CN113890377A - 一种充电机的双向dc-dc变换器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种充电机的双向DC‑DC变换器电路，其包括输入EMC处理电路、输入防反接和缓起电路、输入滤波储能电路、CLLC谐振隔离型双向DC‑DC变换电路和输出滤波储能电路；输入EMC处理电路采用两级滤波结构，用于接收来自于前级PFC电路输出的直流信号并滤除直流信号中的干扰信号，再经输入防反接和缓起电路抑制输入端的浪涌电流及冲击信号，后由输入滤波储能电路将直流信号输入到CLLC谐振隔离型双向DC‑DC变换电路中，进而传输到输出滤波储能电路中。本发明能够实现对称双向工作，而且能够较大的提升系统工作的性能，提高转换的效率。
Description
技术领域
本发明涉及蓄电池充放电领域，尤其涉及一种充电机的双向DC-DC变换器电路。
背景技术
随着蓄电池和超级电容器在轨道交通和新能源等领域的广范使用，对高效双向的隔离型充电机的需求越来越迫切。本发明涉及双向隔离型充电机系统，适用于所有需要隔离的充电机系统应用领域。充电机技术主要是针对蓄电池的充电特性曲线，进行高效的电能变换。但是在蓄电池的维护过程中，需要对其进行充放电的操作，以往的做法是让蓄电池从电网中获取能量，放电时通过电阻将能量消耗掉。这种做法不仅造成大量的能量浪费，而且对于环境也有着不好的影响。因此单向DC-DC变换器逐渐向双向DC-DC变换器发展，隔离型双向DC-DC变换器的充电机能够实现电压的变换和能量的双向流动。基于隔离双向DC-DC变换器构成双向隔离型充电机系统。
传统的双向DC-DC变换器有很多拓扑结构，其中隔离型的BDC主要有五种，分别是：正激拓扑，反激拓扑，推挽拓扑，半桥拓扑和全桥拓扑。目前在充电机系统中应用最为广泛的是双向全桥变换器，它也是最具代表性和应用最多的大功率隔离的双向DC-DC变换器。该拓扑最好用的控制方式为移相控制，由于移相控制是通过移相角在电感L两端产生电压差来传递能量，在电流经过电感后会产生一定的相位滞后，导致变压器两侧的电压、电流存在一定的相位差。其相位差的存在会导致这部分能量无法传递给负载，在变换器中产生功率回流现象。该回流能量的存在导致系统产生无功损耗，降低了变换器效率，不利于系统优化。除此之外，双向全桥变换器还存在开关管在电流最大时关断的问题，且无法在全功率范围内实现软开关。
发明内容
本发明提供一种充电机的双向DC-DC变换器电路，以克服电流经过电感后会产生相位滞后，导致变压器两侧的电压、电流存在相位差等技术问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种充电机的双向DC-DC变换器电路，用于充电机系统中对蓄电池进行充放电的电源转换电路和充电机系统中电源的转换电路，包括：依次顺序连接的输入EMC处理电路、输入防反接和缓起电路、输入滤波储能电路、CLLC谐振隔离型双向DC-DC变换电路和输出滤波储能电路；
输入EMC处理电路采用两级滤波结构，用于接收来自于前级PFC电路输出的直流信号并滤除直流信号中的干扰信号，再经输入防反接和缓起电路抑制输入端的浪涌电流及冲击信号后，由输入滤波储能电路将直流信号输入到CLLC谐振隔离型双向DC-DC变换电路中，进而传输到输出滤波储能电路中。
进一步的，所述CLLC谐振隔离型双向DC-DC变换电路包括主拓扑电路和控制电路；
所述主拓扑电路包括原边全桥斩波/整流单元、谐振腔单元和副边全桥整流/斩波单元；
所述原边全桥斩波/整流单元为GAN器件的开关管组成的全桥结构，由控制电路控制开关管的开通和关断，用于将来自所述输入滤波储能电路的直流信号转化为方波电压信号；
所述谐振腔单元包括变压器Tr、谐振电感Lr、励磁电感Lm以及高低压侧的第一谐振电容Cr1和第二谐振电容Cr2；所述变压器Tr用于将原边全桥斩波/整流单元和副边全桥整流/斩波单元的输入端与输出端隔离及储能，所述谐振电感Lr与第一谐振电容Cr1和第二谐振电容Cr2用于原边全桥斩波/整流单元与副边全桥整流/斩波单元发生谐振，以实现开关管处于ZVS和ZCS模式，其中，第一谐振电容Cr1和第二谐振电容Cr2还用于原边全桥斩波/整流单元与副边全桥整流/斩波单元发生的隔直；
