CN115298947A - 带续流电路的dc-dc转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于两端口和三端口拓扑等的直流‑直流DC‑DC转换器。所述DC‑DC转换器包括：第一端口，耦合至第一全桥；变压器，耦合至所述第一全桥和第二全桥。所述DC‑DC转换器还包括：第二端口，耦合至所述第二全桥；第一电感，耦合在所述第二全桥和所述第二端口之间；第一续流电路，包括与开关串联耦合的第一二极管。所述第一续流电路还与所述第一电感并联耦合在所述第二全桥和所述第二端口之间。因此，所述DC‑DC转换器具有宽输入宽输出WIWO范围和线性电压增益。

Description

带续流电路的DC-DC转换器
技术领域
本发明涉及一种带续流电路的直流(direct current，DC)-直流转换器，即DC-DC转换器。
背景技术
电动汽车对功率密度、成本和系统集成具有苛刻的要求。另一方面，汽车原始设备制造商(original equipment manufacturer，OEM)需要双向电力传输。因此，在功率因数校正(power factor correction，PFC)后具有三端口DC-DC输出级的车载充电器(on boardcharger，OBC)是未来OBC设计的趋势。已知有用于DC-DC转换器的不同三端口拓扑。
一种这样的传统三端口拓扑是基于双有源桥(dual active bridge，DAB)的双向DC-DC转换器。使用单相移(single phase shift，SPS)调制时，DAB技术在轻负载和中负载下的无功功率很高。为了在轻负载或中负载条件下实现更高的效率，需要TPS调制，这是一种复杂的控制算法，通常难以实现。在三端口拓扑中应用TPS控制更具挑战性。
一种这样的传统三端口拓扑是通常用于提高系统效率的谐振方案拓扑。虽然这种方案可以实现更高的效率，但是LLC拓扑难以满足宽输入宽输出(wide input and wideoutput，WIWO)要求。当DC-DC转换器的输入/输出电压范围超过其标称输入/输出电压的40％时，视为WIWO。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供一种方案，用来减少或解决传统方案的缺点和问题。
本发明示例的另一个目的在于提供一种新型拓扑结构，所述拓扑结构特别适用于在任何需要高效率和高功率密度双向电力传输的应用中具有宽输入宽输出电压要求的双向DC-DC转换器。
上述和其它目的是通过由独立权利要求请求保护的主题来实现。本发明的其它有利示例可以在从属权利要求中找到。
根据本发明的第一方面，通过DC-DC转换器实现上述和其它目标，所述DC-DC转换器包括：
第一端口，包括：第一侧，用于耦合至DC总线；第二侧，耦合至第一全桥，其中，所述第一全桥包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关；
变压器，包括：一次绕组，耦合至所述第一全桥；二次绕组，耦合至第二全桥，其中，所述第二全桥包括第五开关、第六开关、第七开关和第八开关；
第二端口，包括：第一侧，耦合至所述第二全桥；第二侧，用于耦合至第一电池；
第一电感，耦合在所述第二全桥和所述第二端口的所述第一侧之间；
第一续流电路，包括与第九开关串联耦合的第一二极管，其中，所述第一续流电路与所述第一电感并联耦合在所述第二全桥和所述第二端口的所述第一侧之间。
本文中的端口可视为输入和/或输出端子。因此，所述端口可用于根据所述DC-DC转换器的工作模式充当输入或输出。
本文中的全桥可以理解为两个半桥相互并联耦合或连接。半桥可以由两个开关和两个续流二极管构成。
所述DC-DC转换器可以在电流方向为从所述第一端口到所述第二端口的正向模式下工作。所述DC-DC转换器还可以在电流方向为从所述第二端口到从所述第一端口的反向模式下工作。
根据所述第一方面所述的DC-DC转换器的优点在于，其具有适用于电动汽车应用等的宽输入宽输出范围。此外，所述DC-DC转换器的电压增益是线性的。
根据所述第一方面，在DC-DC转换器的一种实现方式中，所述DC-DC转换器用于在电流方向为从所述第二端口到所述第一端口的第一反向模式下工作时：
i)在所述第九开关的饱和区操作所述第九开关；
ii)在第一时间段内导通所述第五开关和所述第八开关，
iii)在所述第一时间段之后的第二时间段内关断所述第五开关、所述第六开关、所述第七开关和所述第八开关，
iv)在所述第二时间段之后的第三时间段内导通所述第六开关和所述第七开关，
v)在所述第三时间段之后的第四时间段内关断所述第五开关、所述第六开关、所述第七开关和所述第八开关；
重复ii)至v)，直到所述DC总线处的电压等于或高于第一阈值电压。
在本发明中，开关导通可以理解为所述开关具有低阻抗并且能够传导电流。
在本发明中，开关关断可以理解为所述开关具有高阻抗并且不能传导电流。
根据该实现方式所述的DC-DC转换器的优点在于，提供了所述第一反向模式操作的软启动功能。
根据所述第一方面，在DC-DC转换器的一种实现方式中，所述DC-DC转换器还包括：
第一保护电路，耦合在所述第二全桥和所述第二端口的所述第一侧之间，并与所述第二全桥并联。
根据该实现方式所述的DC-DC转换器的优点在于，可以保护所述第二端口处的所述开关免受因用于控制所述DC-DC转换器的所述开关的控制器发生故障等引起的过电压/过电流的影响。
根据所述第一方面，在DC-DC转换器的一种实现方式中，所述第一保护电路包括：
