CN207926446U - 一种dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本申请实施方式公开了一种DC‑DC变换器，包括：直流母线电容、原边H桥电路、谐振单元、副边桥臂电路和滤波电容；其中，直流母线电容与原边H桥电路并联，原边H桥电路的输出端口与谐振单元的一端相连，谐振单元的另一端与副边桥臂电路的输出端口相连，副边桥臂电路与滤波电容并联；副边桥臂电路包括第一切换部件、第二切换部件、第一整流电路桥臂、第二整流电路桥臂和第三整流电路桥臂；其中，通过控制第一切换部件和第二切换部件，使得第一整流电路桥臂、第二整流电路桥臂均工作，第三整流电路桥臂不工作；或者使得第一整流电路桥臂、第三整流电路桥臂均工作，第二整流电路桥臂不工作。

Description

一种DC-DC变换器

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，特别涉及一种DC-DC变换器。

背景技术

出于能源紧张和环境保护的需求，市场上电动汽车越来越多。汽车由内燃机驱动转变为电驱动，最明显的变化就是发动机和油箱分别被电机和电池取代了，同时随之而来的是其他辅助器件的增加。比如：增加了车载充电器(On-board charger)为电池充电。对于多数电动汽车用户来说，在家或是在公司进行目的地充电应该是更常用，也是更理想的方式，这样可以免去频繁跑直流充电站的烦恼。而车载充电器是完成将交流电转换为电池所需的直流电，并决定了充电功率和效率的关键部件。

不同的车载电池具有不同的充放电电压范围，而市场上大部分的车载充电器的直流输出范围都比较窄，在150V～200V之间，一台车载充电器很难满足不同车载电池的充电需求。此外，这种车载充电器对于用户在特殊情况下由于放电而造成的电池电压过低也不能正常工作。若车载充电器能适当拓展直流输出电压范围，而不降低性能，会有助于扩展车载充电器的应用范围。

通常在充电器电路拓扑中会包含AC-DC和DC-DC变换，即先将交流市电AC转换成一定电压范围的直流电DC，然后再将直流电DC通过电隔离器件(通常为变压器)转换成动力电池所需要的直流电DC，向车载电池充电。在后级DC-DC变换中，为了获得更好的性能，如效率，通常采用LLC谐振电路，而此种电路的缺点是输出电压范围比较窄，虽然可以通过控制手段适当拓宽输出电压范围，但其性能也会相应降低。

实用新型内容

本申请实施方式的目的是提供一种DC-DC变换器，在不降低性能的情况下使得能够输出具有宽范围的电压。

为实现上述目的，本申请实施方式提供一种DC-DC变换器，包括：直流母线电容、原边H桥电路、谐振单元、副边桥臂电路和滤波电容；其中，所述直流母线电容与所述原边H桥电路并联，所述原边H桥电路的输出端口与所述谐振单元的一端相连，所述谐振单元的另一端与所述副边桥臂电路的输出端口相连，所述副边桥臂电路与所述滤波电容并联；所述副边桥臂电路包括第一切换部件、第二切换部件、第一整流电路桥臂、第二整流电路桥臂和第三整流电路桥臂；其中，

通过控制所述第一切换部件和所述第二切换部件，使得所述第一整流电路桥臂、所述第二整流电路桥臂均工作，所述第三整流电路桥臂不工作；或者使得所述第一整流电路桥臂、第三整流电路桥臂均工作，所述第二整流电路桥臂不工作。

优选地，所述第一切换部件/第二切换部件为MOS管、MOSFET管、IGBT管、GaN管或SiC管。

优选地，所述谐振单元中的变压器为抽头变压器。

优选地，所述第一切换部件、所述第二切换部件与所述第三整流电路桥臂上的开关器件相串联，且所述第一切换部件、所述第二切换部件均允许电流流通方向与所述第三整流电路桥臂上的开关器件允许电流流通方向相反；所述抽头变压器的第一抽头与所述第一整流电路桥臂的中点相连，所述抽头变压器的第二抽头与所述第二整流电路桥臂的中点相连，所述抽头变压器的第三抽头与所述第三整流电路桥臂的中点相连。