所述副边全桥整流/斩波单元为GAN器件的开关管组成的全桥结构，由控制电路控制开关管的开通和关断，用于将变压器Tr副边交流信号转化为直流信号传输到所述输出滤波储能电路。
进一步的，所述控制电路包括主控单元、驱动电路和采样电路；
所述主控单元用于采集原边全桥斩波/整流单元和副边全桥整流/斩波单元的输入、输出端电压值和电流值，通过PI控制，调节GAN器件的开关频率，调节原边全桥斩波/整流单元和副边全桥整流/斩波单元输出电压大小，从而使输出电压稳定在设定值；
所述驱动电路用于控制GAN器件的通断；
所述采样电路用于对原边全桥斩波/整流单元和副边全桥整流/斩波单元的输入端和输出端的直流电压电流信号进行采集，采集后的直流电压电流信号进入模拟量数字量转换单元。
进一步的，所述采样电路包括隔离放大单元和模拟量数字量转换单元；
所述隔离放大单元用于对原边全桥斩波/整流单元和副边全桥整流/斩波单元的输入端电压值进行信号整定，并传输给所述模拟量数字量转换单元，所述模拟量数字量转换单元将整定后的电压值信号传输到所述主控单元为现场可编程门阵列。
进一步的，所述主控单元采用电隔离驱动单元控制GAN器件的通断。
进一步的，所述主控单元为现场可编程门阵列FPGA。
进一步的，采用宽禁带半导体器件氮化镓器件作为原边全桥斩波/整流单元和副边全桥整流/斩波单元的开关管。
进一步的，所述隔离放大单元为ISO224隔离放大器。
进一步的，所述模拟量数字量转换单元为AD7606芯片。
进一步的，所述电隔离驱动单元为1EDF5673F芯片。
有益效果：本发明提供的一种充电机的双向DC-DC变换器电路，该电路通过主控芯片FPGA进行整体的双向DC-DC变换器控制。变换器拓扑采用CLLC谐振型拓扑结构，FPGA通过控制原边全桥斩波/整流单元将充电机系统的前级PFC电路输出的400VDC信号转化为高频方波信号，再通过CLLC谐振腔转变为高频交流信号，通过变压器传递到副边全桥整流/斩波单元，FPGA再通过驱动芯片控制副边的GAN开关管进行同步整流控制，将高频交流信号整流为直流信号，再通过滤波电路得到稳定的直流信号，给蓄电池充电。同时该电路还可以反向工作，将蓄电池的输出通过电路回馈到供电母线上，反向工作状态与同向时保持一致。采用该种电路结构及控制方式，能够实现对称双向工作，而且能够较大的提升系统工作的性能，减低相位差，提高转换的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种充电机系统的整体结构图；
图2为本发明双向DC-DC变换器的整体架构图；
图3为本发明CLLC谐振型变换器的架构图；
图4为本发明CLLC谐振型变换器的主拓扑电路图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供了一种充电机的双向DC-DC变换器电路，用于充电机系统中对于蓄电池进行充放电的电源转换电路和充电机系统中电源的转换电路，如图1-3，包括：依次顺序连接的输入EMC处理电路、输入防反接和缓起电路、输入滤波储能电路、CLLC谐振隔离型双向DC-DC变换电路和输出滤波储能电路；
输入EMC处理电路采用两级滤波结构，用于接收来自于前级PFC电路输出的直流信号并滤除直流信号中的干扰信号，再经输入防反接和缓起电路抑制输入端的浪涌电流及冲击信号后，由输入滤波储能电路将直流信号输入到CLLC谐振隔离型双向DC-DC变换电路中，进而传输到输出滤波储能电路中。
在具体实施例中，输入到CLLC谐振隔离型双向DC-DC变换电路的电压纹波小的直流信号值参考表1；
| 参数 | 参数说明 | 400V |
| 纹波和噪声 | 带宽：20MHz，满载 | ＜4V pp |
表1输出纹波情况
在具体实施例中，所述CLLC谐振隔离型双向DC-DC变换电路包括主拓扑电路和控制电路；所述EMC电路采用两级滤波，能够有效的处理绝大部分来自输入端的干扰信号，电路性能完全优于GB25119中关于EMI和EMC的要求；接收输入EMC处理电路传递过来的400DC的电压信号的输入防反接和缓起电路能够有效的防止输入反接带来的不良后果及有效的抑制输入端的浪涌电流及冲击信号；
在具体实施例中，所述的储能滤波电路主要由设计好参数的电容组成，能够有效的滤除输入端的高频干扰信号及具备储能的功能。