第一稳压二极管和第二稳压二极管，所述第一稳压二极管和所述第二稳压二极管彼此串联且以相反方向耦合；或
第一压敏电阻。
根据所述第一方面，在DC-DC转换器的一种实现方式中，所述DC-DC转换器还包括：
第三端口，包括：第一侧，耦合至Y电路；第二侧，用于耦合至第二电池，其中，所述Y电路耦合至所述变压器的中心抽头绕组，并且包括第十一开关、第十二开关和第十三开关。
根据该实现方式所述的DC-DC转换器的优点在于，所述DC-DC转换器能够将能量/电能传输至第三端口。此外，所述第二端口和所述第三端口之间不存在能量解耦。
根据所述第一方面，在DC-DC转换器的一种实现方式中，每个开关的源极引脚或发射极引脚耦合至所述Y电路的公共节点。
根据该实现方式所述的DC-DC转换器的优点在于，当所述第三端口配置为输出端口时，可以调制所述第三端口处的电压。
根据所述第一方面，在DC-DC转换器的一种实现方式中，所述第一电池为高压电池，所述第二电池为低压电池。
根据该实现方式所述的DC-DC转换器的优点在于，它可以在所述高压电池和所述低压电池之间传输能量/电能，反之亦然。
根据所述第一方面，在DC-DC转换器的一种实现方式中，所述DC-DC转换器还包括：
第二电感，耦合在所述Y电路和所述第三端口的所述第一侧之间；
第二续流电路，包括与第十开关串联耦合的第二二极管，其中，所述第二续流电路与所述第二电感并联耦合在所述Y电路和所述第三端口的所述第一侧之间。
根据该实现方式所述的DC-DC转换器的优点在于，所述第三端口可以用于发送或接收电能/能量。
根据所述第一方面，在DC-DC转换器的一种实现方式中，所述DC-DC转换器用于在电流方向为从所述第三端口到所述第一端口的第二反向模式下工作时：
i)控制所述第十开关在其饱和区工作，
ii)导通所述第十二开关；
iii)在第一时间段内导通所述第十一开关，
iv)在所述第一时间段之后的第二时间段内关断所述第十一开关和所述第十三开关，
v)在所述第二时间段之后的第三时间段内导通所述第十三开关，
vi)在所述第三时间段之后的第四时间段内关断所述第十一开关和所述第十三开关；
重复iii)至vi)，直到所述DC总线处的电压等于或高于第二阈值电压。
根据该实现方式所述的DC-DC转换器的优点在于，该实现方式提供了所述第二反向模式操作的软启动功能。
根据所述第一方面，在DC-DC转换器的一种实现方式中，所述DC-DC转换器还包括：
第二保护电路，耦合在所述Y电路和所述第三端口的所述第一侧之间。
根据该实现方式所述的DC-DC转换器的优点在于，可以保护所述第三端口处的所述开关免受因用于控制所述DC-DC转换器的所述开关的控制器发生故障等引起的过电压/过电流的影响。
根据所述第一方面，在DC-DC转换器的一种实现方式中，所述第二保护电路包括：
第三稳压二极管和第四稳压二极管，所述第三稳压二极管和所述第四稳压二极管彼此串联且以相反方向耦合；或
第二压敏电阻。
根据所述第一方面，在DC-DC转换器的一种实现方式中，所述DC-DC转换器还包括：
续流二极管，与所述第二保护电路并联耦合，并在所述第三端口作为输出端口工作时形成续流路径。
根据该实现方式所述的DC-DC转换器的优点在于，可以控制所述第三端口处的输出电压。
根据所述第一方面，在DC-DC转换器的一种实现方式中，所述DC-DC转换器还包括以下组件中的至少一个：
第一电流传感器，耦合在所述第二全桥和所述第二端口的所述第一侧之间，并且用于提供第一组测量电流值；
第二电流传感器，耦合在所述Y电路和所述第三端口的所述第一侧之间，并且用于提供第二组测量电流值；
控制器，用于根据所述第一组测量电流值和所述第二组测量电流值中的至少一个来控制所述DC-DC转换器的所述开关。
根据该实现方式所述的DC-DC转换器的优点在于，可以根据所述第一组测量电流值和所述第二组测量电流值控制所述DC-DC转换器的所述开关，以改善开关。
根据所述第一方面，在DC-DC转换器的一种实现方式中，所述DC-DC转换器还包括：
箝位电路，包括第一箝位二极管、第二箝位二极管和箝位电感，其中，所述箝位电感耦合在所述第一全桥和所述变压器的所述一次绕组之间。
通过以下详细描述，本发明示例的其它应用和优点将变得显而易见。
附图说明
附图意在阐明和阐释本发明的不同示例，其中：
-图1示出了本发明的一个示例提供的具有两端口拓扑的DC-DC转换器；
-图2示出了本发明的一个示例提供的具有两端口拓扑的DC-DC转换器；
-图3示出了本发明的一个示例提供的具有三端口拓扑的DC-DC转换器；
-图4示出了DC-DC转换器如何耦合至外部设备的示例；
-图5示出了本发明的一个示例提供的时序图；
-图6示出了本发明的一个示例提供的时序图；
-图7示出了本发明的一个示例提供的时序图；
-图8示出了本发明的一个示例提供的DC-DC转换器的系统概览图；
-图9示出了本发明的另一个示例提供的具有三端口拓扑的DC-DC转换器；
-图10示出了本发明的另一个示例提供的具有三端口拓扑的DC-DC转换器；
-图11示出了本发明的另一个示例提供的具有三端口拓扑的DC-DC转换器。
具体实施方式
用于DC-DC转换器的所谓的相移全桥(phase shift full bridge，PSFB)拓扑因具有WIWO能力并且能够使用简单控制算法来控制此类PSFB转换器而被广泛应用于工业中。PSFB的反向操作是升压转换器，由变压器提供电流隔离。然而，这种PSFB转换器存在两个问题。
