CN107634553B - 非隔离双向dc-dc变换器预充电电路及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非隔离双向DC‑DC变换器预充电电路及其方法，该电路包括第一电容、第二电容、控制器、第一功率放大管、限流电阻及第二功率放大管，第一电容通过电感连接有第一电池，第一电容分别连接有第二电池及控制器，第一电容与第二电池之间设有总开关，第二电容并联在电感与第一电池之间，第一功率放大管的控制脚与控制器连接，其输出脚与第二功率放大管的控制脚连接，其输入脚接地；第二功率放大管的输入脚与第一电池连接，其输出脚通过限流电阻与第二电容及电感连接。本发明通过控制器控制第二功率放大管闭合，第一功率放大管导通，电流给第二电容及第一电容充电；且控制器使第一电容上的电压从12V到48V，减小浪涌电流，保证总开关及其他设备的寿命。

Description

非隔离双向DC-DC变换器预充电电路及其方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说是指非隔离双向DC-DC变换器预充电电路以及预充电方法。

背景技术

随着节能减排，减少二氧化碳排放，解决全球气候变暖趋势，新能源汽车行业开始蓬勃发展。在一个混合动力汽车里面，有一个辅助的48V的电池系统，专门为高功率负载的提供电源，从而减轻12V电池系统的负担，延长12V铅酸电池的寿命。比如电动压缩机，电加热器，电子助力转向和起动等。

如图1所示,在48V电池和12V电池之间有一个非隔离双向DCDC变换器,用于两套系统之间的能量传递。一般12V电池是长期链接在DCDC变化器的一次，而48V电池和DC-DC之间会有一个接触器总开关S1，总开关S1只有在启动之前和运行过程过中才会闭合。

但是，当总开关S1闭合的一瞬间，由于DC-DC内部储能电容C1的存在，会出现一个数百甚至上千安培的浪涌电流，总开关S1上会出现打火狐的现象，开关很容易被损坏。在预充电过程中的充电电流是从12V电池提供，如果想在C1上充上电，就得要把C2上也要充上电，如果想把C2上充上电，就必须把安全MOS管Q3和Q4打开(这两个MOS是共源极连接在一起的MOS，起到切断12V电池和DCDC的作用，和防反接保护的作用，被设计在DCDC内部)，安全MOS管Q3和Q4打开瞬间，由于C2的存在，也会有一个数百安培的浪涌电流给C2充电，这个大的浪涌电流也有可能损坏安全MOSQ3和Q4。

中国专利201210119135.0公开了一种用于DC-DC升压变换器的预充电电路及预充电方法，其通过调节流过所述参考晶体管的参考电流，以使所述参考电流保持不变；控制所述参考晶体管的漏极电压跟随所述功率晶体管的漏极电压变化，以使所述参考晶体管与所述功率晶体管在预充电过程中为电流镜电路，通过所述功率晶体管对所述参考晶体管的镜像，获得一恒定的镜像电流来作为预充电电流，这样即实现了所述预充电电路的预充电电流保持不变。本发明不但能够进行预充电以升高输出电压，而且能够保证在预充电过程中，预充电电流不变，满足快速启动负载的要求。此外，本发明所述的预充电控制技术方案的预充电电流的启动电流小，维持时间长，因而电路损耗更小，稳定性更高。

上述的专利通过电压箝位电路对所述参考晶体管的漏极电压进行箝位控制，以使参考晶体管的漏极电压跟随功率晶体管的漏极电压的变化，从而解决在预充电过程中预充电电流下降的问题，而不是减小浪涌电流。

