CN112640284A - 双dc-dc转换器 - Google Patents

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Abstract

双DC‑DC转换器包括控制器，该控制器向多个开关组发信号，以对连接至第一DC输出端的第一电池和连接至第二DC输出端的第二电池进行充电。开关组中的每一个包括：高侧开关，被配置成将DC电输入端切换至公共节点；以及低侧开关，被配置成将接地切换至公共节点。在DC输出端中的每一个与接地之间连接有滤波电容器。在DC输出端之间连接有模式开关，并且断开模式开关以允许双DC‑DC转换器在DC输出端中的每一个具有不同电压的情况下操作，以对在不同的充电状态下的电池独立地进行充电。在DC输出端中的每一个上的电压相等或者在预定阈值内的情况下，接通模式开关。

Description

双DC-DC转换器
相关申请的交叉引用
该PCT国际专利申请要求于2018年9月7日提交的题为“Dual DC-DC Converter”的美国临时专利申请序列第62/728,300号的权益和优先权，该美国临时专利申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开内容总体上涉及DC-DC转换器，并且更具体地涉及用于电池充电的DC-DC转换器。
背景技术
在一些应用中例如在一些电动车辆(EV)中，具有两个或更多个低压(LV)电池是有利的。可以使用这些电池用于向两个或更多个低压电路供电。有利的是，通过将这些电池连接在一起而用单个充电器例如DC-DC转换器向这些电池充电。例如，可以以串联或并联配置或者以其更复杂的组合连接所述电池。如果电池的充电水平不相等，则当电池连接时，非常高的平衡电流将从较高充电的电池流动到较多消耗的电池。这些高电流会缩短可使用的寿命以及/或者会对电池造成损坏。
可以使用低压平衡器(LVB)来平衡两个或更多个电池之间的电流并防止关于非常高的平衡电流的问题。这样的LVB设备通常用于休闲车辆中。然而，LVB设备通常是昂贵的并且给车辆增加了额外的成本、复杂性和重量。
发明内容
双DC-DC转换器包括具有第一高侧开关的第一开关组。第一开关组被配置成：通过选择性地接通第一高侧开关以将具有DC输入电压的输入节点耦接至第一公共节点，来在第一输出节点上生成第一DC输出电压。双DC-DC转换器还包括具有第二高侧开关的第二开关组。第二开关组被配置成：通过选择性地接通第二高侧开关以将输入节点耦接至第二公共节点，来在第二输出节点上生成第二DC输出电压。双DC-DC转换器还包括模式开关，该模式开关配置成：将第一输出节点选择性地耦接至第二输出节点的模式开关。
电池充电器包括第一开关组，该第一开关组被配置成：控制第一输出节点上的第一DC输出电压并且控制进入与第一输出节点连接的第一电池的充电速率。电池充电器还包括第二开关组，该第二开关组被配置成：控制第二输出节点上的第二DC输出电压并且控制进入与第二输出节点连接的第二电池的充电速率。电池充电器还包括模式开关，该模式开关电连接在输出节点之间并且该模式开关可以在非导通模式下操作以提供在输出节点之间的电隔离，以允许对电池独立地进行充电。模式开关还可以在导通模式下操作，以提供在输出节点之间的电连续性。
还提供了一种操作双DC-DC转换器的方法。该方法包括：通过切换DC输入电压来在第一输出节点上生成第一DC输出电压；通过切换DC输入电压来在第二输出节点上生成第二DC输出电压；以及使用模式控制开关将第一输出节点耦接至第二输出节点，以在模式控制开关处于接通状态的情况下使第二输出电压等于第一输出电压。
附图说明
根据以下参照相关附图对实施方式示例的描述得出本发明的设计的其他细节、特征以及优点。
图1是现有技术的DC-DC转换器的示意图；
图2是本公开内容的双DC-DC转换器的示意图；以及
图3是本公开内容的另外的双DC-DC转换器的示意图；以及
图4是示出操作双DC-DC转换器的方法中的步骤的流程图。
具体实施方式
在附图中使用相同的附图标记来标记重复的特征，在附图中公开了双DC-DC转换器的示例实施方式。
