DC驱动控制电路和输出整流滤波电路；DC/DC转换电源电路的两端分别连接动力电池和低压电器；整流电路包括整流管，输出整流滤波电路与辅助绕组NS2相连；DC主开关电路可以为推挽、半桥电路或全桥电路。

进一步的，还包括于MCU，MCU的一个检测端通过充电机驱动控制电路连接充电机电路，MCU的另一个检测端通过DC/DC驱动控制电路连接DC/DC转换电源电路；充电机驱动控制电路通过AC PWM控制芯片IC1控制，DC/DC驱动控制电路通过DC PWM控制芯片IC2控制。

进一步的，所述MCU的输出端通过连接状态显示模块组成车载合并显示单元。

进一步的，所述辅助绕组NS2的匝数计算过程如下：

设充电机电路的主绕组匝数为N1、输出端最高均充电压为V1、充电机主开关电路的最大输出占空比为Dm＝1、DC/DC转换电源电路的额定输出电压为V2；根据一般正激(推挽)PWM变换器的工作原理，则：

NS2＝N1*V2/V1。

进一步的，所述MCU的功能和控制逻辑如下：

(1)在充电机输出端接入动力电池工作时，MCU检测到AC端口有市电输入，此时进入“充电模式”工作状态，AC PWM控制芯片IC1使能，充电机电路开始工作，DC PWM控制芯片IC2不使能；

(2)当MCU检测到市电输入消失后，MCU停止AC PWM控制芯片IC1使能；同时检测有无DC使能信号，如果有则进入“DC模式”，DC PWM控制芯片IC2使能，DC主开关电路开始工作。

进一步的，所述DC主开关电路上连接有隔离电路。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑，成本低，制造工艺简单，整机的可靠性好，解决了采用完全独立的两套电路来实现原车载充电机和DC/DC变换器的功能，解决了使用一套电路完成以上功能的技术难点，可以广泛使用在中低速或高速电动车领域。充电机主电路采用级联半桥电路，主变压器上增加一个DC输出辅助绕组，在原边主驱动电路停止工作的情况下，通过对与付边整流管并联的开关管的驱动，以及付边级联电路的PWM调制，实现车载DC/DC电源的功能。本发明大大简化了器件的使用量和结构件设计，优化了车载一体化电源的成本，且电路原理简单、可靠，对电路的其它功能和指标没有影响。

本发明采用双向能量流动的原理，在充电机停止工作时，并接在整流管两端的开关管可以独立驱动、控制，就可以使动力电池的电能反向流动，只需在原主变压器上加一个低压输出隔离绕组，就可以实现车载DC/DC电源的功能。

在这套系统里面，本发明实现了以下电路和器件的共享：

1、充电机输出回路和DC输入回路，这些回路包含滤波、反接保护等；

2、主变压器回路；

3、MCU控制回路，包括CAN总线端口的电路；

4、辅助源；

5、在优化DC主开关管KS1和开关管KS2选型的条件下，可以替代充电机整流管D1、D2。

附图说明

图1为本发明所述的DC/DC转换器和车载充电机的合并电路的结构框图。

图2为本发明所述的DC/DC转换器和车载充电机的合并电路的实施基本电路图。

图3为本发明所述的在充电机输出倍压整流的条件下如何接入DC主开关的电路示意图。

图4为本发明所述的在充电机输出全桥结构整流电路中实现全桥DC主电路的电路示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1～图2，本发明所述的一种DC/DC转换器和车载充电机的合并电路，包括充电机电路和DC/DC转换电源电路。充电机电路包括主变压器，主变压器的输出端设有整流管。DC/DC转换电源电路通过连接DC/DC驱动控制电路、输出整流滤波电路以及在变压器上增加一个辅助绕组NS2、在整流管上并接DC主开关电路形成。

充电机电路包括依次连接的整流滤波电路、PFC电路、充电预稳压主开关电路、主变压器、整流电路和输出滤波电路。整流电路包括二极管D3和二极管D4，输出滤波电路包括电感L2、电容C3和电容C4。充电机电路的两端分别连接市电输入和动力电池。充电预稳压主开关电路包括第一预稳压电路和充电机主开关电路，当然也可以由其他类型的单级拓扑结构完成，比如LLC电路。第一预稳压电路为BUCK预稳压电路，充电机主开关电路可以为半桥主开关电路。

DC/DC转换电源电路包括依次连接的输出滤波电路、第二预稳压电路、DC主开关电路、主变压器、DC/DC驱动控制电路和输出整流滤波电路。第二预稳压电路为BOOST预稳压电路。DC/DC转换电源电路的两端分别连接动力电池和低压电器。整流电路包括整流管，输出整流滤波电路与辅助绕组NS2相连。DC主开关电路可以为推挽开关，也可以根据充电机的整流电路形式变为半桥电路或全桥电路。充电机合并电路通过并接在输出整流管上的开关管连接DC驱动实现隔离变压功能，级联BOOST预稳压控制电路通过PWM调制实现和DC输出的稳压功能。