优选地，所述第一切换部件、所述第二切换部件分别置于所述第三整流电路桥臂的中点的两边；所述第三整流电路桥臂上的开关器件均匀置于所述第三整流电路桥臂的中点的两边。

优选地，所述抽头变压器的第一抽头与所述第一整流电路桥臂的中点相连，所述抽头变压器的第二抽头与所述第二整流电路桥臂的中点相连，所述抽头变压器的第三抽头与所述第一切换部件的一端相连，所述第一切换部件的另一端与所述第二切换部件的一端相连，所述第二切换部件的另一端与所述第三整流电路桥臂的中点相连；且，所述第一切换部件允许电流流通方向与所述第二切换部件允许电流流通方向相反。

优选地，所述第三整流电路桥臂上的开关器件均匀置于所述第三整流电路桥臂的中点的两边。

由上可见，与现有技术相比较，本技术方案将谐振变压器增加一个抽头，并改变DC-DC变换器中副边桥臂的电路结构来实现宽范围电压的输出，并且切换时实现电压平稳输出(如类似图4中A到B点，B到A点的切换)，减小切换时的电压纹波。因此，本技术方案在实现宽电压输出时工作变频范围不需要很宽，且工作效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施方式，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为车载充电机功能框图；

图2为DC-DC变换器拓扑连接示意图之一；

图3为DC-DC变换器拓扑连接示意图之二；

图4为DC-DC变换器输出特性曲线示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都应当属于本申请保护的范围。

常规下，车载充电机由AC-DC变换器和DC-DC变换器组成，车载充电机将交流市电通过AC-DC变换器转换成非隔离的直流电，然后再通过DC-DC变换器转换成具有电隔离的直流电对电池充电，为提高性能和隔离输出，DC-DC变换器通常采用LLC谐振电路，LLC谐振电路通常由电力半导体器件、电容以及电感、变压器及输出滤波器等组成。在充电过程中，通常通过变频率来调整直流输出电压。这种谐振式DC-DC变换器直流输出电压范围较窄，且电压调整范围越宽，频率变化范围也越宽，因此很难同时满足不同车载电池的充电需求。

基于此，本技术方案提供一种具有宽范围输出电压的DC-DC变换器，就是对DC-DC变换器的内部电路连接进行改进，使得DC-DC变换器可以将直流输出电压范围大大提高，从而满足更宽的电池电压充电需求。

将转换电路应用于车载充电机，结合附图说明本技术方案的工作原理。

如图1所示，为车载充电机功能框图。包括：交流接口、AC-DC变换器、DC-DC变换器、新能源汽车动力电池和车载充电机主控单元。其中，

车载充电机主控单元，根据接受的外部指令控制充电机运行；交流接口，充电时连接电网；AC-DC变换器，充电时作整流器运行，将交流电整流成直流电；DC-DC变换器，将AC-DC变换器输出的直流电转变为隔离的且电压可调的直流电；新能源汽车动力电池，接受DC-DC变换器输出的直流电。

如图2所示，为DC-DC变换器拓扑连接示意图之一。DC-DC变换器包括：包括：直流母线电容201、原边H桥电路202、谐振单元203、副边桥臂电路204和滤波电容205；其中，所述直流母线电容201与所述原边H桥电路202并联，所述原边H桥电路202的端口与所述谐振单元203的一端相连，所述谐振单元203的另一端与所述副边桥臂电路204的端口相连，所述副边桥臂电路204与所述滤波电容205并联；所述副边桥臂电路204包括第一切换部件Ts1、第二切换部件Ts2、第一整流电路桥臂、第二整流电路桥臂和第三整流电路桥臂。

通过控制所述第一切换部件Ts1和所述第二切换部件Ts2，使得所述第一整流电路桥臂、所述第二整流电路桥臂均工作，所述第三整流电路桥臂不工作；或者使得所述第一整流电路桥臂、第三整流电路桥臂均工作，所述第二整流电路桥臂不工作。

