CN113285599B - 一种软开关双向直流变换器及控制方法 - Google Patents

一种软开关双向直流变换器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供的一种软开关双向直流变换器及控制方法，该软开关双向直流变换器包括双向boost‑buck主电路和软开关电路，本公开在boost模式下，通过软开关电路中的下桥辅助开关管和第一谐振开关管控制缓冲电感和缓冲电容储存能量和释放能量实现对双向boost‑buck主电路中的下桥主开关管的软开关。本公开在buck模式下，通过软开关电路中的上桥辅助开关管和第二谐振开关管实现对双向boost‑buck主电路中的上桥主开关管的软开关。本公开通过软开关电路实现双向boost‑buck主电路的主开关管的开通和关断，可以降低开关损耗和电磁干扰噪声。

Description

一种软开关双向直流变换器及控制方法
技术领域
本公开涉及直流变换器技术领域，尤其涉及一种软开关双向直流变换器及控制方法。
背景技术
双向直流变换器广泛应用在太阳能发电、混合动力汽车、燃料电池车、不间断电源以及其他分布式能源系统中，直接影响整个系统的性能。尤其是在新能源汽车领域，双向直流变换器的效率将直接影响车辆的续驶里程和可靠性。
为了获得更高的功率密度，在双向直流变换器中通常采用更高的开关频率，虽然开关高频化可以显著降低双向直流变换器中无源器件的体积，但是会增加开关损耗以及加剧系统产生的电磁干扰(EMI)噪声。
发明内容
鉴于上述问题，本公开提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种软开关双向直流变换器及控制方法，技术方案如下：
一种软开关双向直流变换器，包括：双向boost-buck主电路和软开关电路，所述双向boost-buck主电路包括：低边电池、低边电容、功率电感、下桥主开关管、上桥主开关管、高边电容和高边电池，所述软开关电路包括：第一钳位二极管、第二钳位二极管、上桥辅助开关管、下桥辅助开关管、缓冲电感、缓冲电容、第一谐振开关管和第二谐振开关管，
所述低边电池的负极与所述低边电容的负极连接，所述低边电池的正极与所述低边电容的正极连接，所述功率电感的一端与所述低边电容的正极连接，所述功率电感的另一端与所述下桥主开关管的一端连接，所述下桥主开关管的另一端分别与所述低边电容的负极和所述高边电容的负极连接，所述高边电容的正极与所述上桥主开关管的一端连接，所述上桥主开关管的另一端与所述功率电感的另一端连接，所述高边电池的负极与所述高边电容的负极连接，所述高边电池的正极与所述高边电容的正极连接；
所述上桥辅助开关管的一端分别与所述上桥主开关管的一端和所述高边电容的正极连接，所述上桥辅助开关管的另一端与所述下桥辅助开关管的一端连接，所述下桥辅助开关管的另一端分别与所述下桥主开关管的另一端和所述高边电容的负极连接；所述第一钳位二极管的一端分别与所述上桥主开关管的一端和所述上桥辅助开关管的一端连接，所述第一钳位二极管的另一端分别与所述第二钳位二极管的一端、所述缓冲电容的一端和所述第二谐振开关管的一端连接，所述第二钳位二极管的另一端分别与所述下桥主开关管的另一端和所述下桥辅助开关管的另一端连接；所述缓冲电感的一端与所述功率电感的另一端连接；所述缓冲电感的另一端分别与所述上桥辅助开关管的另一端和所述下桥辅助开关管的一端连接；所述缓冲电容的一端分别与所述第二谐振开关管的一端、所述第一钳位二极管的另一端和所述第二钳位二极管的一端连接，所述缓冲电容的另一端与所述功率电感的另一端连接，所述第二谐振开关管的另一端与所述第一谐振开关管的一端连接，所述第一谐振开关管的另一端分别与所述上桥辅助开关管的另一端和所述下桥辅助开关管的一端连接。
可选的，所述下桥主开关管、所述上桥主开关管、所述上桥辅助开关管、所述下桥辅助开关管、所述第一谐振开关管和所述第二谐振开关管均为绝缘栅双极型晶体管。
可选的，所述下桥主开关管、所述上桥主开关管、所述上桥辅助开关管、所述下桥辅助开关管、所述第一谐振开关管和所述第二谐振开关管均为金属氧化物场效应管。
一种软开关双向直流变换器的控制方法，应用于上述任一项所述软开关双向直流变换器，所述控制方法包括：
在确定能量由所述低边电池流向所述高边电池的情况下，控制所述软开关双向直流变换器在一个控制周期中工作在boost模式，使得所述低边电池处于放电状态且所述高边电池处于充电状态；