还包括于MCU，MCU的一个检测端通过充电机驱动控制电路连接充电机电路，MCU的另一个检测端通过DC/DC驱动控制电路连接DC/DC转换电源电路。充电机驱动控制电路通过AC PWM控制芯片IC1控制，DC/DC驱动控制电路通过DC PWM控制芯片IC2控制。

MCU的输出端通过状态显示模块连接输出显示面板，从而组成车载合并显示单元。

DC/DC转换器包含PWM控制电路、主变压器上的辅助绕组NS2、输出整流滤波电路，通过对DC输出端电压的反馈控制实现稳定的输出。

辅助绕组NS2的匝数计算过程如下：

辅助绕组NS2(隔离绕组)可以根据DC/DC输出电压，源波动(即原充电机的输出波动范围)来计算匝数比及所需的匝数。这个计算原理和一般的DC/DC并无二致。设充电机电路的主绕组匝数为N1、输出端最高均充电压为V1、充电机主开关电路的最大输出占空比为Dm＝1、DC/DC转换电源电路的额定输出电压为V2。根据一般正激(推挽)PWM变换器的工作原理，则：

NS2＝N1*V2/V1。

以一个输出充电电压60～80V的充电机为例，设定DC输出电压V2为13.8V，假定主绕组N1＝6T，取V1为80V，则NS2＝1T。对于充电机使用的其他类型单级PWM主电路，比如采用移相全桥或ZVS全桥等，由于其滤波电感一般放在主变压器输出侧，这样就可以和DC共用一个滤波电感，即DC/DC部分就不需要再添加滤波电感了，其附加绕组的设计可以按照实际的拓扑结构来考虑了。

MCU包括AC PWM控制芯片IC1、DC PWM控制芯片IC2、充电机开关KP1、开关KP2、开关管KS1和开关管KS2。MCU的功能以及对充电机电路和DC/DC转换电源电路的控制逻辑如下：

(1)在充电机输出端接入动力电池工作时，MCU检测到AC端口有市电输入，此时进入“充电模式”工作状态，AC PWM控制芯片IC1使能，充电机电路开始工作，DC PWM控制芯片IC2不使能。

(2)当MCU检测到市电输入消失后，MCU停止AC PWM控制芯片IC1使能；同时检测有无DC使能信号，如果有则进入“DC模式”，DC PWM控制芯片IC2使能，DC主开关电路即DC推挽主开关即开关管KS1和开关管KS2开始工作。

对于采用DSP技术来实现主电路及同步驱动及反馈控制的充电机电路，实现以上控制原理的方式就简单多了，把图2所示的“AC PWM控制”、“MCU”和”DCPWM控制”合并成一个集中的“DSP集中处理单元”就可以合并完成以上3个部分的功能，即只需根据以上原理编制相关软件就可以完成以上控制功能。

图2是以输出全波整流电路为例说明接入开关管KS1、开关管KS2可构成DC主电路的PUSH-PULL结构。由于前级BOOST电路(由电感L3、二极管D5、开关管KS4、电容C3构成)可以实现PWM控制，所以推挽结构的主电路可以实现ZVS。如果改成普通推挽PWM电路，可单级完成调制，但主开关管只能工作在硬开关状态。具体应用可以根据实际要求来确定。另外，前级BOOST电路也可以改用BUCK电路来完成稳压功能，但DC变压器绕组需要重新计算，缺点是主开关电路效率略低但实现过流保护简单。

考虑到并接在整流管两端的MOS开关管，在充电机工作时，其体二极管的不良恢复特新会额外产生比较大的恢复电流和损耗，尤其是使用耐压100伏以上的MOS器件。对此在推挽结构里面采用开关管KS3、二极管D6、二极管D7构成隔离电路。在“充电模式”即充电机状态工作时，MCU输出低电平驱动信号，开关管KS3工作于断开状态。由于它与主开关管KS1、开关管KS2构成串联结构，其导通压降大于输出整流管，避免了MOS管的分流问题。而在“DC模式”工作时，开关管KS3导通，其低导通电阻对主电路影响极小。

参见图2，本发明包括充电机电路，充电机电路通过在主变压器T1上增加一个辅助绕组NS2，输出端加一对开关器件(开关管KS1和开关管KS2)，通过连接DC/DC驱动控制电路和输出整流滤波电路组成DC/DC转换电源电路。DC/DC输出电路包括辅助绕组NS2、整流器件(二极管D1、二极管D2)和电感L1、电容C5，通过对输出电压的反馈控制实现稳定的输出。

DC/DC转换器包含驱动控制电路、DC开关管KS1和开关管KS2、DC PWM控制芯片IC2，由开关管KS3、二极管D5和电容C3构成BOOST升压电路，通过对DC输出电压的反馈控制实现稳定的输出。由主电路开关KP1、主电路开关KP2及分压电容C1、电容C2及主变压器T1构成典型的PWM半桥主电路，为提高输出级效率，采用全占空比驱动主开关实现ZVS高效变换。二极管D3和二极管D4快恢复管实现整流功能。