第一个问题是，在反向模式下工作时，升压转换器在稳态运行之前通常需要软启动阶段。对于输入和输出之间没有隔离的升压转换器，可以通过继电器和功率电阻轻松实现软启动功能。然而，由于存在隔离，即变压器，该方案不适用于隔离式升压转换器。
第二个问题是，当PSFB转换器在反向模式下工作时，它充当电流源转换器，例如由微控制器的误差或转换器的其它控制机制诱发。存储的能量可能会导致转换器的开关两端出现过电压，从而损坏转换器的开关元件。
因此，本文公开了可解决上述问题的两端口和三端口DC-DC转换器拓扑。本发明提供的两端口DC-DC转换器和三端口DC-DC转换器分别适用于电力调节系统的WIWO电压的两端口双向DC-DC转换和三端口双向DC-DC转换等。所公开的DC-DC转换器可用于许多应用，例如电动汽车(electrical vehicle，EV)、车载充电器(on board charger，OBC)或者需要两端口或三端口双向DC-DC电力转换的任何其它应用。
图1示出了本发明的一个示例提供的具有两端口拓扑的DC-DC转换器100。DC-DC转换器100包括：第一端口P1，用于耦合至DC总线202；第二端口P2，用于耦合至第一电池204。因此，DC-DC转换器100用于耦合在DC总线202和第一电池204之间，并且可以在DC总线202和第一电池204之间执行双向电力转换。DC-DC转换器100可以作为降压/升压转换器工作。
参考图1，第一端口P1包括：第一侧S1P1，用于耦合至DC总线202；第二侧S2P1，耦合至第一全桥150。第一全桥150包括第一开关M1、第二开关M2、第三开关M3和第四开关M4。
DC-DC转换器100还包括变压器Tr，变压器Tr包括：一次绕组PW，耦合至第一全桥150；二次绕组，耦合至第二全桥160。第二全桥160包括第五开关M5、第六开关M6、第七开关M7和第八开关M8。
第二端口P2包括：第一侧S1P2，耦合至第二全桥160；第二侧S2P2，用于耦合至第一电池204。在图1中，第二端口P2的上侧为第二端口P2的第一耦合点C1P2，下侧为第二端口P2的第二耦合点C2P2。
第一全桥150具有四个连接/耦合点/节点，即152、154、156和158，并且可以通过以下方式耦合在第一端口P1的第二侧S2P1和变压器Tr的一次绕组PW之间：
·第一全桥150的第一连接点152耦合至第一端口P1的第一耦合点C1P1，而第一全桥150的第二连接点154耦合至第一端口P1的第二耦合点C2P1。
·第一全桥150的第三连接点156连接至变压器Tr的一次绕组PW的第一连接点180，而第一全桥150的第四连接点158耦合至变压器Tr的一次绕组PW的第二连接点182。
·在第一全桥150中，第一开关M1耦合在第一连接点152和第三连接点156之间，第二开关M2耦合在第二连接点154和第三连接点156之间，第三开关M3耦合在第一连接点152和第四连接点158之间，第四开关M4耦合在第二连接点154和第四连接点158之间。
第二全桥160也具有四个连接/耦合点，即162、164、166和168，并且通过以下方式耦合在变压器Tr的二次绕组SW和第二端口P2的第一侧S1P2之间：
·第二全桥160的第一连接点162耦合/连接至变压器Tr的二次绕组SW的第一连接点184，而第二全桥160的第二连接点164耦合至变压器Tr的二次绕组SW的第二连接点186。
·第二全桥160的第三连接点166耦合至第二端口P2的第一侧S1P2的高压侧，而第二全桥160的第四连接点168耦合至第二端口P2的第一侧S1P2的低压侧。
·在第二全桥160中，第五开关M5耦合在第一连接点162和第三连接点166之间，第六开关M6耦合在第一连接点162和第四连接点168之间，第七开关M7耦合在第二连接点164和第三连接点166之间，第八开关M8耦合在第二连接点164和第四连接点168之间。
DC-DC转换器100还包括：第一电感L1，耦合在第二全桥160和第二端口P2的第一侧S1P2之间。第一电感L1用作第二端口P2的可控输出滤波器。在图1中，第一电感L1耦合在第二全桥160的第三连接点166和第二端口P2的第一侧S1P2的上侧之间。因此，在该示例中，第一电感L1耦合至第二端口P2的上侧，在图1中，该上侧是高压(high voltage，HV)侧。然而，在各示例中，第一电感L1可以替代地耦合至第二端口P2的下侧，如稍后结合图8至图10所描述的。
DC-DC转换器100还包括：第一续流电路110，形成通过第一电感L1的电流路径的替代电流路径。第一续流电路110的功能是在斜坡上升期间(即在达到稳态之前)执行环路操作。第一续流电路110包括与第九开关M9串联耦合的第一二极管D1。第一续流电路110与第一电感L1并联耦合在第二全桥160和第二端口P2的第一侧S1P2之间。在图1所示的示例中，这意味着第一续流电路110耦合在第一续流电路110的第一连接点112和第二连接点114之间，而第一连接点112耦合至第二全桥160的第三连接点166，第二连接点114耦合至第二端口P2的第一侧S1P2的上侧。
在本发明的示例中，DC-DC转换器100还包括：第一保护电路120，用于保护第二全桥160的开关(M5、M6、M7、M8)免受因存储在第一电感L1中的能量等引起的过电压或过电流的影响，并在发生电源故障时释放。第一保护电路120可以耦合在第二全桥160和第二端口P2的第一侧S1P2之间，并与第二全桥160并联。参考图1，第一保护电路120可以具有第一连接点122和第二连接点124，其中，第一连接点122耦合至第二全桥160的第三连接点166，第二连接点124耦合至第二全桥160的第四连接点168。