在确定能量由所述高边电池流向所述低边电池的情况下，控制所述软开关双向直流变换器在一个所述控制周期中工作在buck模式，使得所述低边电池处于充电状态且所述高边电池处于放电状态。
可选的，所述控制所述软开关双向直流变换器在一个控制周期中工作在boost模式，包括：
在控制周期开始的情况下，控制所述上桥主开关管关断，并控制所述下桥辅助开关管开通，以对所述缓冲电感进行充电；
在对所述缓冲电感进行充电的时长达到预设电感充电时长的情况下，控制所述下桥主开关管开通且控制所述第一谐振开关管开通；
在所述下桥主开关管的开通时长达到预设开通时长的情况下，控制所述下桥辅助开关管关断，以使得所述缓冲电感存储的能量转移至所述缓冲电容中，对所述缓冲电容进行充电；
在所述缓冲电容进行充电的时长达到预设电容充电时长的情况下，控制所述第一谐振开关管关断；
在所述下桥主开关管的开通时长达到预设占空比时长的情况下，控制所述下桥主开关管关断，以使所述低边电池、所述功率电感和所述缓冲电容向所述高边电池转移能量，以对所述高边电池进行充电；
在达到预设死区时间之后，控制所述上桥主开关管开通，控制除所述上桥主开关管以外的其他开关管保持关断，以使所述低边电池和所述功率电感继续向所述高边电池转移能量，以继续对所述高边电池进行充电，直至下一个控制周期开始。
可选的，所述控制所述软开关双向直流变换器在一个所述控制周期中工作在buck模式，包括：
在控制周期开始的情况下，控制所述下桥主开关管关断，并控制所述上桥辅助开关管开通，以对所述缓冲电感进行充电；
在对所述缓冲电感进行充电的时长达到预设电感充电时长的情况下，控制所述上桥主开关管开通且控制所述第二谐振开关管开通；
在所述上桥主开关管的开通时长达到预设开通时长的情况下，控制所述上桥辅助开关管关断，以使得所述缓冲电感存储的能量转移至所述缓冲电容中，对所述缓冲电容进行充电；
在所述缓冲电容进行充电的时长达到预设电容充电时长的情况下，控制所述第二谐振开关管关断；
在所述上桥主开关管的开通时长达到预设占空比时长的情况下，控制所述上桥主开关管关断，以使所述功率电感和所述缓冲电容向所述低边电池转移能量，以对所述低边电池进行充电；
在达到预设死区时间之后，控制所述下桥主开关管开通，控制除所述下桥主开关管以外的其他开关管保持关断，以使所述功率电感继续向所述低边电池转移能量，以继续对所述低边电池进行充电，直至下一个控制周期开始。
可选的，所述预设死区时间不小于所述缓冲电容的放电时长和所述缓冲电感的充电时长之间的最大值。
可选的，所述缓冲电容的放电时长与所述缓冲电容的最大电容量、所述缓冲电感的最大电感量、所述低边电池的电压以及所述下桥主开关管和上桥主开关管之间的半桥中点电位有关。
可选的，所述预设电感充电时长等于所述缓冲电感的充电时长，所述缓冲电感的充电时长与所述缓冲电感的最大电感量、所述高边电池的电压以及所述软开关双向直流变换器在预设工况下的电感电流平均值有关。
可选的，所述预设电容充电时长等于所述缓冲电容的充电时长，所述缓冲电容的充电时长与所述缓冲电容的最大电容量、所述缓冲电感的最大电感量、所述高边电池的电压以及流经所述缓冲电感的最大电流值有关。
借由上述技术方案，本公开提供的一种软开关双向直流变换器及控制方法，该软开关双向直流变换器包括双向boost-buck主电路和软开关电路，本公开在boost模式下，通过软开关电路中的下桥辅助开关管和第一谐振开关管控制缓冲电感和缓冲电容储存能量和释放能量实现对双向boost-buck主电路中的下桥主开关管的软开关。本公开在buck模式下，通过软开关电路中的上桥辅助开关管和第二谐振开关管实现对双向boost-buck主电路中的上桥主开关管的软开关。本公开通过软开关电路实现双向boost-buck主电路的主开关管的开通和关断，可以降低开关损耗和电磁干扰噪声。
上述说明仅是本公开技术方案的概述，为了能够更清楚了解本公开的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本公开的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本公开的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本公开的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本公开实施例提供的软开关双向直流变换器的一种电路结构图；