因此有必要设计一种预充电电路，以实现避免设备中的总开关闭合或者断开瞬间没有火狐，保证总开关及其他设备的寿命，尽可能减小浪涌电流，保证各个零部件的运行应力，确保产品质量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供非隔离双向DC-DC变换器预充电电路及其方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：非隔离双向DC-DC变换器预充电电路，包括DC-DC主电路、控制器、第一功率放大管、限流电阻以及第二功率放大管，所述DC-DC主电路包括第一电容以及第二电容，所述第一电容通过所述电感连接有第一电池，所述第一电容的正极分别连接有第二电池以及所述控制器，且所述第一电容与所述第二电池之间设有总开关，所述第二电容并联在所述电感与所述第一电池之间，所述第一功率放大管的控制脚与所述控制器连接，所述第一功率放大管的输出脚与所述第二功率放大管的控制脚连接，所述第一功率放大管的输入脚接地；所述第二功率放大管的输入脚与所述第一电池连接，所述第二功率放大管的输出脚通过所述限流电阻分别与所述第二电容以及所述电感连接。

其进一步技术方案为：所述非隔离双向DC-DC变换器预充电电路还包括第一安全功率放大管，所述第一安全功率放大管的控制脚与所述控制器连接，所述第一安全功率放大管的输入脚与所述第一电池连接，所述第一安全功率放大管的输出脚与所述电感连接。

其进一步技术方案为：所述电感与所述第一电池之间连接有电流采样电阻，所述电流采样电阻分别与所述第二电容以及所述控制器连接。

其进一步技术方案为：所述第二电容的输入端以及所述电流采样电阻的输入端与所述第一电池的正极之间设有第二安全功率放大管，所述第二安全功率放大管的控制脚与所述控制器连接，所述第二安全功率放大管的输入脚与所述第一电池的正极连接，所述第二安全功率放大管的输出脚分别与所述第二电容的输入端以及所述电流采样电阻的输入端连接。

其进一步技术方案为：所述第二电容与所述电感的输出端之间连接有高频功率放大管，所述高频功率放大管的输出脚与所述电感的输出端连接，所述高频功率放大管的输入脚分别与所述第一电容以及所述第二电容连接，所述高频功率放大管的控制脚与所述控制器连接。

其进一步技术方案为：所述电感的输出端与所述第一电容的正极之间连接有第三功率放大管，所述第三功率放大管的控制脚与所述控制器连接，所述第三功率放大管的输入脚分别与所述电感的输出端以及所述高频功率放大管的输出脚连接，所述第三功率放大管的输出脚与所述第一电容的正极连接。

本发明还提供了非隔离双向DC-DC变换器预充电方法，包括以下具体步骤：

步骤一、第一预充电阶段，当控制器接收到启动命令时，控制器与第二功率放大管的控制脚的连接端口Prec_CMD被置高，第二功率放大管闭合，同时第一功率放大管导通，预充电电流通过第一功率放大管以及限流电阻给第二电容充电，同时预充电电流通过电感给第一电容充电；

步骤二、第一次判断，控制器判断第一电容上的电压是否大于第一电池测的电压，若第一电容上的电压不大于第一电池测的电压，则进行下一步骤，若第一电容上的电压大于第一电池测的电压，则等待t1后，进行步骤五；

步骤三、第二次判断，控制器判断第一电容上的电压和第一电池测的电压差是否小于2V，若第一电容上的电压和第一电池测的电压差小于2V，则进行步骤五，若第一电容上的电压和第一电池测的电压差不小于2V，则进行步骤五；

步骤五、第三次判断，控制器判断等待时间是否大于t2，若是，则显示DC-DC的预充电电路故障，若不是，则进行步骤四；

步骤六、打开第一安全功率放大管以及第二安全功率放大管的驱动，闭合第一安全功率放大管以及第二安全功率放大管，让第一电池直接连接到第二电容后，等待t3；

步骤七、第二预充电阶段，通过控制器发送高频PWM来驱动高频功率放大管,使第一电容上的电压从12V到48V后；

步骤八、第四次判断，控制器判断第一电容上的电压是否不小于48V，当控制器检测到第一电容上的电压小于48V，则重复步骤七，当控制器检测到第一电容上的电压不小于48V就关闭高频PWM驱动，从而关闭高频功率放大管。