图1示出了用于对多个电池22、23充电的常规DC-DC转换器20的示例。DC-DC转换器20在具有DC输入电压VIN的输入节点24上获取电流并且在输出节点26上生成DC输出电压VOUT，该DC输入电压VIN可以例如是高电压，例如，400VDC至600VDC。电池22、23被示出为以并联配置连接至输出节点26。但是，电池22、23也可以以串联或以更复杂的配置例如混合串联/并联电路连接至输出节点26。在输出节点26与第二电池23之间连接有低压平衡器(LVB)43，以调节供应至第二电池23的电流或从第二电池23供应的电流，例如，在电池22、23由于不同的充电状态而不平衡的情况下可能发生这种情况。输出节点26可以被通电至预定电压，以对一个或更多个电池充电。DC输出电压VOUT可以是低电压，例如，3VDC至14VDC。DC输出电压VOUT可以取决于连接至输出节点26的电池22、23的特定类型和配置。
DC-DC转换器20包括控制器30，该控制器30向布置在开关组36、38中的多个开关32、34发信号，以将在输出节点26上的DC输出电压VOUT控制为其预定电压。第一开关组36包括：高侧开关32，被配置成将输入节点24切换至第一公共节点40；以及低侧开关34，被配置成将第一公共节点40切换至接地42。第二开关组38包括：高侧开关32，被配置成将输入节点24切换至第二公共节点41；以及低侧开关34，被配置成将第二公共节点41切换至接地42。第二开关组38可以在结构上以及在操作上与第一开关组36类似。在公共节点40、41中的每一个与输出节点26之间连接有电感器44，以限制通过开关32、34的电流转换速率。换句话说，电感器44防止当在导通模式与非导通模式之间以及在非导通模式与导通模式之间切换开关32、34时可能另外引起的大的电压尖峰。在输出节点26与接地42之间连接有滤波电容器46，以减小DC输出电压VOUT中的纹波。
控制器30可以采用已知方法例如脉冲宽度调制(PWM)来控制开关32、34。开关32、34可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)型器件，例如，图1至图2上所示的那些器件，但是可以使用其他类型的器件，例如，其他类型的场效应晶体管(FET)、三端双向可控硅开关晶体管或结型晶体管。在一些实施方式中，开关32、34中的一个或更多个可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)或氮化镓(GaN)晶体管。
图2示出了根据本公开内容的方面的双DC-DC转换器20'。具体地，图2示出了被配置为用于对多个电池22、23进行充电的电池充电器的双DC-DC转换器20'。然而，应当理解，双DC-DC转换器20'可以具有不同的应用和/或配置。例如，除了电池充电之外或者代替电池充电，双DC-DC转换器20'还可以被配置成向一个或更多个不同的负载供应DC电力。例如，双DC-DC转换器20'可以被配置成向两个非电池负载例如马达或电阻加热器供应电力。附加地或替选地，双DC-DC转换器20'可以被配置成向一个或更多个电池供应电力以及还向一个或更多个非电池负载供应电力。
图2所示的双DC-DC转换器20'在结构上与如上所述的示例常规DC-DC转换器20类似。然而，代替单个公共的输出节点26，双DC-DC转换器20'包括：具有第一DC输出电压VOUT1的第一输出节点50；以及具有第二DC输出电压VOUT2的第二输出节点52，第二DC输出电压VOUT2可以与第一DC输出电压VOUT1不同。在第一输出节点50与接地42之间连接有第一平滑电容器60，以减小第一DC输出电压VOUT1中的纹波。类似地，在第二输出节点52与接地42之间连接有第二平滑电容器62，以减小第二DC输出电压VOUT2中的纹波。第一电池22连接至第一输出节点50，并且第二电池23连接至第二输出节点52。可以以交错模式或多相位模式操作开关组36、38。附加的开关组36、38由于较低的电流纹波而允许较小尺寸的平滑电容器60、62，但是也可能增加成本。因此，在设计用于给定应用的DC-DC转换器20时，必须对开关组36、38的数目进行权衡。