图2示出了本公开实施例提供的软开关双向直流变换器在boost模式下各器件在各工作模态中的关键波形图；
图3示出了本公开实施例提供的控制软开关双向直流变换器在一个控制周期中工作在boost模式的工作过程示意图；
图4示出了本公开实施例提供的软开关双向直流变换器在buck模式下各器件在各工作模态中的关键波形图；
图5示出了本公开实施例提供的控制软开关双向直流变换器在一个控制周期中工作在buck模式的工作过程示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1所示，本公开实施例提供软开关双向直流变换器的一种电路结构图，该软开关双向直流变换器包括：双向boost-buck主电路和软开关电路，双向boost-buck主电路包括：低边电池BATLS、低边电容CLS、功率电感Lm、下桥主开关管SL、上桥主开关管SH、高边电容CHS和高边电池BATHS，软开关电路包括：第一钳位二极管DAH、第二钳位二极管DAL、上桥辅助开关管SAH、下桥辅助开关管SAL、缓冲电感Lr、缓冲电容Cr、第一谐振开关管SAM1和第二谐振开关管SAM2。
图1的虚线框中为软开关电路，虚线框外为双向boost-buck主电路。由于软开关双向直流变换器双向运行，因此在双向boost-buck主电路的输入和输出均连接电池作为该变换器的电源或负载，并分别配置低边电容CLS和高边电容CHS作为母线电容。
其中，上桥辅助开关管SAH为该软开关双向直流变换器在buck模式下的辅助开关管。下桥辅助开关管SAL为该软开关双向直流变换器在boost模式下的辅助开关管。
可以理解的是，功率电感Lm可以使得该软开关双向直流变换器在工作时电感电流连续。低边电池BATLS和高边电池BATHS可以作为输入或输出的电源或负载连续工作。
低边电池BATLS的负极与低边电容CLS的负极连接，低边电池BATLS的正极与低边电容CLS的正极连接，功率电感Lm的一端与低边电容CLS的正极连接，功率电感Lm的另一端与下桥主开关管SL的一端连接，下桥主开关管SL的另一端分别与低边电容CLS的负极和高边电容CHS的负极连接，高边电容CHS的正极与上桥主开关管SH的一端连接，上桥主开关管SH的另一端与功率电感Lm的另一端连接，高边电池BATHS的负极与高边电容CHS的负极连接，高边电池BATHS的正极与高边电容CHS的正极连接。
上桥辅助开关管SAH的一端分别与上桥主开关管SH的一端和高边电容CHS的正极连接，上桥辅助开关管SAH的另一端与下桥辅助开关管SAL的一端连接，下桥辅助开关管SAL的另一端分别与下桥主开关管SL的另一端和高边电容CHS的负极连接；第一钳位二极管DAH的一端分别与上桥主开关管SH的一端和上桥辅助开关管SAH的一端连接，第一钳位二极管DAH的另一端分别与第二钳位二极管DAL的一端、缓冲电容Cr的一端和第二谐振开关管SAM2的一端连接，第二钳位二极管DAL的另一端分别与下桥主开关管SL的另一端和下桥辅助开关管SAL的另一端连接；缓冲电感Lr的一端与功率电感Lm的另一端连接；缓冲电感Lr的另一端分别与上桥辅助开关管SAH的另一端和下桥辅助开关管SAL的一端连接；缓冲电容Cr的一端分别与第二谐振开关管SAM2的一端、第一钳位二极管DAH的另一端和第二钳位二极管DAL的一端连接，缓冲电容Cr的另一端与功率电感Lm的另一端连接，第二谐振开关管SAM2的另一端与第一谐振开关管SAM1的一端连接，第一谐振开关管SAM1的另一端分别与上桥辅助开关管SAH的另一端和下桥辅助开关管SAL的一端连接。
本公开实施例提供的软开关双向直流变换器，在软开关电路中可以使用一个缓冲电感Lr和一个缓冲电容Cr实现双向软开关的功能，缩小了直流变换器的体积，可以作为百千瓦级的新能源汽车上使用的DC/DC变换器。
可选的，下桥主开关管SL、上桥主开关管SH、上桥辅助开关管SAH、下桥辅助开关管SAL、第一谐振开关管SAM1和第二谐振开关管SAM2均为绝缘栅双极型晶体管。
可以理解的是，在开关管为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)时，开关管中的晶体管可以另外并联二极管。
可选的，下桥主开关管SL、上桥主开关管SH、上桥辅助开关管SAH、下桥辅助开关管SAL、第一谐振开关管SAM1和第二谐振开关管SAM2均为金属氧化物场效应管。