所述主拓扑电路包括原边全桥斩波/整流单元、谐振腔单元和副边全桥整流/斩波单元；
所述原边全桥斩波/整流单元为GAN器件的开关管组成的全桥结构，由控制电路控制开关管开通和关断，用于将来自所述输入滤波储能电路的直流信号转化为方波电压信号；具体的，所述原边斩波/整流电路将输入进来的400VDC信号转化成高频的方波电压信号，通过CLLC谐振腔网络变为高频交流信号传递给CLLC谐振拓扑的二次侧；
所述谐振腔单元包括变压器Tr、谐振电感Lr、励磁电感Lm以及高低压侧的第一谐振电容Cr1和第二谐振电容Cr2；所述变压器Tr用于将原边全桥斩波/整流单元和副边全桥整流/斩波单元的输入端与输出端隔离及储能，所述谐振电感Lr与第一谐振电容Cr1和第二谐振电容Cr2用于原边全桥斩波/整流单元与副边全桥整流/斩波单元发生谐振，以实现开关管处于ZVS和ZCS模式，其中，第一谐振电容Cr1和第二谐振电容Cr2还用于原边全桥斩波/整流单元与副边全桥整流/斩波单元发生的隔直；
所述副边全桥整流/斩波单元为GAN器件的开关管组成的全桥结构，由控制电路控制开关管的开通和关断，用于将变压器Tr副边交流信号转化为直流信号传输到所述输出滤波储能电路；具体的，所述副边整流/斩波电路将输入的高频交流信号通过四个开关管进行整流，再由输出端的储能滤波电路进行滤波，成为给蓄电池充电的稳定的直流信号。
本发明采用谐振型的隔离变换拓扑结构实现软开关技术，采用调频稳压控制方式，控制该谐振拓扑结构，进行蓄电池的降压充电和升压放电的电源转换，实现了原边开关管零电压开通零电压开关(ZVS)，副边开关管零电流关断零电流开关(ZCS)，采用了全新的结构对称谐振拓扑，CLLC谐振型双向隔离DC-DC变换器，能够在全功率范围下实现软开关，并且能够实现正反向运行时状态一致。
在具体实施例中，所述控制电路包括主控单元及其外围电路、驱动电路和采样电路；
所述主控单元用于采集原边全桥斩波/整流单元和副边全桥整流/斩波单元的输入、输出端电压值和电流值，通过PI控制，调节GAN器件的开关频率，调节原边全桥斩波/整流单元和副边全桥整流/斩波单元输出电压大小，从而使输出电压稳定在设定值；由于充电机系统蓄电池充电策略主要是控制充电电压，所以FPGA进行电压单环的PI控制，通过调频来稳定电压，使采集到的电流信号用于限流控制；
所述驱动电路用于控制GAN器件的通断；
所述采样电路用于对原边全桥斩波/整流单元和副边全桥整流/斩波单元的输入端和输出端的直流电压电流信号进行采集，并传输给模拟量数字量转换单元；
所述外围电路包括时钟电路(50MHZ)、Flash芯片电路、3.3V电源电路、AD7606芯片电路和看门狗电路。
在具体实施例中，所述采样电路包括隔离放大单元和模拟量数字量转换单元；
所述隔离放大单元用于将原边全桥斩波/整流单元和副边全桥整流/斩波单元的输入端电压值信号整定，并传输给所述模拟量数字量转换单元，所述模拟量数字量转换单元将整定后的电压值信号传输到所述主控单元为现场可编程门阵列。
在具体实施例中，所述主控单元采用电隔离驱动单元控制GAN器件的通断。
在具体实施例中，所述主控单元为现场可编程门阵列FPGA。
在具体实施例中，采用8个宽禁带半导体器件氮化镓器件(图4中S1-S8)作为原边全桥斩波/整流单元和副边全桥整流/斩波单元的开关管。氮化镓晶体管具有更低的导通电阻、更快的开关速度、更小的寄生参数和更低的反向恢复损耗等优势，较低的寄生电容有利于ZVS的实现。具体可采用英飞凌的600V等级的600V、70mΩCoolGaNTM(IGT60R070D1)器件。氮化镓晶体管适用于比SiC器件更高的工作频率,其频率可达兆赫兹级。在低功率或中功率的环境下，氮化镓晶体管可以很好地代替其他器件高效工作，提高变换器的转化效率。由于该DC-DC变换器要双向运行，不仅要实现蓄电池的充电还要进行放电，所以两侧均采用GAN器件能够保证结构对称且充放电的效率均得到有效的提高，尤其是放电时候的高效率能够有效的节省蓄电池的电量。
在具体实施例中，所述隔离放大单元为ISO224隔离放大器。
在具体实施例中，所述模拟量数字量转换单元为AD7606芯片。