在本发明的示例中，第一保护电路120可以包括第一稳压二极管Z1和第二稳压二极管Z2，第一稳压二极管Z1和第二稳压二极管Z2彼此串联且以相反方向耦合，如图1所示。或者，第一保护电路120可以包括第一压敏电阻，但是图中未示出所述第一压敏电阻。所述第一稳压二极管和所述第二稳压二极管以及所述第一压敏电阻的额定电压应小于开关(M5、M6、M7、M8)的额定电压。
图2示出了本发明的一个示例提供的具有两端口拓扑的DC-DC转换器100，其中，DC-DC转换器100包括箝位电路140。除结合图1所示的DC-DC转换器100描述的部件之外，图2所示的DC-DC转换器100还包括箝位电路140。箝位电路140包括第一箝位二极管DClamp1、第二箝位二极管DClamp2和箝位电感LClamp，其中，第一箝位二极管DClamp1、第二箝位二极管DClamp2和箝位电感LClamp耦合在第一全桥150和变压器Tr的一次绕组PW之间。
参考图2，第一箝位二极管DClamp1可以耦合在第一全桥150的第一连接点152和变压器Tr的一次绕组PW的上侧之间，第二箝位二极管DClamp2可以耦合在第一全桥150的第二连接点154和变压器Tr的一次绕组PW的下侧之间，箝位电感LClamp可以耦合在第一全桥150的第四连接点158和变压器Tr的一次绕组PW的下侧之间。
箝位电路140的功能是降低开关M5和M8上的过冲电压。
图3示出了本发明的一个示例提供的具有三端口拓扑的DC-DC转换器100。因此，DC-DC转换器100还包括第三端口P3，第三端口P3包括：第一侧S1P3，通过其第一连接点C1P3和第二连接点C2P3耦合至Y电路170；第二侧S2P3，用于耦合至第二电池206(如图4所示)。Y电路170耦合至变压器Tr的中心抽头绕组CTW，并且包括第十一开关M11、第十二开关M12和第十三开关M13。
在本发明的示例中，每个开关的源极引脚或发射极引脚耦合至Y电路170的公共节点N，并且公共节点N耦合至中心抽头绕组CTW的第一连接点190。此外，Y电路170的第一连接点172耦合至中心抽头绕组CTW的第二连接点192，Y电路170的第二连接点174耦合至变压器Tr的中心抽头绕组CTW的第三连接点194，而Y电路170的第三连接点176耦合至第三端口P3的第二连接点C2P3，如图3所示。
Y电路170与第三二极管D3和第二电感L2共同的功能是形成本地降压转换器，并且当第三端口P3配置为输出端口时，能够控制第三端口P3的输出电压。
DC-DC转换器100还包括：第二电感L2，耦合在Y电路170和第三端口P3的第一连接点C1P3之间；第二续流电路110′，包括与第十开关M10串联耦合的第二二极管D2。第二续流电路110′与第二电感L2并联耦合在Y电路170和第三端口P3的第一侧S1P3之间。
在图3所示的示例中，这意味着第二续流电路110′耦合在第二续流电路110′的第一连接点112′和第二连接点114′之间，而第一连接点112′耦合至变压器Tr的中心抽头绕组CTW的中心，第二连接点114′耦合至第三端口P3的第一侧S1P3的上侧。第二电感L2和第二续流电路110′也可以位于其它位置，如下面结合图8至图10进一步描述的。
以与第一续流电路110类似的方式，第二续流电路110′形成替代电流路径。在这种情况下，是通过第二电感L2的电流路径的替代电流路径。
在本发明的示例中，图3所示的三端口拓扑还包括：第二保护电路120′，耦合在Y电路170和第三端口P3的第一侧S1P3之间。当第三端口P3作为输入端口工作时，第二保护电路120′可以充当续流电路。因此，保护Y电路170免受因存储在第二电感L2中的能量引起的过电压或过电流等的影响，并在发生电源故障时释放。第二保护电路120′中的组件的额定电压应小于开关M11和M12的额定电压。
参考图3，第二保护电路120′可以具有第一连接点122′和第二连接点124′，其中，第一连接点122′耦合至变压器Tr的中心抽头绕组CTW的中心，第二连接点124′耦合至Y电路170的第三连接点176。第二保护电路120′可以包括第三稳压二极管Z3和第四稳压二极管Z4，第三稳压二极管Z3和第四稳压二极管Z4彼此串联且以相反方向耦合，如图3所示。或者，第二保护电路120′可以包括第二压敏电阻(图中未示出)。
具有三端口拓扑的DC-DC转换器100还可以包括：续流二极管D3，与第二保护电路120′并联耦合，并在第三端口P3作为输出端口工作时形成续流路径。因此，当电流从第一端口P1流向第三端口P3或从第二端口P2流向第三端口P3时，续流二极管D3可以充当续流二极管，因为当开关M12关断时，第二电感L2的电流将流经续流二极管D3而不是流经开关M12。续流二极管D3与第二保护电路120′并联耦合，因此可以耦合在第二保护电路120′的第一连接点122′和第二连接点124′之间，如图3所示。
应注意的是，图3所示的三端口拓扑还包括可选箝位电路140，例如图2中公开和前面解释的箝位电路140，但不限于此。此外，DC-DC转换器100的上述示例中的任一个可以包括一个或多个箝位电路140，以及一个或多个第一保护电路120和/或第二保护电路120′。
图4示出了DC-DC转换器100如何耦合至不同外部设备的非限制性示例。在一般情况下，DC-DC转换器100包括：第一端口P1，用于耦合至DC总线202；第二端口P2，用于耦合至第一电池204。例如，第一电池204可以为高压电池。DC-DC转换器100可以在电流从第一端口P1流向第二端口P2的正向模式下工作。DC-DC转换器100还可以在电流沿相反方向流动(即从第二端口P2流向第一端口P1)的反向模式下工作。