其进一步技术方案为：在进行所述步骤一之前，需要先将控制器初始化后，控制器自检测DC-DC的预充电电路是否正常，若DC-DC的预充电电路正常则进行步骤一，当DC-DC的预充电电路不正常时，则显示DC-DC的预充电电路故障。

其进一步技术方案为：在进行所述步骤七之前，需要利用控制器再次检测DC-DC电路是否正常，当DC-DC处于正常状态时，则进行步骤七，当DC-DC电路处于不正常状态时，则显示DC-DC电路出现故障。

其进一步技术方案为：所述t1为200ms，所述t2为2s，所述t3为100ms。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明的非隔离双向DC-DC变换器预充电电路，通过设置控制器、第一功率放大管、限流电阻以及第二功率放大管，在预充电时，通过控制器控制第二功率放大管闭合，同时第一功率放大管导通，预充电电流通过第一功率放大管以及限流电阻给第二电容充电，同时预充电电流通过电感给第一电容充电；经过一段时间后，通过控制器发送高频PWM来使第一电容上的电压从12V到48V，当控制器检测到第一电容上的电压等于48V，关闭高频PWM，完成整个预充电过程，实现避免总开关闭合或者断开瞬间没有火狐，保证总开关及其他设备的寿命，减小浪涌电流，保证各个零部件的运行应力，确保产品质量。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为现有技术的非隔离双向DCDC变换器的电路原理图；

图2为本发明具体实施例提供的非隔离双向DC-DC变换器预充电电路的原理图；

图3为本发明具体实施例提供的预充电过程中各个元器件的曲线图；

图4为本发明具体实施例提供的非隔离双向DC-DC变换器预充电方法的流程图。

附图标记

C1 第一电容 C2 第二电容

L1 电感 Q1 第三功率放大管

Q2 高频功率放大管 Q3 第二安全功率放大管

Q4 第一安全功率放大管 Q5 第一功率放大管

Q6 第二功率放大管 R1 电流采样电阻

R2 限流电阻 S1 总开关

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明，但不局限于此。

如图1～4所示的具体实施例，本实施例提供的非隔离双向DC-DC变换器预充电电路，可以运用在混合动力汽车48V/12V系统，也可扩展应用到家庭储能以及分布式并网发电等新能源中，实现避免设备中的总开关S1闭合或者断开瞬间没有火狐，保证总开关S1及其他设备的寿命，需要尽可能减小浪涌电流，保证各个零部件的运行应力，确保产品质量。

非隔离双向DC-DC变换器预充电电路，包括DC-DC主电路、控制器、第一功率放大管Q5、限流电阻R2以及第二功率放大管Q6，DC-DC主电路包括第一电容C1以及第二电容C2，第一电容C1通过电感L1与第一电池连接，第一电容C1的正极还分别与第二电池以及控制器连接，且第一电容C1与第二电池之间设有总开关S1，第二电容C2并联在电感L1与第一电池之间，其中，第一功率放大管Q5的控制脚与控制器连接，第一功率放大管Q5的输出脚与第二功率放大管Q6的控制脚连接，第一功率放大管Q5的输入脚接地；第二功率放大管Q6的输入脚与第一电池连接，第二功率放大管Q6的输出脚通过所述限流电阻R2分别与第二电容C2以及电感L1连接。

上述的非隔离双向DC-DC变换器预充电电路，通过设置控制器、第一功率放大管Q5、限流电阻R2以及第二功率放大管Q6，在预充电时，通过控制器控制第二功率放大管Q6闭合，同时第一功率放大管Q5导通，预充电电流通过第一功率放大管Q5以及限流电阻R2给第二电容C2充电，同时预充电电流通过电感L1给第一电容C1充电；经过一段时间后，通过控制器发送高频PWM来使第一电容C1上的电压从12V到48V，当控制器检测到第一电容C1上的电压等于48V，关闭高频PWM，完成整个预充电过程，实现避免总开关S1闭合或者断开瞬间没有火狐，保证总开关S1及其他设备的寿命，减小浪涌电流，保证各个零部件的运行应力，确保产品质量。