在输出节点50、52之间电连接有模式开关70，并且可以断开模式开关70，以允许双DC-DC转换器20'在输出节点50、52中的每一个具有不同电压的情况下操作。以这种方式，可以对电池22、23独立地进行充电，特别是在电池22、23不平衡的情况下，例如，在电池22、23具有不同的充电状态的情况下。当那些输出节点50、52中的每一个上的DC输出电压VOUT1、VOUT2彼此相等或在预定阈值内时，可以接通模式开关70，以在输出节点50、52之间提供电连续性。
在模式开关70处于接通状态的情况下，双DC-DC转换器20'可以类似于常规DC-DC转换器20进行操作，但是两个滤波电容器46并联地连接在一起，以提供与两个滤波电容器46中的任意一个独立地操作相比更大的电容值。这种较大的电容允许双DC-DC转换器20'以较低的纹波电流操作。换句话说，双DC-DC转换器20'可以在模式开关70处于接通状态的情况下同时向两个电池22、23提供其最大充电功率。模式开关70可以由控制器30来控制或者由另一处理器或电路例如电压比较器来控制。在一些实施方式中，如图2所示，控制器30被配置成选择性地维护模式控制线72，以命令模式开关70处于接通状态或断开状态。
双DC-DC转换器20'可以包括三个或更多个输出节点50、52并且可以包括两个或更多个模式开关70，以提供三个或更多个输出节点50、52之间的选择性隔离或连接。例如，第一模式开关70可以提供在第一输出节点50与第二输出节点52之间的选择性隔离，而第二模式开关(未示出)可以提供在第二输出节点52与第三输出节点(未示出)之间的选择性隔离。此外，如果存在与输出节点50、52中的每一个相关联的至少一个开关组36、38，则双DC-DC转换器20'可以包括任意数目的开关组36、38。
在一些实施方式中，在双DC-DC转换器20'被配置为电池充电器的情况下，第一开关组36被配置成：控制第一输出节点50上的第一DC输出电压VOUT1；并且控制进入连接至第一输出节点50的第一电池22的充电速率。第二开关组38被配置成：控制到第二输出节点52上的第二DC输出电压VOUT2；并且从而控制进入连接至第二输出节点52的第二电池23的充电速率。模式开关70电连接在输出节点50、52之间并且可以在非导通模式下操作，以提供输出节点50、52之间的电隔离从而允许对电池22、23独立地进行充电。模式开关70还可以在导通模式下操作，以提供输出节点50、52之间的电连续性。在模式开关70处于导通模式的情况下，可以对电池22、23一起进行充电或放电。
在双DC-DC转换器20'被配置为电池充电器的一些实施方式中，控制器30被配置成：响应于第一DC输出电压VOUT1与第二DC输出电压VOUT2之间的差在预定阈值内而维护模式控制线72，以使模式开关70处于导通模式。换句话说，第一DC输出电压VOUT1相对于第二DC输出电压VOUT2在预定阈值内，电池22、23具有彼此类似的充电状态，因此能够通过模式开关70耦接在一起。
图3是用于另外的双DC-DC转换器120电路的示例示意图，其中，四个单独的相位开关128各自独立地切换具有高电压(HV)例如400VDC至600VDC的公共DC电输入VIN。可以以交错模式或多相位模式操作相位开关128。相位开关128中的每一个可以包括开关32、34中的一个或更多个。相位开关128中的标记为“相位1”和“相位2”的前两个相位开关128均电连接至第一输出节点50，第一输出节点50可以在低电压(LV)例如3VDC至48VDC下操作。在第一输出节点50与接地42之间连接有第一滤波电容器60，并且第一滤波电容器60用于减小第一输出节点50的第一DC输出电压VOUT1中的可能由相位开关128的操作而引起的纹波。