在示例中，DC-DC转换器100还包括如前所述的第三端口P3。第三端口P3用于耦合至第二电池206。因此，DC-DC转换器100还可以在电流沿从第三端口P3到第一端口P1的方向流动的第二反向模式下工作。然而，电流也可以从第二端口P2流向第三端口P3或从第三端口P3流向第二端口P2。
当DC-DC转换器100包括耦合至第二电池206的第三端口P3时，第一电池204可以为高压电池，第二电池206可以为低压电池。例如，高压在本文中可以指高于100V的电压，低压可以指低于100V的电压。另外，可以采用其它值来定义高压和低压，并且这些值包含在本发明的范围内。
现在将结合图5和图6描述与两端口和三端口DC-DC转换器100在正向模式和反向模式下的工作相关的进一步细节。
具有两端口拓扑的DC-DC转换器100可以在第一反向模式BM1下工作，在该模式下能量从第二端口P2传输到第一端口P1，即电流方向为从第二端口P2到第一端口P1。当DC-DC转换器100在电流方向为从第二端口P2到第一端口P1的第一反向模式BM1下工作时，DC-DC转换器100可以用于：
i)在第九开关M9的饱和区操作第九开关M9；
ii)在第一时间段内导通第五开关M5和第八开关M8，
iii)在所述第一时间段之后的第二时间段内关断第五开关M5、第六开关M6、第七开关
M7和第八开关M8，
iv)在所述第二时间段之后的第三时间段内导通第六开关M6和第七开关M7，
v)在所述第三时间段之后的第四时间段内关断第五开关M5、第六开关M6、第七开关M7和第八开关M8；
重复ii)至v)，直到DC总线202处的电压等于或高于第一阈值电压。
本发明中的开关或开关元件可以是硅金属氧化物半导体场效应晶体管(metaloxid semiconductor field effect transistor，MOSFET)、碳化硅MOSFET、绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)和氮化镓功率晶体管等。因此，开关在其饱和区工作是本领域技术人员所熟知的。
在第一反向模式BM1下，DC-DC转换器100以软启动程序工作。通过DC-DC转换器100的软启动程序，在稳态运行之前，第一端口P1处的电压可以充电至与第二端口P2处的第一阈值电压相同或大致相同的电压，即第一端口P1的电容从零电压充电至与第二端口P2处的第一阈值电压相同或大致相同的电压。因此，可以避免涌入第一端口P1的浪涌电流，浪涌电流会损坏或破坏第一端口P1。第一阈值电压的值可以通过以下等式得出：
第一阈值电压＝V2/N2*N1
其中，V2是第二端口P2处的电池电压，N1是一次绕组的绕组数，N2是二次绕组的绕组数。
在软启动程序期间，第九开关M9在步骤i)中处于半导通状态，即在其饱和区工作。因此，为第一电感L1电流提供了续流路径，第一电感L1被去磁。第一全桥150的开关(M1、M2、M3、M4)在软启动期间关断，并且仅通过它们各自的体二极管传导电流。
图5示出了在第一反向模式BM1下工作的DC-DC转换器100的时序图，其中，DC-DC转换器100具有图2所示的包括箝位电路140的两端口拓扑。在图5中，示出了第二全桥160的开关(M5、M6、M7、M8)和第九开关M9的栅极控制信号，以及第一电感L1、第一二极管D1和变压器Tr的二次绕组SW(在图5中表示为变压器P2侧绕组)的电流。
如图5所示，在第一时间实例T1和第二时间实例T2之间的第一时间间隔内，第五开关M5和第八开关M8均导通，该步骤对应于上述步骤ii)。电流流经第一电感L1、第五开关M5、第八开关M8和变压器Tr的二次绕组SW，能量通过第一开关M1的体二极管、第二箝位二极管DClamp2和变压器Tr的一次绕组PW传输到第一端口P1。
在第二时间实例T2和第三时间实例T3之间的第二时间间隔内，第五开关M5至第八开关M8均关断，对应于步骤iii)。电流流经第一续流电路110的续流电流路径，即流经第一二极管D1和第九开关M9。该步骤(即步骤iii))旨在使第一电感L1去磁，即减小第一电感L1的电流。
在第三时间实例T3和第四时间实例T4之间的第三时间间隔内，第六开关M6至第七开关M7均导通，对应于步骤iv)。电流流经第一电感L1、变压器Tr的二次绕组SW、第六开关M6和第七开关M7。能量通过开关M2的体二极管、第一箝位二极管DClamp1和变压器Tr的一次绕组PW传输到第一端口P1。
在第四时间实例T4之后，第五开关M5至第八开关M8在第四时间间隔之前再次关断，然后再次导通第五开关M5和第八开关M8。在第四时间间隔内，电流流经第一续流电路110的续流电流路径，即流经第一二极管D1和第九开关M9。重复该程序，直到第一端口P1的电压在第一阈值电压内。
具有三端口拓扑的DC-DC转换器100可以在电流方向为从第一端口P1到第二端口P2和第三端口P3的正向模式下工作。
此外，第一全桥150的开关(M1、M2、M3、M4)可以通过第一开关M1、第二开关M2、第三开关M3和第四开关M4的控制信号等进行相移控制，其中，第一开关M1和第二开关M2的控制信号彼此反相，第三开关M3和第四开关M4的控制信号也彼此反相。第二端口P2的输出电压可以通过改变第一开关M1和第三开关M3的栅极控制信号之间的相移角来调制。在正向模式下，第二全桥160的开关(M5、M6、M7、M8)在同步整流模式下工作。