具体的，上述的非隔离双向DC-DC变换器预充电电路还包括第一安全功率放大管Q4，所述第一安全功率放大管Q4的控制脚与控制器连接，所述第一安全功率放大管Q4的输入脚与第一电池连接，所述第一安全功率放大管Q4的输出脚与电感L1连接。

具体的，电感L1与第一电池之间连接有电流采样电阻R1，该电流采样电阻R1分别与第二电容C2以及控制器连接，这样，预充电电流也通过电流采样电阻R1对第一电容C1进行充电。

更进一步的，第二电容C2的输入端以及电流采样电阻R1的输入端与所述第一电池的正极之间设有第二安全功率放大管Q3，所述第二安全功率放大管Q3的控制脚与所述控制器连接，另外，所述第二安全功率放大管Q3的输入脚与第一电池的正极连接，所述第二安全功率放大管Q3的输出脚分别与第二电容C2的输入端以及电流采样电阻R1的输入端连接，预充电电流还可以通过第二安全功率放大管Q3的体内二极管给第二电容C2充电。

在预充电电流通过电感L1给第一电容C1充电，第一安全功率放大管Q4以及第二安全功率放大管Q3一直处于断开状态，经过t1时间之后，控制器检测到第一电容C1上的电压和第一电池测的电压差小于2V时，就打开第一安全功率放大管Q4以及第二安全功率放大管Q3的驱动(置高)，闭合第一安全功率放大管Q4以及第二安全功率放大管Q3，让第一电池直接连接到第二电容C2，第一安全功率放大管Q4以及第二安全功率放大管Q3在闭合的瞬间，仍然会有一个小的浪涌电流(一般数十个安培以内)，但是这个小电流不会超过第一安全功率放大管Q4以及第二安全功率放大管Q3的应力要求(一般选100A以上电流的MOS)，极大改善了第一安全功率放大管Q4以及第二安全功率放大管Q3的应用环境，不会对第一安全功率放大管Q4以及第二安全功率放大管Q3造成损坏。

更进一步的，第二电容C2与电感L1的输出端之间连接有高频功率放大管Q2，所述高频功率放大管Q2的输出脚与电感L1的输出端连接，所述高频功率放大管Q2的输入脚分别与第一电容C1以及第二电容C2连接，并且，所述高频功率放大管Q2的控制脚与控制器连接。此时，第一安全功率放大管Q4以及第二安全功率放大管Q3闭合之后，控制器等待t2时间，第一电容C1上已经有12V的电压，这个充电过程是利用BOOST电路工作原理，通过控制器发送高频PWM来驱动高频功率放大管Q2,同时第二功率放大管Q6断开，同时第一功率放大管Q5断开，第一电池的电流在流经第二电容C2时，由于第一电容C2的最大电压为12V(在第一次预充电时已达到最大电压)第二电容C2仅仅起滤波作用，电流仅对第一电容C1进行充电，使第一电容C1上的电压从12V到48V，当控制器检测到第一电容C1上的电压等于48V，就关闭高频功率放大管Q2的驱动，以使得高频功率放大管Q2打开。

另外，电感L1的输出端与第一电容C1的正极之间连接有第三功率放大管Q1，所述第三功率放大管Q1的控制脚与控制器连接，所述第三功率放大管Q1的输入脚分别与电感L1的输出端以及高频功率放大管Q2的输出脚连接，所述第三功率放大管Q1的输出脚与第一电容C1的正极连接。在预充电电流对第一电容C1进行充电时，也通过第三功率放大管Q1的体内二极管给第一电容C1充电。

在本实施例中，上述的第一功率放大管Q5为P沟道MOS管，第二功率放大管Q6为N沟道MOS管，并且，所述的第三功率放大管Q1、第一安全功率放大管Q4、第二安全功率放大管Q3以及高频功率放大管Q2分别为MOS管。