相位开关128中的标记为“相位3”和“相位4”的后两个相位开关128均电连接至第二输出节点52，第二输出节点52也可以在低电压(LV)例如3VDC至48VDC下操作。在第二输出节点52与接地42之间连接有第二滤波电容器45，并且第二滤波电容器45用于减小第二输出节点52的第二DC输出电压VOUT2中的可能由相位开关128的操作而引起的纹波。相位开关128中的一个或更多个还可以被配置成：将接地42切换至输出节点50、52中的一个或更多个。
在输出节点50、52之间连接有模式开关70，并且模式开关70可以在断开或非导通状态下操作，以向输出节点50、52提供具有不同值的DC输出电压VOUT1、VOUT2。可以接通模式开关70以提供在输出节点50、52之间的电连续性，从而使DC输出电压VOUT1、VOUT2均具有相同的值。在模式开关70处于接通状态的情况下，通过使用更多的相位开关128以及使用与在模式开关70处于断开状态下输出节点50、52独立操作时相比更大的组合滤波电容器60、62，输出节点50、52能够提供更高的电流并且具有更一致的DC电压。
与上述双DC-DC转换器20'类似，图3所示的双DC-DC转换器120可以包括三个或更多个输出节点50、52并且可以包括两个或更多个模式开关70，以提供三个或更多个输出节点50、52之间的选择性隔离或连接。此外，如果存在与输出节点50、52中的每一个相关联的至少一个相位开关128，则双DC-DC转换器120可以包括任意数目的相位开关128。
在图4的流程图中示出了操作双DC-DC转换器20'的方法200。在一些实施方式中，可以根据方法200来操作双DC-DC转换器20'以对两个或更多个电池22、23进行充电。
方法200包括在步骤202处通过选择性地切换DC输入电压VIN来在第一输出节点50上生成第一DC输出电压VOUT1。在一些实施方式中，例如在图2所示的示例双DC-DC转换器20'中，使用第一开关组36内的开关32、34中的一个或更多个来执行步骤202。更具体地，控制器30可以使用控制方案例如脉冲宽度调制(PWM)方案来命令第一开关组36内的开关32、34中的一个或更多个，以通过将向第一开关组36内的开关32、34中的一个或更多个通电的时间的量控制在给定时间段内来生成第一DC输出电压VOUT1。在一些实施方式中，例如在图2所示的示例双DC-DC转换器20'中，在第一输出节点50与接地42之间连接有第一电池22。
方法200还包括在步骤204处通过选择性地切换DC输入电压VIN来在第二输出节点52上生成第二DC输出电压VOUT2。在一些实施方式中，例如在图2所示的示例双DC-DC转换器20'中，使用第二开关组38内的开关32、34中的一个或更多个来执行步骤204。更具体地，控制器30可以使用控制方案例如脉冲宽度调制(PWM)方案来命令第二开关组38内的开关32、34中的一个或更多个，以通过将向第二开关组38内的开关32、34中的一个或更多个通电的时间的量控制在给定时间段内来生成第二DC输出电压VOUT2。在一些实施方式中，例如在图2所示的示例双DC-DC转换器20'中，在第二输出节点52与接地42之间连接有第二电池23。
方法200还包括在步骤206处将第一输出节点50与第二输出节点52隔离，从而将第二DC输出电压VOUT2提供为不同于第一DC输出电压VOUT1。在一些实施方式中，例如在图2所示的示例双DC-DC转换器20'中，通过断开连接在输出节点50、52之间的模式开关70或者使连接在输出节点50、52之间的模式开关70保持处于断开或非导通状态来执行步骤206。
在一些实施方式中，方法200还可以包括在步骤208处调节提供至输出节点50、52中的每一个的电流。例如，可以以下述DC电压值向输出节点50、52中的每一个通电，该DC电压值提供不超过预定电流的电流。在电池充电应用中，预定电流可以是用于对连接至输出节点50、52中的每一个的电池22、23中的相应一个进行充电的预定最大充电电流。在一些实施方式中，可以仅当第一输出节点50与第二输出节点52隔离时才执行对提供至输出节点50、52中的每一个的电流的调节。在一些实施方式中，示例双DC-DC转换器20'可以被配置成监视正在提供至电池22、23中的每一个的电流并且以最大安全充电电流对电池22、23进行充电。