第三端口P3的输出电压可以通过改变第十二开关M12的占空比来调制，并且第一开关M1和第十二开关M12的控制信号同步，使得这两个开关同时导通。第十一开关M11和第十三开关M13在同步整流模式下工作。
不同端口(P1、P2、P3)的电压关系可表示为：
V1是根据以下等式得出的第一端口P1的电压：
Figure BDA0003838961090000091
V2是根据以下等式得出的第二端口P2的电压：
Figure BDA0003838961090000092
V1是根据以下等式得出的第一端口P1的电压：
Figure BDA0003838961090000093
V3是根据以下等式得出的第三端口P3的电压：
Figure BDA0003838961090000094
其中，V1是第一端口P1的电压，V2是第二端口P2的电压，V3是第三端口P3的电压，N1是一次绕组PW的绕组数，N2是二次绕组SW的绕组数，N3是中心抽头绕组CTW的绕组数，Peff是有效相移角，DM12是开关M12的占空比，D是开关M5至M8或开关M11和M13的占空比。
具有三端口拓扑的DC-DC转换器100可以在电流方向为从第三端口P3到第一端口P1的第二反向模式BM2下工作。当DC-DC转换器100在电流方向为从第三端口P3到第一端口P1的第二反向模式BM2下工作时，DC-DC转换器100可以用于：
i)控制第十开关M10在其饱和区工作，
ii)导通第十二开关M12；
iii)在第一时间段内导通第十一开关M11，
iv)在所述第一时间段之后的第二时间段内关断第十一开关M11和第十三开关M13，
v)在所述第二时间段之后的第三时间段内导通第十三开关M13，
vi)在所述第三时间段之后的第四时间段内关断第十一开关M11和第十三开关M13；
重复步骤iii)至vi)，直到DC总线202处的电压等于或高于第二阈值电压。
图6示出了开关(M11、M12、M13)以及第二电感L2、第二二极管和中心抽头绕组的电流的时序图。在第二反向模式BW2模式期间，控制开关M10以在其饱和区工作，并且开关M12一直导通。在第一时间实例T1和第二时间实例T2之间的时间间隔内，开关M11导通，在此时间间隔内第三端口P3处的电流通过第二电感L2以及开关M11和M12传导，并且在第一端口P1处，电流通过开关M3和M2的体二极管馈入P1的输入电容器。开关M11在第二时间实例T2时关断，并且在第二时间实例T2和第三时间实例T3之间的时间间隔内，第三端口P3处的电流流经第二电感L2、第二二极管D2和开关M10。在第三时间实例T3和第四时间实例T4之间的时间间隔内，开关M13导通，第三端口P3处的电流路径通过第二电感L2以及开关M13和M12导通，并且第一端口P1处的电流通过开关M1和M4的体二极管流入第一端口P1的电容器。开关M13在第四时间实例T4时关断，并且在第四时间实例T4之后，端口侧的电流通过第二电感L2、第二二极管D2和第十开关M10传导。重复这些程序，直到DC总线202处的电压等于或高于第二阈值电压。第二阈值电压的值可以通过以下等式得出：
第二阈值电压＝V3/N3*N1
其中，V3是第三端口P3处的电池电压，N1是一次绕组的绕组数，N3是中心抽头绕组CTW的绕组数。
具有三端口拓扑的DC-DC转换器100还可以在电流方向为从第二端口到第一端口P1和第三端口P3的第三反向模式BM3下工作。图7示出了在第三反向模式BM3下工作的DC-DC转换器100的时序图。在图7中，示出了开关M1至M8和M12的栅极控制信号，以及第一电感L1和第二电感L2的电流。
在第三反向模式BM3下，第九开关M9和第十开关M10关断，这在图7中未示出。
在第一时间实例T1和第二时间实例T2之间的第一时间间隔内，第二全桥160的开关(M5、M6、M7、M8)导通，变压器Tr的二次绕组SW短路。第一电感L1的电流在所述第一时间间隔内增加，如图7所示。
在第二时间实例时，第五开关M5和第八开关M8关断。电流开始流经变压器Tr的二次绕组SW，能量通过变压器Tr的一次绕组PW以及第一开关M1和第四开关M4传输到第一端口P1。第一开关M1和第四开关M4在第三时间实例T3和第六时间实例T6之间导通，以具有同步整流并降低损耗。在第六时间实例T6时，第一电感L1电流被控制在零以下。
在第五开关M5和第八开关M8在第七时间实例T7时导通之前，第一开关M1和第四开关M4在第六时间实例T6时再次关断。当第一开关M1和第四开关M4关断时，在第六时间实例T6时，电流被迫停止通过变压器Tr的一次绕组PW和二次绕组SW传导。因此，在第六时间实例T6和第七时间实例T7之间，电流开始流经第五开关M5和第八开关M8的体二极管。在第七时间实例T7时，第五开关M5和第八开关M8因此都在零电压下导通并且没有导通损耗。
由于电感电流呈三角形，因此第二电感L2电流的下边界低于零，以便能够在第五开关M5和第八开关M8导通时实现零电压，这一点非常重要。这种保持电流下边界低于零的调制称为三角电流调制(triangular current modulation，TCM)，在示例中可以包括：
·开关M5和M8的栅极信号相同，开关M6和M7的栅极信号相同，但是相对于开关M5和M8的栅极信号相移180度。开关(M5、M6、M7、M8)的占空比大于0.5。
·第三端口P3的电压和电流调制通过控制第十二开关M12的占空比来完成。
·电流的下边界被控制在零以下，例如-3A。
·在导通第五开关M5和第八开关M8之前，先关断第一开关M1和第四开关M4，以实现第五开关M5和第八开关M8的零电压导通。