可以理解的是，在开关管为金属氧化物场效应管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，MOSFET)时，开关管可以由晶体管并联体二极管组成。图1所示的各开关管为金属氧化物场效应管。其中，下桥主开关管SL包括第一体二极管D1。上桥主开关管SH包括第二体二极管D2。上桥辅助开关管SAH包括第三体二极管D3。下桥辅助开关管SAL包括第四体二极管D4。第一谐振开关管SAM1包括第五体二极管D6，第二谐振开关管SAM2包括第六体二极管D5。
可选的，在下桥主开关管SL、上桥主开关管SH、上桥辅助开关管SAH、下桥辅助开关管SAL、第一谐振开关管SAM1和第二谐振开关管SAM2中，也可以一部分开关管是绝缘栅双极型晶体管，另一部分开关管是金属氧化物场效应管。
当然，本公开实施例提供的开关管还可以由其他全控型或半控型器件组成。
本公开提供的一种软开关双向直流变换器，该软开关双向直流变换器包括双向boost-buck主电路和软开关电路，本公开在boost模式下，通过软开关电路中的下桥辅助开关管和第一谐振开关管控制缓冲电感和缓冲电容储存能量和释放能量实现对双向boost-buck主电路中的下桥主开关管的软开关。本公开在buck模式下，通过软开关电路中的上桥辅助开关管和第二谐振开关管实现对双向boost-buck主电路中的上桥主开关管的软开关。本公开通过软开关电路实现双向boost-buck主电路的主开关管的开通和关断，可以降低开关损耗和电磁干扰噪声。
本公开提供的一种软开关双向直流变换器的控制方法，该控制方法应用于上述软开关双向直流变换器，该控制方法包括：
在确定能量由低边电池BATLS流向高边电池BATHS的情况下，控制软开关双向直流变换器在一个控制周期中工作在boost模式，使得低边电池BATLS处于放电状态且高边电池BATHS处于充电状态。
其中，软开关电路的动作时间至少可以根据软开关电路中各器件的硬件参数进行确定。
当软开关双向直流变换器工作在boost模式下，本公开实施例可以通过控制软开关双向直流变换器中的各开关管的开通或关断，构造单向boost电路，使得能量由低边电池BATLS流向高边电池BATHS。本公开实施例可以将下桥主开关管SL作为boost模式下的主开关管，将上桥主开关管SH作为同步开关管，将高边电容CHS作为boost模式下的输出电容，通过下桥辅助开关管SAL和第一谐振开关管SAM1控制缓冲电感Lr和缓冲电容Cr储存能量和释放能量，从而实现下桥主开关管SL的软开关。
由此，本公开实施例在boost模式中实现了对下桥主开关管SL零电压转换(ZeroVoltage Transition，ZVT)开通和零电压开关(Zero Voltage Switch，ZVS)关断，并实现了对作为同步开关管的上桥主开关管SH的零电压开关开通和零电流开关(Zero CurrentSwitch，ZCS)关断。同时，所有辅助开关管也处于零电流开关或零电压开关的工作状态，各钳位二极管也没有反向恢复过程。
在一个控制周期内，软开关双向直流变换器共经历8种工作模态(Mode)。软开关双向直流变换器在boost模式下各器件在各工作模态中的关键波形如图2所示。
可选的，本公开实施例提供的控制软开关双向直流变换器在一个控制周期中工作在boost模式的工作过程可以如图3所示，包括：
S101、在控制周期开始的情况下，控制上桥主开关管SH关断，并控制下桥辅助开关管SAL开通，以对缓冲电感Lr进行充电。
在关断上桥主开关管SH并开通下桥辅助开关管SAL后，缓冲电感Lr和下桥辅助开关管SAL的电流会缓慢上升。在关断上桥主开关SH之后，由上桥主开关管SH中的第二体二极管D2续流。
S102、在对缓冲电感Lr进行充电的时长达到预设电感充电时长的情况下，控制下桥主开关管SL开通且控制第一谐振开关管SAM1开通。
在对缓冲电感Lr进行充电的时长达到预设电感充电时长的情况下，缓冲电感Lr电流已上升至与功率电感Lm电流相同，因此控制下桥主开关管SL开通且控制第一谐振开关管SAM1开通，使得功率电感Lm的电流经缓冲电感Lr和下桥辅助开关管SAL回到低边电池BATLS，第一谐振开关管SAM1为缓冲电感Lr释放能量提前准备电流通道。
可选的，预设电感充电时长等于缓冲电感Lr的充电时长。缓冲电感Lr的充电时长与缓冲电感Lr的最大电感量、高边电池BATHS的电压以及软开关双向直流变换器在预设工况下的电感电流平均值有关。
可选的，本公开实施例可以根据公式：
Figure BDA0003087669560000091