方法200继续在步骤210处使DC输出电压VOUT1、VOUT2匹配。更具体地，步骤210包括改变输出节点50、52中的至少一个上的DC输出电压VOUT1、VOUT2中的至少一个，直至输出节点50、52上的DC输出电压VOUT1、VOUT2彼此相等，或者相对于彼此在预定阈值或电压差内。在一些实施方式中，例如在图2所示的示例双DC-DC转换器20'中，通过由控制器30改变第一开关组36和/或第二开关组38内的开关32、34中的一个或更多个的切换来执行步骤210。该步骤208可以包括平衡连接至输出节点50、52的两个电池22、23的充电水平。
方法200继续在步骤212处将第一输出节点50连接至第二输出节点52，从而将第二DC输出电压VOUT2提供为与第一DC输出电压VOUT1相同。在一些实施方式中，例如在图2所示的示例双DC-DC转换器20'中，通过接通连接在输出节点50、52之间的模式开关70或者将连接在输出节点50、52之间的模式开关70保持在接通或导通状态来执行步骤212。在一些实施方式中，在步骤210处，响应于输出节点50、52上的DC输出电压VOUT1、VOUT2彼此相等或者相对于彼此在预定阈值内，来将第一输出节点50连接至第二输出节点52，以提供第一输出节点50与第二输出节点52之间的电连续性。换句话说，仅在步骤210完成之后才可以执行步骤212。例如，双DC-DC转换器20'可以被配置成：如果输出节点50、52上的DC输出电压VOUT1、VOUT2相对于彼此小于或等于0.5伏特，则接通模式开关70。模式开关70可以由控制器30或者由另外的处理器或电路例如电压比较器来控制。在一些实施方式中，在允许模式开关70接通之前，还可能需要一个或更多个时间延迟或其他先决条件。这样的其他先决条件可以包括例如确定电池22、23处于工作状态或者供应至电池22、23中的一个或两个的电流在预定值或预定范围的值内。
上述系统、方法和/或过程及其步骤可以以硬件、软件或适于特定应用的硬件和软件的任何组合来实现。硬件可以包括通用计算机和/或专用计算设备或特定计算设备或特定计算设备的特定方面或部件。所述过程可以以一个或更多个微处理器、微控制器、嵌入式微控制器、可编程数字信号处理器或其他可编程设备连同内部和/或外部存储器一起实现。所述过程还可以或者可替选地以专用集成电路、可编程门阵列、可编程阵列逻辑或者可以被配置成处理电子信号的任何其他设备或设备组合来实施。还要理解的是，一个或更多个过程可以被实现为能够在机器可读介质上执行的计算机可执行代码。
可以使用可以被存储、编译或解释以在以上设备之一以及处理器处理器架构的异构组合或不同硬件和软件的组合或能够执行程序指令的任何其他机器上运行的结构化编程语言例如C、面向对象的编程语言例如C++或任何其他高级或低级编程语言(包括汇编语言、硬件描述语言和数据库编程语言以及技术)来创建计算机可执行代码。
因此，在一方面中，上述每种方法及其组合可以以计算机可执行代码来实施，当在一个或更多个计算设备上执行所述计算机可执行代码时执行其步骤。在另一方面中，方法可以在执行其步骤的系统中被实施，并且可以以多种方式分布在设备上，或者所有功能可以集成至专用的独立设备或其他硬件中。在另一方面，用于执行与上述过程相关联的步骤的装置可以包括上述硬件和/或软件中的任何一个。所有这样的排列和组合旨在落入本公开内容的范围内。
出于说明和描述的目的提供了对实施方式的上述描述。上述描述不旨在穷举或限制本公开内容。特定实施方式的各个元件或特征通常不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下是可互换的并且可以用于所选择的实施方式中，即使没有具体示出或描述也是如此。特定实施方式的各个元件或特征还可以以许多方式进行变型。这样的变型不应被认为是脱离本公开内容，并且所有这样的修改旨在包括在本公开内容的范围内。

Claims (15)

1.一种双DC-DC转换器，包括：
第一开关组，所述第一开关组包括第一高侧开关，并且所述第一开关组被配置成：通过选择性地接通所述第一高侧开关以将具有DC输入电压的输入节点耦接至第一公共节点，来在第一输出节点上生成第一DC输出电压；