为了能够控制第二电感L2电流的下边界，可以将基于低电流边界控制器的附加控制回路添加到控制回路中。所述低电流边界控制器的输入可以是测量的低电流边界值，所述低电流边界控制器的输出可以是本转换器的所述开关的开关频率。所述测量的低电流边界值可以通过一个或多个电流传感器获得。
因此，在本发明的示例中，DC-DC转换器100还可以包括：一个或多个电流传感器，所述电流传感器可以用于控制回路中，以控制第一电感L1和/或第二电感L2的低电流边界值。因此，DC-DC转换器100还可以包括以下组件中的至少一个：第一电流传感器180，耦合在第二全桥160和第二端口P2的第一侧S1P2之间，并且用于提供第一组测量电流值；第二电流传感器180′，耦合在Y电路170和第三端口P3的第一侧S1P3之间，并且用于提供第二组测量电流值；控制器130，用于根据所述第一组测量电流值和所述第二组测量电流值中的至少一个来控制DC-DC转换器100的所述开关。
图8示出了本发明的一个示例提供的具有第一电流传感器180和第二电流传感器180′的三端口DC-DC转换器100。第一电流传感器180耦合在第二全桥160和第二端口P2的第一侧S1P2之间，例如，耦合在第二全桥160的第四连接点168和第二端口P2的第一侧S1P2的下侧之间。第二电流传感器180′耦合在Y电路170和第三端口P3的第一侧S1P3之间，例如，耦合在Y电路170的第三连接点176和第三端口P3的第一侧S1P3的下侧之间。
第一电流传感器180和第二电流传感器180′分别向低电流边界控制器132提供第一组测量电流值和第二组测量电流值。控制器132用于根据从电流传感器180和180′接收的所述第一组测量电流值和所述第二组测量电流值确定DC-DC转换器100的所述开关的开关频率。所述开关频率提供给控制器130，控制器130通过向所述开关的晶体管栅极提供栅极控制信号来控制DC-DC转换器100的所述开关。通过这种方式，控制器130可以根据所述第一组测量电流值和所述第二组测量电流值控制DC-DC转换器100的所述开关。
应该认识到，前面讨论的DC-DC转换器100的两端口和三端口拓扑可以在本发明的范围内变化。因此，在以下公开中，给出了示例性三端口拓扑的非限制性示例。
在图9中，与之前所示的拓扑相比，第一电感L1和第一续流电路110(第一二极管D1和第九开关M9)的位置发生了改变。在图9所示的示例中，第一电感L1和第一续流电路110连接到第二端口P2的低压侧。然而，就其功能而言，这种修改被视为图3所示的电路的等效电路。
在图10中，与之前所示的拓扑相比，第二电感L2和第二续流电路110′(第二二极管D2和第十开关M10)的位置发生了改变。在图10所示的示例中，第二电感L2和第二续流电路110′连接到第三端口P3的低压侧。然而，就其功能而言，这种修改也被视为图3所示的电路的等效电路。
在图11中，与之前所示的拓扑相比，第一电感L1、第二电感L2、第一续流电路110和第二续流电路110′的位置发生了改变。在图11所示的示例中，所述组件和电路分别耦合至第二端口P2和第三端口P3的低压侧。然而，就其功能而言，这种修改也被视为图3所示的电路的等效电路。
最后需要说明的是，图8至图10所示的三端口拓扑可以包括上述第一保护电路120、第二保护电路120′、箝位电路140和续流二极管D3中的一个或多个。
例如，控制器130和低电流边界控制器132的处理器可以包括中央处理器(CentralProcessing Unit，CPU)、处理单元、处理电路、处理器、专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuit，ASIC)、微处理器或可以解释和执行指令的其它处理逻辑的一个或多个实例。因此，术语“处理器”可以表示包括多个处理电路的处理电路，例如以上列举项中的任何、一些或所有项。所述处理电路还可以执行用于输入、输出以及处理数据的数据处理功能，所述数据处理功能包括数据缓冲和设备控制功能，例如呼叫处理控制、用户界面控制等。
最后，应当理解的是，本发明并不局限于上述示例，而是同时涉及且并入所附独立权利要求书的范围内的所有示例。

Claims (14)

1.一种DC-DC转换器(100)，其特征在于，包括：
第一端口(P1)，包括：第一侧(S1P1)，用于耦合至DC总线(202)；第二侧(S2P1)，耦合至第一全桥(M1、M2、M3、M4)，其中，所述第一全桥(M1、M2、M3、M4)包括第一开关(M1)、第二开关(M2)、第三开关(M3)和第四开关(M4)；
变压器(Tr)，包括：一次绕组(PW)，耦合至所述第一全桥(M1、M2、M3、M4)；二次绕组(SW)，耦合至第二全桥(M5、M6、M7、M8)，其中，所述第二全桥(M5、M6、M7、M8)包括第五开关(M5)、第六开关(M6)、第七开关(M7)和第八开关(M8)；
第二端口(P2)，包括：第一侧(S1P2)，耦合至所述第二全桥(M5、M6、M7、M8)；第二侧(S2P2)，用于耦合至第一电池(204)；
第一电感(L1)，耦合在所述第二全桥(M5、M6、M7、M8)和所述第二端口(P2)的所述第一侧(S1P2)之间；
第一续流电路(110)，包括与第九开关(M9)串联耦合的第一二极管(D1)，其中，所述第一续流电路(110)与所述第一电感(L1)并联耦合在所述第二全桥(M5、M6、M7、M8)和所述第二端口(P2)的所述第一侧(S1P2)之间。
2.根据权利要求1所述的DC-DC转换器(100)，其特征在于，用于在电流方向为从所述第二端口(P2)到所述第一端口(P1)的第一反向模式(BM1)下工作时：