确定缓冲电感Lr的充电时长，其中，TLr_charge为缓冲电感Lr的充电时长，Lrmax为缓冲电感Lr的最大电感量，r为功率电感Lm的电流纹波率，
Figure BDA0003087669560000092
为软开关双向直流变换器在预设工况下的电感电流平均值，VBATHS为高边电池BATHS的电压。
可选的，本公开实施例可以根据公式：
Figure BDA0003087669560000093
确定缓冲电感Lr的最大电感量，其中，Lrmax为缓冲电感Lr的最大电感量，DMIN为主开关管的最小占空比，TS为主开关管的开关周期，r为功率电感Lm的电流纹波率，
Figure BDA0003087669560000101
为软开关双向直流变换器在预设工况下的电感电流平均值，VBATHS为高边电池BATHS的电压。
S103、在下桥主开关管SL的开通时长达到预设开通时长的情况下，控制下桥辅助开关管SAL关断，以使得缓冲电感Lr存储的能量转移至缓冲电容Cr中，对缓冲电容Cr进行充电。
其中，预设开通时长为主开关管的开通时间，与主开关管本身以及直流变换器电路结构及其参数有关，在直流变换器电路设计完成后即为固定数值。
S104、在缓冲电容Cr进行充电的时长达到预设电容充电时长的情况下，控制第一谐振开关管SAM1关断。
在缓冲电容Cr进行充电的时长达到预设电容充电时长的情况下，可以确定缓冲电感Lr中存储的能量已全部释放至缓冲电容Cr中，此时控制第一谐振开关管SAM1关断，功率电感Lm电流继续线性增加。
可选的，预设电容充电时长等于缓冲电容Cr的充电时长。缓冲电容Cr的充电时长与缓冲电容Cr的最大电容量、缓冲电感Lr的最大电感量、高边电池BATHS的电压以及流经缓冲电感Lr的最大电流值有关。
可选的，本公开实施例可以根据公式：
Figure BDA0003087669560000102
确定缓冲电容Cr的充电时长，其中，TCr_charge为缓冲电容Cr的充电时长，Lrmax为缓冲电感Lr的最大电感量，Crmax为缓冲电容Cr的最大电容量，VBATHS为高边电池BATHS的电压，ILr_max为流经缓冲电感Lr的最大电流值。
可选的，本公开实施例可以根据公式：
Figure BDA0003087669560000111
确定缓冲电容Cr的最大电容量，其中，Crmax为缓冲电容Cr的最大电容量，Lrmax为缓冲电感Lr的最大电感量，r为功率电感Lm的电流纹波率，
Figure BDA0003087669560000112
为软开关双向直流变换器在预设工况下的电感电流平均值，VBATLS为低边电池BATLS的电压，Lmmax为功率电感Lm的最大电感量，TMode2为控制周期中第二工作模态的时长，TMode3为控制周期中第三工作模态的时长，VBATHS为高边电池BATHS的电压。
S105、在下桥主开关管SL的开通时长达到预设占空比时长的情况下，控制下桥主开关管SL关断，以使低边电池BATLS、功率电感Lm和缓冲电容Cr向高边电池BATHS转移能量，以对高边电池BATHS进行充电。
其中，预设占空比时长可以根据实际需求进行设置。在关断下桥主开关管SL后，低边电池BATLS、功率电感Lm和缓冲电容Cr一起向高边电池BATHS转移能量，直至缓冲电容Cr放电完毕。
S106、在达到预设死区时间之后，控制上桥主开关管SH开通，控制除上桥主开关管SH以外的其他开关管保持关断，以使低边电池BATLS和功率电感Lm继续向高边电池BATHS转移能量，以继续对高边电池BATHS进行充电，直至下一个控制周期开始。
本公开实施例通过上桥主开关管SH开通，控制除上桥主开关管SH以外的其他开关管保持关断，以低边电池BATLS为电源，以高边电池BATHS为负载，使得低边电池BATLS和功率电感Lm一起为高边电容CHS和高边电池BATHS充电。
可选的，预设死区时间不小于缓冲电容Cr的放电时长和缓冲电感Lr的充电时长之间的最大值。
本公开实施例可以通过公式：
Tdead-time_min≥max(TLr_charge,TCr_discharge)
确定预设死区时间，其中，Tdead-time_min为预设死区时间，TLr_charge为缓冲电感Lr的充电时长，TCr_discharge为缓冲电容Cr的放电时长。
可选的，缓冲电容Cr的放电时长与缓冲电容Cr的最大电容量、缓冲电感Lr的最大电感量、低边电池BATLS的电压以及下桥主开关管SL和上桥主开关管SH之间的半桥中点电位有关。