本发明在主变压器T1上增加了一个辅助绕组NS2及后续整流器件二极管D1、二极管D2，加上前级BOOST升压电路就完成了一个标准的BOOST-PUSHPULL级联PWM主电路构架，通过对输出电压V2的反馈控制就能实现稳定的输出。为了确保两种方式工作而不产生冲突，由MCU控制单元根据功能要求来分别对“充电机控制电路”及“DC控制器”进行使能。

也有一些车载电源系统也需要在充电状态时有一个小功率的DC/DC以满足低压电器的部分特定功能需求，在充电状态时，辅助NS2绕组同时可以输出与充电电压同比例变化的低压输出，可以满足一般精度需求。

并接在充电机电路的整流管上的开关管(DC主开关)在不加措施的条件下有可能会因MOS管体二极管不良的恢复特性导致充电机工作时输出级损耗大和噪音强的现象发生，因此在DC主开关电路上连接有隔离电路。本发明提出了多种隔离方案可以根本解决以上问题。图2中的隔离电路包括由开关管KS3、二极管D6和二极管D7，在合并电路工作在"充电机状态"时，MCU驱动开关管KS3断开，避免输出高频脉冲电流流经开关管KS1和开关管KS2而导致其体二极管的反向恢复损耗。

图3显示了在充电机输出倍压整流的条件下如何接入DC主开关的电路示意图，考虑到充电机工作时避免DC主开关体二极管的恢复特性产生不利影响，可以接入电阻R1、电阻R2、二极管D1和二极管D2。根据实际电流大小可以确定电阻R1的阻值在几个欧姆至几十欧姆之间。二极管D1和二极管D2可以选低压降的肖特基管就行了。这种输出结构一般适用在中等功率高输出电压等级的充电机上，比如200-400伏输出等级的锂电动力电池场合。

图4显示了另一种在充电机输出全桥结构整流电路中实现全桥DC主电路的结构图。这个方案比较适用在大功率及高压输出场合，其原理和以上半桥类似。充电机主电路可以用LLC,全桥或图1所示的级联电路来实现。DC主电路可以用全桥或ZVS全桥PWM驱动来实现高效率低噪音变换。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种DC/DC转换器和车载充电机的合并电路，其特征在于：包括充电机电路和DC/DC转换电源电路，充电机电路包括主变压器，主变压器的输出端设有整流管，DC/DC转换电源电路通过连接DC/DC驱动控制电路、输出整流滤波电路以及在变压器上增加一个辅助绕组NS2、在整流管上并接DC主开关电路形成。

2.根据权利要求1所述的DC/DC转换器和车载充电机的合并电路，其特征在于：所述充电机电路包括依次连接的整流滤波电路、充电预稳压主开关电路、主变压器、整流电路和输出滤波电路；充电机电路的两端分别连接市电输入和动力电池；其中预稳压电路和半桥主开关电路组成的两级电路也可以由其他类型的单级拓扑结构完成,比如全桥PWM,双管正激电路或LLC电路。

3.根据权利要求2所述的DC/DC转换器和车载充电机的合并电路，其特征在于：所述DC/DC转换电源电路包括依次连接的输出滤波电路、第二预稳压电路、DC主开关电路、主变压器、DC/DC驱动控制电路和输出整流滤波电路；DC/DC转换电源电路的两端分别连接动力电池和低压电器；整流电路包括整流管，输出整流滤波电路与辅助绕组NS2相连；DC主开关电路可以为开关管、半桥电路或全桥电路。

4.根据权利要求3所述的DC/DC转换器和车载充电机的合并电路，其特征在于：还包括于MCU，MCU的一个检测端通过充电机驱动控制电路连接充电机电路，MCU的另一个检测端通过DC/DC驱动控制电路连接DC/DC转换电源电路；充电机驱动控制电路通过AC PWM控制芯片IC1控制，DC/DC驱动控制电路通过DC PWM控制芯片IC2控制。

5.根据权利要求4所述的DC/DC转换器和车载充电机的合并电路，其特征在于：所述MCU的输出端通过连接状态显示模块组成车载合并显示单元。

6.根据权利要求4所述的DC/DC转换器和车载充电机的合并电路，其特征在于：所述辅助绕组NS2的匝数计算过程如下：

设充电机电路的主绕组匝数为N1、输出端最高均充电压为V1、充电机主开关电路的最大输出占空比为Dm＝1、DC/DC转换电源电路的额定输出电压为V2；根据一般正激(推挽)PWM变换器的工作原理，则：

NS2＝N1*V2/V1。

7.根据权利要求4所述的DC/DC转换器和车载充电机的合并电路，其特征在于：所述MCU的功能和控制逻辑如下：

(1)在充电机输出端接入动力电池工作时，MCU检测到AC端口有市电输入，此时进入“充电模式”工作状态，AC PWM控制芯片IC1使能，充电机电路开始工作，DC PWM控制芯片IC2不使能；

(2)当MCU检测到市电输入消失后，MCU停止AC PWM控制芯片IC1使能；同时检测有无DC使能信号，如果有则进入“DC模式”，DC PWM控制芯片IC2使能，DC主开关电路开始工作。

8.根据权利要求1所述的DC/DC转换器和车载充电机的合并电路，其特征在于：所述DC主开关电路上连接有隔离电路。