i)在所述第九开关(M9)的饱和区操作所述第九开关(M9)；
ii)在第一时间段内导通所述第五开关(M5)和所述第八开关(M8)，
iii)在所述第一时间段之后的第二时间段内关断所述第五开关(M5)、所述第六开关(M6)、所述第七开关(M7)和所述第八开关(M8)，
iv)在所述第二时间段之后的第三时间段内导通所述第六开关(M6)和所述第七开关(M7)，
v)在所述第三时间段之后的第四时间段内关断所述第五开关(M5)、所述第六开关(M6)、所述第七开关(M7)和所述第八开关(M8)；
重复ii)至v)，直到所述DC总线(202)处的电压等于或高于第一阈值电压。
3.根据权利要求1或2所述的DC-DC转换器(100)，其特征在于，还包括：
第一保护电路(120)，耦合在所述第二全桥(M5、M6、M7、M8)和所述第二端口(P2)的所述第一侧(S1P2)之间，并与所述第二全桥(M5、M6、M7、M8)并联。
4.根据权利要求3所述的DC-DC转换器(100)，其特征在于，所述第一保护电路(120)包括：
第一稳压二极管(Z1)和第二稳压二极管(Z2)，所述第一稳压二极管(Z1)和所述第二稳压二极管(Z2)彼此串联且以相反方向耦合；或
第一压敏电阻。
5.根据上述权利要求中任一项所述的DC-DC转换器(100)，其特征在于，还包括：
第三端口(P3)，包括：第一侧(S1P3)，耦合至Y电路(M11、M12、M13)；第二侧(S2P3)，用于耦合至第二电池(206)，其中，所述Y电路(M11、M12、M13)耦合至所述变压器(Tr)的中心抽头绕组(CTW)，并且包括第十一开关(M11)、第十二开关(M12)和第十三开关(M13)。
6.根据权利要求5所述的DC-DC转换器(100)，其特征在于，所述每个开关的源极引脚或发射极引脚耦合至所述Y电路(M11、M12、M13)的公共节点(N)。
7.根据权利要求5或6所述的DC-DC转换器(100)，其特征在于，所述第一电池(204)为高压电池，所述第二电池(206)为低压电池。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的DC-DC转换器(100)，其特征在于，还包括：
第二电感(L2)，耦合在所述Y电路(M11、M12、M13)和所述第三端口(P3)的所述第一侧(S1P3)之间；
第二续流电路(110′)，包括与第十开关(M10)串联耦合的第二二极管(D2)，其中，所述第二续流电路(110′)与所述第二电感(L2)并联耦合在所述Y电路(M11、M12、M13)和所述第三端口(P3)的所述第一侧(S1P3)之间。
9.根据权利要求8所述的DC-DC转换器(100)，其特征在于，用于在电流方向为从所述第三端口(P3)到所述第一端口(P1)的第二反向模式(BM2)下工作时：
i)控制所述第十开关(M10)在其饱和区工作，
ii)导通所述第十二开关(M12)；
iii)在第一时间段内导通所述第十一开关(M11)，
iv)在所述第一时间段之后的第二时间段内关断所述第十一开关(M11)和所述第十三开关(M13)，
v)在所述第二时间段之后的第三时间段内导通所述第十三开关(M13)，
vi)在所述第三时间段之后的第四时间段内关断所述第十一开关(M11)和所述第十三开关(M13)；
重复iii)至vi)，直到所述DC总线(202)处的电压等于或高于第二阈值电压。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的DC-DC转换器(100)，其特征在于，还包括：
第二保护电路(120′)，耦合在所述Y电路(M11、M12、M13)和所述第三端口(P3)的所述第一侧(S1P3)之间。
11.根据权利要求10所述的DC-DC转换器(100)，其特征在于，所述第二保护电路(120′)包括：
第三稳压二极管(Z3)和第四稳压二极管(Z4)，所述第三稳压二极管(Z3)和所述第四稳压二极管(Z4)彼此串联且以相反方向耦合；或
第二压敏电阻。
12.根据权利要求10或11所述的DC-DC转换器(100)，其特征在于，还包括：
续流二极管(D3)，与所述第二保护电路(120′)并联耦合，并在所述第三端口(P3)作为输出端口工作时形成续流路径。
13.根据上述权利要求中任一项所述的DC-DC转换器(100)，其特征在于，还包括以下组件中的至少一个：
第一电流传感器(120)，耦合在所述第二全桥(M5、M6、M7、M8)和所述第二端口(P2)的所述第一侧(S1P2)之间，并且用于提供第一组测量电流值；
第二电流传感器(120′)，耦合在所述Y电路(M11、M12、M13)和所述第三端口(P3)的所述第一侧(S1P3)之间，并且用于提供第二组测量电流值；
控制器(130)，用于根据所述第一组测量电流值和所述第二组测量电流值中的至少一个来控制所述DC-DC转换器(100)的所述开关。
14.根据上述权利要求中任一项所述的DC-DC转换器(100)，其特征在于，还包括：
箝位电路(140)，包括第一箝位二极管(DClamp1)、第二箝位二极管(DClamp2)和箝位电感(LClamp)，其中，所述第一箝位二极管(DClamp1)、所述第二箝位二极管(DClamp2)和所述箝位电感(LClamp)耦合在所述第一全桥(M1、M2、M3、M4)和所述变压器(Tr)的所述一次绕组(PW)之间。
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