第二开关组，所述第二开关组包括第二高侧开关，并且所述第二开关组被配置成：通过选择性地接通所述第二高侧开关以将所述输入节点耦接至第二公共节点，来在第二输出节点上生成第二DC输出电压；以及
模式开关，被配置成将所述第一输出节点选择性地耦接至所述第二输出节点。
2.根据权利要求1所述的双DC-DC转换器，其中，所述第一开关组和所述第二开关组中的至少之一包括低侧开关，所述低侧开关被配置成：将接地选择性地耦接至所述第一公共节点或所述第二公共节点中的相应的一个。
3.根据权利要求1所述的双DC-DC转换器，其中，所述开关组中的每一个以交错模式或多相位模式操作。
4.根据权利要求1所述的双DC-DC转换器，还包括：连接在接地与所述输出节点之一之间的滤波电容器。
5.根据权利要求1所述的双DC-DC转换器，还包括：连接在所述公共节点之一与所述输出节点中的相应的一个之间的电感器。
6.根据权利要求1所述的双DC-DC转换器，还包括：控制器，所述控制器被配置成：通过选择性地维护与所述高侧开关中的每一个相关联的控制线而通过控制所述第一开关组内的所述第一高侧开关的切换以及通过控制所述第二开关组内的所述第二高侧开关的切换，来控制在所述输出节点中的每一个上的DC输出电压。
7.根据权利要求6所述的双DC-DC转换器，其中，所述控制器被配置成：维护模式控制线，以将所述第一输出节点选择性地耦接至所述第二输出节点。
8.一种电池充电器，包括：
第一开关组，被配置成：控制第一输出节点上的第一DC输出电压并且控制进入与所述第一输出节点连接的第一电池的充电速率；
第二开关组，被配置成：控制第二输出节点上的第二DC输出电压并且控制进入与所述第二输出节点连接的第二电池的充电速率；
模式开关，所述模式开关电连接在所述输出节点之间，并且能够在非导通模式下操作以提供在所述输出节点之间的电隔离，以允许对所述第一电池和所述第二电池独立地进行充电；以及
其中，所述模式开关能够在导通模式下操作，以提供在所述输出节点之间的电连续性。
9.根据权利要求8所述的电池充电器，还包括：
控制器，被配置成维护模式控制线，以使所述模式开关处于所述导通模式；以及
其中，所述控制器被配置成：响应于所述第一DC输出电压与所述第二DC输出电压之间的差在预定阈值内，来维护所述模式控制线。
10.一种操作双DC-DC转换器的方法，包括：
通过切换DC输入电压来在第一输出节点上生成第一DC输出电压；
通过切换所述DC输入电压来在第二输出节点上生成第二DC输出电压；以及
使用模式控制开关将所述第一输出节点耦接至所述第二输出节点，以使所述第二输出电压等于所述第一输出电压。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：调节提供至所述输出节点中的每一个的电流以不超过预定电流。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括：改变所述输出节点中的至少一个上的所述DC输出电压中的至少一个，直至所述DC输出电压相对于彼此在预定电压差内。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，改变所述DC输出电压中的至少一个包括：改变耦接至所述第一输出节点的第一开关组内的一个或更多个开关的切换；或者改变耦接至所述第二输出节点的第二开关组内的一个或更多个开关的切换。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，改变所述DC输出电压中的至少一个包括：使连接至所述第一输出节点的第一电池的充电水平与连接至所述第二输出节点的第二电池的充电水平平衡。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，响应于所述DC输出电压相对于彼此在预定电压差内，来执行将所述第一输出节点耦接至所述第二输出节点。
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