在本技术方案中，谐振单元203包括谐振电容Cr、电感(或谐振电感)Lr和变压器T。谐振电容Cr可以选用薄膜电容或瓷片电容等，防止变压器有直流偏置，在谐振电路里并参与谐振；电感(或谐振电感)Lr可以与变压器T做磁集成，在谐振电路里参与谐振；变压器T为抽头变压器，作用是进行电能隔离传输。

在本技术方案中，直流母线电容201可以选为电解电容、膜电容和瓷片电容等，用于直流电压滤波。

在本技术方案中，原边H桥电路202由开关器件T1～T4构成，开关器件T1～T4可以选用MOSFET、IGBT、GaN或SiC等器件。开关器件T1和开关器件T2串联，开关器件T3和开关器件T4串联，两个串联支路与直流母线电容201三条支路再并联一起。

在本技术方案中，滤波电容205为电池侧电容，用于电池侧直流电压滤波。

在本技术方案中，副边桥臂电路204包括第一切换部件Ts1、第二切换部件Ts2、第一整流电路桥臂、第二整流电路桥臂和第三整流电路桥臂；其中，通过控制所述第一切换部件Ts1和所述第二切换部件Ts2。第一整流电路桥臂由开关器件D1和开关器件D2串联而成，第二整流电路桥臂由开关器件D3和开关器件D4串联而成，第三整流电路桥臂由开关器件D5和开关器件D6串联而成。

在图2中，第一切换部件Ts1、第二切换部件Ts2与第三整流电路桥臂上的开关器件D5和开关器件D6相串联，且第一切换部件Ts1、第二切换部件Ts2均允许电流流通方向与第三整流电路桥臂上的开关器件D5和开关器件D6允许电流流通方向相反；抽头变压器的第一抽头与第一整流电路桥臂的中点相连，抽头变压器的第二抽头与第二整流电路桥臂的中点相连，抽头变压器的第三抽头与第三整流电路桥臂的中点相连。并且，第一切换部件Ts1、第二切换部件Ts2分别置于第三整流电路桥臂的中点的两边；第三整流电路桥臂上的开关器件均匀置于所述第三整流电路桥臂的中点的两边。

如图3所示，为DC-DC变换器拓扑连接示意图之二。DC-DC变换器包括：包括：直流母线电容301、原边H桥电路302、谐振单元303、副边桥臂电路304和滤波电容305；其中，所述直流母线电容301与所述原边H桥电路302并联，所述原边H桥电路302的端口与所述谐振单元303的一端相连，所述谐振单元303的另一端与所述副边桥臂电路304的端口相连，所述副边桥臂电路304与所述滤波电容305并联；所述副边桥臂电路304包括第一切换部件Ts1、第二切换部件Ts2、第一整流电路桥臂、第二整流电路桥臂和第三整流电路桥臂。

通过控制所述第一切换部件Ts1和所述第二切换部件Ts2，使得所述第一整流电路桥臂、所述第二整流电路桥臂均工作，所述第三整流电路桥臂不工作；或者使得所述第一整流电路桥臂、第三整流电路桥臂均工作，所述第二整流电路桥臂不工作。

在本技术方案中，谐振单元303包括谐振电容Cr、电感(或谐振电感)Lr和变压器T。谐振电容Cr可以选用薄膜电容或瓷片电容等，防止变压器有直流偏置，在谐振电路里并参与谐振；电感(或谐振电感)Lr可以与变压器T做磁集成，在谐振电路里参与谐振；变压器T为抽头变压器，作用是进行电能隔离传输。

在本技术方案中，直流母线电容301可以选为电解电容、膜电容和瓷片电容等，用于直流电压滤波。

在本技术方案中，原边H桥电路302由开关器件T1～T4构成，开关器件T1～T4可以选用MOSFET、IGBT、GaN或SiC等器件。开关器件T1和开关器件T2串联，开关器件T3和开关器件T4串联，两个串联支路与直流母线电容301三条支路再并联一起。