上述的第二电容C2的最大电压为12V，

本发明还提供了非隔离双向DC-DC变换器预充电方法，包括以下具体步骤：

步骤一、第一预充电阶段，当控制器接收到启动命令时，控制器与第二功率放大管Q6的控制脚的连接端口Prec_CMD被置高，第二功率放大管Q6闭合，同时第一功率放大管Q5导通，预充电电流通过第一功率放大管Q5以及限流电阻R2给第二电容C2充电，同时预充电电流通过电感L1给第一电容C1充电；

步骤二、第一次判断，控制器判断第一电容C1上的电压是否大于第一电池测的电压，若第一电容C1上的电压不大于第一电池测的电压，则进行下一步骤，若第一电容C1上的电压大于第一电池测的电压，则等待t1后，进行步骤五；

步骤三、第二次判断，控制器判断第一电容C1上的电压和第一电池测的电压差是否小于2V，若第一电容C1上的电压和第一电池测的电压差小于2V，则进行步骤五，若第一电容C1上的电压和第一电池测的电压差不小于2V，则进行步骤五；

步骤五、第三次判断，控制器判断等待时间是否大于t2，若是，则显示DC-DC的预充电电路故障，若不是，则进行步骤四；

步骤六、打开第一安全功率放大管Q4以及第二安全功率放大管Q3的驱动，闭合第一安全功率放大管Q4以及第二安全功率放大管Q3，让第一电池直接连接到第二电容C2后，等待t3；

步骤七、第二预充电阶段，通过控制器发送高频PWM来驱动高频功率放大管Q2,使第一电容C1上的电压从12V到48V后；

步骤八、第四次判断，控制器判断第一电容C1上的电压是否不小于48V，当控制器检测到第一电容C1上的电压小于48V，则重复步骤七，当控制器检测到第一电容C1上的电压不小于48V就关闭高频PWM驱动，从而关闭高频功率放大管Q2。

更进一步的，在进行步骤一之前，需要先将控制器初始化后，控制器自检测DC-DC的预充电电路是否正常，若DC-DC的预充电电路正常则进行步骤一，当DC-DC的预充电电路不正常时，则显示DC-DC的预充电电路故障。

同样的，在进行步骤七之前，需要利用控制器再次检测DC-DC电路是否正常，当DC-DC处于正常状态时，则进行步骤七，当DC-DC电路处于不正常状态时，则显示DC-DC电路出现故障。

在本实施例中，上述的t1为200ms，t2为2s，t3为100ms，确保第一安全功率放大管Q4以及第二安全功率放大管Q3完全导通，并检测DC-DC电路是否有异常。

另外，所述的控制器为DSP，当然，于其他实施例，上述的控制器可以为单片机等。

图3中的安全MOS驱动指的是本实施例中的第一安全功率放大管Q4以及第二安全功率放大管Q3的驱动。

上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (5)

1.非隔离双向DC-DC变换器预充电电路，其特征在于，包括DC-DC主电路、控制器、第一功率放大管、限流电阻以及第二功率放大管，所述DC-DC主电路包括第一电容以及第二电容，所述第一电容通过电感连接有第一电池，所述第一电容的正极分别连接有第二电池以及所述控制器，且所述第一电容与所述第二电池之间设有总开关，所述第二电容并联在所述电感与所述第一电池之间，所述第一功率放大管的控制脚与所述控制器连接，所述第一功率放大管的输出脚与所述第二功率放大管的控制脚连接，所述第一功率放大管的输入脚接地；所述第二功率放大管的输入脚与所述第一电池连接，所述第二功率放大管的输出脚通过所述限流电阻分别与所述第二电容以及所述电感连接；

所述非隔离双向DC-DC变换器预充电电路还包括第一安全功率放大管，所述第一安全功率放大管的控制脚与所述控制器连接，所述第一安全功率放大管的输入脚与所述第一电池连接，所述第一安全功率放大管的输出脚与所述电感连接；