在具体实施例中，所述电隔离驱动单元为1EDF5673F芯片，可以快速关断氮化镓晶体管开关。在开关应处于关闭状态的整个持续时间内，1EDF5673F芯片可以使栅极电压稳定保持为零，使保护氮化镓开关不受噪音或首脉冲影响导致误接通。另外，由于氮化镓开关无驱动电压时反向导通压降较大，所以还要通过FPGA进行整流侧的同步整流控制。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种充电机的双向DC-DC变换器电路，用于充电机系统中对蓄电池进行充放电的电源转换电路和充电机系统中电源的转换电路，其特征在于，包括：依次顺序连接的输入EMC处理电路、输入防反接和缓起电路、输入滤波储能电路、CLLC谐振隔离型双向DC-DC变换电路和输出滤波储能电路；
输入EMC处理电路采用两级滤波结构，用于接收来自于前级PFC电路输出的直流信号并滤除直流信号中的干扰信号，再经输入防反接和缓起电路抑制输入端的浪涌电流及冲击信号后，由输入滤波储能电路将直流信号输入到CLLC谐振隔离型双向DC-DC变换电路中，进而传输到输出滤波储能电路中。
2.如权利要求1所述的一种充电机的双向DC-DC变换器电路，其特征在于：所述CLLC谐振隔离型双向DC-DC变换电路包括主拓扑电路和控制电路；
所述主拓扑电路包括原边全桥斩波/整流单元、谐振腔单元和副边全桥整流/斩波单元；
所述原边全桥斩波/整流单元为GAN器件的开关管组成的全桥结构，由控制电路控制开关管的开通和关断，用于将来自所述输入滤波储能电路的直流信号转化为方波电压信号；
所述谐振腔单元包括变压器Tr、谐振电感Lr、励磁电感Lm以及高低压侧的第一谐振电容Cr1和第二谐振电容Cr2；所述变压器Tr用于将原边全桥斩波/整流单元和副边全桥整流/斩波单元的输入端与输出端隔离及储能，所述谐振电感Lr与第一谐振电容Cr1和第二谐振电容Cr2用于原边全桥斩波/整流单元与副边全桥整流/斩波单元发生谐振，以实现开关管处于ZVS和ZCS模式，其中，第一谐振电容Cr1和第二谐振电容Cr2还用于原边全桥斩波/整流单元与副边全桥整流/斩波单元发生的隔直；
所述副边全桥整流/斩波单元为GAN器件的开关管组成的全桥结构，由控制电路控制开关管的开通和关断，用于将变压器Tr副边交流信号转化为直流信号传输到所述输出滤波储能电路。
3.如权利要求2所述的一种充电机的双向DC-DC变换器电路，其特征在于：所述控制电路包括主控单元、驱动电路和采样电路；
所述主控单元用于采集原边全桥斩波/整流单元和副边全桥整流/斩波单元的输入、输出端电压值和电流值，通过PI控制，调节GAN器件的开关频率，调节原边全桥斩波/整流单元和副边全桥整流/斩波单元输出电压大小，从而使输出电压稳定在设定值；
所述驱动电路用于控制GAN器件的通断；
所述采样电路用于对原边全桥斩波/整流单元和副边全桥整流/斩波单元的输入端和输出端的直流电压电流信号进行采集，采集后的直流电压电流信号进入模拟量数字量转换单元。
4.如权利要求3所述的一种充电机的双向DC-DC变换器电路，其特征在于：所述采样电路包括隔离放大单元和模拟量数字量转换单元；
所述隔离放大单元用于对原边全桥斩波/整流单元和副边全桥整流/斩波单元的输入端电压值进行信号整定，并传输给所述模拟量数字量转换单元，所述模拟量数字量转换单元将整定后的电压值信号传输到所述主控单元为现场可编程门阵列。
5.如权利要求4所述的一种充电机的双向DC-DC变换器电路，其特征在于：所述主控单元采用电隔离驱动单元控制GAN器件的通断。
6.如权利要求5所述的一种充电机的双向DC-DC变换器电路，其特征在于：所述主控单元为现场可编程门阵列FPGA。
7.如权利要求6所述的一种充电机的双向DC-DC变换器电路，其特征在于：采用宽禁带半导体器件氮化镓器件作为原边全桥斩波/整流单元和副边全桥整流/斩波单元的开关管。
8.如权利要求7所述的一种充电机的双向DC-DC变换器电路，其特征在于：所述隔离放大单元为ISO224隔离放大器。
9.如权利要求8所述的一种充电机的双向DC-DC变换器电路，其特征在于：所述模拟量数字量转换单元为AD7606芯片。
10.如权利要求9所述的一种充电机的双向DC-DC变换器电路，其特征在于：所述电隔离驱动单元为1EDF5673F芯片。
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