可选的，本公开实施例可以根据公式：
Figure BDA0003087669560000121
Figure BDA0003087669560000122
Figure BDA0003087669560000123
确定缓冲电容Cr的放电时长，其中，uM为下桥主开关管SL和上桥主开关管SH之间的半桥中点电位，VBATLS为低边电池BATLS的电压，Lrmax为缓冲电感Lr的最大电感量，Crmax为缓冲电容Cr的最大电容量，TCr_discharge为缓冲电容Cr的放电时长。
可以理解的是，本公开实施例可以在确定能量由高边电池BATHS流向低边电池BATLS的情况下，控制软开关双向直流变换器从boost模式切换至buck模式。
在确定能量由高边电池BATHS流向低边电池BATLS的情况下，控制软开关双向直流变换器在一个控制周期中工作在buck模式，使得低边电池BATLS处于充电状态且高边电池BATHS处于放电状态。
当软开关双向直流变换器工作在buck模式下，本公开实施例可以通过控制软开关双向直流变换器中的各开关管的开通或关断，构造单向buck电路，使得能量由高边电池BATHS流向低边电池BATLS。本公开实施例可以将上桥主开关管SH作为buck模式下的主开关管，将下桥主开关管SL作为同步开关管，将低边电容CLS作为buck模式下的输出电容，通过上桥辅助开关管SAH和第二谐振开关管SAM2控制缓冲电感Lr和缓冲电容Cr储存能量和释放能量，从而实现上桥主开关管SH的软开关。
由此，本公开实施例在buck模式中实现了对上桥主开关管SH零电压转换开通和零电压开关关断，并实现了对作为同步开关管的下桥主开关管SL的零电压开关开通和零电流开关关断。同时，所有辅助开关管也处于零电流开关或零电压开关的工作状态，各钳位二极管也没有反向恢复过程。
在一个控制周期内，软开关双向直流变换器共经历8中工作模态(Mode)。软开关双向直流变换器在buck模式下各器件在各工作模态中的关键波形如图4所示。
可选的，本公开实施例提供的控制软开关双向直流变换器在一个控制周期中工作在buck模式的工作过程可以如图5所示，包括：
S201、在控制周期开始的情况下，控制下桥主开关管SL关断，并控制上桥辅助开关管SAH开通，以对缓冲电感Lr进行充电。
在关断下桥主开关管SL并开通上桥辅助开关管SAH后，缓冲电感Lr和上桥辅助开关管SAH的电流会缓慢上升，在关断下桥主开关管SL之后，由下桥主开关管SL中的第一体二极管D1续流。
S202、在对缓冲电感Lr进行充电的时长达到预设电感充电时长的情况下，控制上桥主开关管SH开通且控制第二谐振开关管SAM2开通。
在对缓冲电感Lr进行充电的时长达到预设电感充电时长的情况下，缓冲电感Lr电流已上升至与功率电感Lm电流相同，因此控制上桥主开关管SH开通且控制第二谐振开关管SAM2开通，使得缓冲电感Lr的电流经功率电感Lm和低边电池BATLS回到高边电池BATHS，第二谐振开关管SAM2为缓冲电感Lr释放能量提前准备电流通道。
其中，预设电感充电时长可参考步骤S102处的说明，此处不再赘述。
S203、在上桥主开关管SH的开通时长达到预设开通时长的情况下，控制上桥辅助开关管SAH关断，以使得缓冲电感Lr存储的能量转移至缓冲电容Cr中，对缓冲电容Cr进行充电。
其中，预设开通时长可参考步骤S103处的说明，此处不再赘述。
S204、在缓冲电容Cr进行充电的时长达到预设电容充电时长的情况下，控制第二谐振开关管SAM2关断。
在缓冲电容Cr进行充电的时长达到预设电容充电时长的情况下，可以确定缓冲电感Lr中存储的能量已全部释放至缓冲电容Cr中，此时控制第二谐振开关管SAM2关断，功率电感Lm电流继续线性增加。
其中，预设电容充电时长可参考步骤S104处的说明，此处不再赘述。
S205、在上桥主开关管SH的开通时长达到预设占空比时长的情况下，控制上桥主开关管SH关断，以使功率电感Lm和缓冲电容Cr向低边电池BATLS转移能量，以对低边电池BATLS进行充电。
其中，预设占空比时长可以根据实际需求进行设置。在关断上桥主开关管SH后，功率电感Lm和缓冲电容Cr一起向低边电池BATLS转移能量，直至缓冲电容Cr放电完毕。
S206、在达到预设死区时间之后，控制下桥主开关管SL开通，控制除下桥主开关管SL以外的其他开关管保持关断，以使功率电感Lm继续向低边电池BATLS转移能量，以继续对低边电池BATLS进行充电，直至下一个控制周期开始。