所述电感与所述第一电池之间连接有电流采样电阻，所述电流采样电阻分别与所述第二电容以及所述控制器连接；所述第二电容的输入端以及所述电流采样电阻的输入端与所述第一电池的正极之间设有第二安全功率放大管，所述第二安全功率放大管的控制脚与所述控制器连接，所述第二安全功率放大管的输入脚与所述第一电池的正极连接，所述第二安全功率放大管的输出脚分别与所述第二电容的输入端以及所述电流采样电阻的输入端连接；所述电感的输出端连接有高频功率放大管，所述高频功率放大管的输出脚与所述电感的输出端连接，所述高频功率放大管的输入脚分别与所述第一电容以及所述第二电容连接，所述高频功率放大管的控制脚与所述控制器连接；所述电感的输出端与所述第一电容的正极之间连接有第三功率放大管，所述第三功率放大管的控制脚与所述控制器连接，所述第三功率放大管的输入脚分别与所述电感的输出端以及所述高频功率放大管的输出脚连接，所述第三功率放大管的输出脚与所述第一电容的正极连接；

所述第一功率放大管为P沟道MOS管，第二功率放大管为N沟道MOS管，并且，所述的第三功率放大管、第一安全功率放大管、第二安全功率放大管以及高频功率放大管分别为MOS管。

2.非隔离双向DC-DC变换器预充电方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

步骤一、第一预充电阶段，当控制器接收到启动命令时，控制器与第二功率放大管的控制脚的连接端口Prec_CMD被置高，第二功率放大管闭合，同时第一功率放大管导通，预充电电流通过第一功率放大管以及限流电阻给第二电容充电，同时预充电电流通过电感给第一电容充电；

步骤二、第一次判断，控制器判断第一电容上的电压是否大于第一电池侧的电压，若第一电容上的电压不大于第一电池侧的电压，则进行下一步骤，若第一电容上的电压大于第一电池侧的电压，则等待t1后，进行步骤五；

步骤三、第二次判断，控制器判断第一电容上的电压和第一电池侧的电压差是否小于2V，若第一电容上的电压和第一电池侧的电压差小于2V，则进行步骤五，若第一电容上的电压和第一电池侧的电压差不小于2V，则进行步骤四；

步骤四、第三次判断，控制器判断等待时间是否大于t2，若是，则显示DC-DC的预充电电路故障，若不是，则进行步骤三；

步骤五、打开第一安全功率放大管以及第二安全功率放大管的驱动，闭合第一安全功率放大管以及第二安全功率放大管，让第一电池直接连接到第二电容后，等待t3；

步骤六、第二预充电阶段，通过控制器发送高频PWM来驱动高频功率放大管,使第一电容上的电压从12V到48V；

步骤七、第四次判断，控制器判断第一电容上的电压是否不小于48V，当控制器检测到第一电容上的电压小于48V，则重复步骤六，当控制器检测到第一电容上的电压不小于48V就关闭高频PWM驱动，从而关闭高频功率放大管。

3.根据权利要求2所述的非隔离双向DC-DC变换器预充电方法，其特征在于，在进行所述步骤一之前，需要先将控制器初始化后，控制器自检测DC-DC的预充电电路是否正常，若DC-DC的预充电电路正常则进行步骤一，当DC-DC的预充电电路不正常时，则显示DC-DC的预充电电路故障。

4.根据权利要求3所述的非隔离双向DC-DC变换器预充电方法，其特征在于，在进行所述步骤六之前，需要利用控制器再次检测DC-DC电路是否正常，当DC-DC处于正常状态时，则进行步骤六，当DC-DC电路处于不正常状态时，则显示DC-DC电路出现故障。

5.根据权利要求4所述的非隔离双向DC-DC变换器预充电方法，其特征在于，所述t1为200ms，所述t2为2s，所述t3为100ms。