本公开实施例通过控制下桥主开关管开通，控制除下桥主开关管以外的其他开关管保持关断，使得功率电感Lm为低边电容CLS和低边电池BATLS充电。
其中，预设死区时间可参考步骤S106处的说明，此处不再赘述。
可以理解的是，本公开实施例可以在确定能量由低边电池BATLS流向高边电池BATHS的情况下，控制软开关双向直流变换器从buck模式切换至boost模式。
本公开实施例对软开关双向直流变换器中辅助开关管的控制均以主开关管的时序同步，简化了调制方法。在对软开关双向直流变换器进行控制的过程中，软开关电路只在双向boost-buck主电路的主开关管开通或关断时短暂工作，瞬间时间间隔的总和在主开关管的开关周期中所占较小，并且不增加软开关双向直流变换器的导通损耗。同时，在控制过程中，软开关双向直流变换器中各器件的电压应力均未超过高位电池的电压，软开关电路也为未增加双向boost-buck主电路的电流应力，软开关电路中的各辅助开关管均处于短暂的工作状态且电流应力较小。
本公开提供的一种软开关双向直流变换器的控制方法，该软开关双向直流变换器包括双向boost-buck主电路和软开关电路，本公开在boost模式下，通过软开关电路中的下桥辅助开关管和第一谐振开关管控制缓冲电感和缓冲电容储存能量和释放能量实现对双向boost-buck主电路中的下桥主开关管的软开关。本公开在buck模式下，通过软开关电路中的上桥辅助开关管和第二谐振开关管实现对双向boost-buck主电路中的上桥主开关管的软开关。本公开通过软开关电路实现双向boost-buck主电路的主开关管的开通和关断，可以降低开关损耗和电磁干扰噪声。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅为本公开的实施例而已，并不用于限制本公开。对于本领域技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种软开关双向直流变换器，其特征在于，包括：双向boost-buck主电路和软开关电路，所述双向boost-buck主电路包括：低边电池、低边电容、功率电感、下桥主开关管、上桥主开关管、高边电容和高边电池，所述软开关电路包括：第一钳位二极管、第二钳位二极管、上桥辅助开关管、下桥辅助开关管、缓冲电感、缓冲电容、第一谐振开关管和第二谐振开关管，
所述低边电池的负极与所述低边电容的负极连接，所述低边电池的正极与所述低边电容的正极连接，所述功率电感的一端与所述低边电容的正极连接，所述功率电感的另一端与所述下桥主开关管的一端连接，所述下桥主开关管的另一端分别与所述低边电容的负极和所述高边电容的负极连接，所述高边电容的正极与所述上桥主开关管的一端连接，所述上桥主开关管的另一端与所述功率电感的另一端连接，所述高边电池的负极与所述高边电容的负极连接，所述高边电池的正极与所述高边电容的正极连接；
所述上桥辅助开关管的一端分别与所述上桥主开关管的一端和所述高边电容的正极连接，所述上桥辅助开关管的另一端与所述下桥辅助开关管的一端连接，所述下桥辅助开关管的另一端分别与所述下桥主开关管的另一端和所述高边电容的负极连接；所述第一钳位二极管的一端分别与所述上桥主开关管的一端和所述上桥辅助开关管的一端连接，所述第一钳位二极管的另一端分别与所述第二钳位二极管的一端、所述缓冲电容的一端和所述第二谐振开关管的一端连接，所述第二钳位二极管的另一端分别与所述下桥主开关管的另一端和所述下桥辅助开关管的另一端连接；所述缓冲电感的一端与所述功率电感的另一端连接；所述缓冲电感的另一端分别与所述上桥辅助开关管的另一端和所述下桥辅助开关管的一端连接；所述缓冲电容的一端分别与所述第二谐振开关管的一端、所述第一钳位二极管的另一端和所述第二钳位二极管的一端连接，所述缓冲电容的另一端与所述功率电感的另一端连接，所述第二谐振开关管的另一端与所述第一谐振开关管的一端连接，所述第一谐振开关管的另一端分别与所述上桥辅助开关管的另一端和所述下桥辅助开关管的一端连接。
2.根据权利要求1所述的软开关双向直流变换器，其特征在于，所述下桥主开关管、所述上桥主开关管、所述上桥辅助开关管、所述下桥辅助开关管、所述第一谐振开关管和所述第二谐振开关管均为绝缘栅双极型晶体管。
3.根据权利要求1所述的软开关双向直流变换器，其特征在于，所述下桥主开关管、所述上桥主开关管、所述上桥辅助开关管、所述下桥辅助开关管、所述第一谐振开关管和所述第二谐振开关管均为金属氧化物场效应管。
4.一种软开关双向直流变换器的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1至3中任一项所述软开关双向直流变换器，所述控制方法包括：
在确定能量由所述低边电池流向所述高边电池的情况下，控制所述软开关双向直流变换器在一个控制周期中工作在boost模式，使得所述低边电池处于放电状态且所述高边电池处于充电状态；
在确定能量由所述高边电池流向所述低边电池的情况下，控制所述软开关双向直流变换器在一个所述控制周期中工作在buck模式，使得所述低边电池处于充电状态且所述高边电池处于放电状态。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述控制所述软开关双向直流变换器在一个控制周期中工作在boost模式，包括：
在控制周期开始的情况下，控制所述上桥主开关管关断，并控制所述下桥辅助开关管开通，以对所述缓冲电感进行充电；
在对所述缓冲电感进行充电的时长达到预设电感充电时长的情况下，控制所述下桥主开关管开通且控制所述第一谐振开关管开通；
在所述下桥主开关管的开通时长达到预设开通时长的情况下，控制所述下桥辅助开关管关断，以使得所述缓冲电感存储的能量转移至所述缓冲电容中，对所述缓冲电容进行充电；
在所述缓冲电容进行充电的时长达到预设电容充电时长的情况下，控制所述第一谐振开关管关断；
在所述下桥主开关管的开通时长达到预设占空比时长的情况下，控制所述下桥主开关管关断，以使所述低边电池、所述功率电感和所述缓冲电容向所述高边电池转移能量，以对所述高边电池进行充电；
在达到预设死区时间之后，控制所述上桥主开关管开通，控制除所述上桥主开关管以外的其他开关管保持关断，以使所述低边电池和所述功率电感继续向所述高边电池转移能量，以继续对所述高边电池进行充电，直至下一个控制周期开始。
6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述控制所述软开关双向直流变换器在一个所述控制周期中工作在buck模式，包括：
在控制周期开始的情况下，控制所述下桥主开关管关断，并控制所述上桥辅助开关管开通，以对所述缓冲电感进行充电；
在对所述缓冲电感进行充电的时长达到预设电感充电时长的情况下，控制所述上桥主开关管开通且控制所述第二谐振开关管开通；
在所述上桥主开关管的开通时长达到预设开通时长的情况下，控制所述上桥辅助开关管关断，以使得所述缓冲电感存储的能量转移至所述缓冲电容中，对所述缓冲电容进行充电；
在所述缓冲电容进行充电的时长达到预设电容充电时长的情况下，控制所述第二谐振开关管关断；
在所述上桥主开关管的开通时长达到预设占空比时长的情况下，控制所述上桥主开关管关断，以使所述功率电感和所述缓冲电容向所述低边电池转移能量，以对所述低边电池进行充电；
在达到预设死区时间之后，控制所述下桥主开关管开通，控制除所述下桥主开关管以外的其他开关管保持关断，以使所述功率电感继续向所述低边电池转移能量，以继续对所述低边电池进行充电，直至下一个控制周期开始。
7.根据权利要求5至6中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述预设死区时间不小于所述缓冲电容的放电时长和所述缓冲电感的充电时长之间的最大值。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述缓冲电容的放电时长与所述缓冲电容的最大电容量、所述缓冲电感的最大电感量、所述低边电池的电压以及所述下桥主开关管和上桥主开关管之间的半桥中点电位有关。
9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述预设电感充电时长等于所述缓冲电感的充电时长，所述缓冲电感的充电时长与所述缓冲电感的最大电感量、所述高边电池的电压以及所述软开关双向直流变换器在预设工况下的电感电流平均值有关。
10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述预设电容充电时长等于所述缓冲电容的充电时长，所述缓冲电容的充电时长与所述缓冲电容的最大电容量、所述缓冲电感的最大电感量、所述高边电池的电压以及流经所述缓冲电感的最大电流值有关。
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