在本技术方案中，滤波电容305为电池侧电容，用于电池侧直流电压滤波。

在本技术方案中，副边桥臂电路304包括第一切换部件Ts1、第二切换部件Ts2、第一整流电路桥臂、第二整流电路桥臂和第三整流电路桥臂；其中，通过控制所述第一切换部件Ts1和所述第二切换部件Ts2。第一整流电路桥臂由开关器件D1和开关器件D2串联而成，第二整流电路桥臂由开关器件D3和开关器件D4串联而成，第三整流电路桥臂由开关器件D5和开关器件D6串联而成。

在图3中，所述抽头变压器的第一抽头与所述第一整流电路桥臂的中点相连，所述抽头变压器的第二抽头与所述第二整流电路桥臂的中点相连，所述抽头变压器的第三抽头与所述第一切换部件Ts1的一端相连，所述第一切换部件Ts1的另一端与所述第二切换部件Ts2的一端相连，所述第二切换部件Ts2的另一端与所述第三整流电路桥臂的中点相连；且，所述第一切换部件Ts1允许电流流通方向与所述第二切换部件Ts2允许电流流通方向相反。并且，第三整流电路桥臂上的开关器件均匀置于所述第三整流电路桥臂的中点的两边。

如图4所示，为DC-DC变换器电压输出特性曲线图。在实际中，设定抽头变压器原边线圈匝数为m；抽头变压器副边抽头1、2之间的匝数为n1，抽头2、3之间的匝数为n2。当第一切换部件Ts1、第二切换部件Ts2均开通，第一整流电路桥臂、第三整流电路桥臂均可以处于工作状态，第二整流电路桥臂不处于工作状态。此时变压器变比为m/(n1+n2)，对应图4中的曲线1。当第一切换部件Ts1、第二切换部件Ts2均关断，第一整流电路桥臂、第二整流电路桥臂均可以处于工作状态，第三整流电路桥臂不处于工作状态。此时变压器变比为m/n1，对应图4中的曲线2。经过对比可知，变压器变比发生变化来实现宽范围电压输出。

控制第一切换部件和第二切换部件时，当输出电压低于某值且工作频率高于图4中A点对应的电压频率时，同时封锁原边H桥电路和副边桥臂电路中第一切换部件Ts1和第二切换部件Ts2数个开关周期(比如：2个开关周期)，在封锁期间，设置原边H桥中开关管的开关频率为图4中B点的频率，并调整控制环路，然后打开原边H桥电路驱动；当输出电压高于某值且工作频率低于图4中B点的电压频率，同时封锁原边H桥电路数个开关周期(比如2个开关周期)，在封锁期间，设置原边H桥电路中开关管的开关频率为图4中A点的频率，并调整控制环路，然后打开原边H桥电路驱动和副边的第一切换部件、第二切换部件。图4中切换A、B点是在同一输出电压上，即切换前后能维持同样的输出电压，减小切换引起的电压波动。

在本技术方案中，第一切换部件/第二切换部件为MOS管、MOSFET管、IGBT管、GaN管或SiC管。开关器件D1～D6可以选用不同类型的的二极管，如快恢复二极管，SiC二极管等，也可以选用全控型开关器件如MOSFET等，还可以部分选用二极管，部分选用全控型开关器件，充电时将高频交流电整流成直流电对动力电池充电。

本技术方案将谐振变压器增加一个抽头，并改变DC-DC变换器的电路结构来实现宽范围电压的输出，并且切换时实现电压平稳输出(如类似图4中A到B点，B到A点的切换)，减小切换时的电压纹波。因此，本技术方案在实现宽电压输出时工作变频范围不需要很宽，且工作效率高。

虽然通过实施方式描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。

Claims (7)

1.一种DC-DC变换器，包括：直流母线电容、原边H桥电路、谐振单元、副边桥臂电路和滤波电容；其中，所述直流母线电容与所述原边H桥电路并联，所述原边H桥电路的输出端口与所述谐振单元的一端相连，所述谐振单元的另一端与所述副边桥臂电路的输出端口相连，所述副边桥臂电路与所述滤波电容并联；其特征在于，所述副边桥臂电路包括第一切换部件、第二切换部件、第一整流电路桥臂、第二整流电路桥臂和第三整流电路桥臂；其中，

通过控制所述第一切换部件和所述第二切换部件，使得所述第一整流电路桥臂、所述第二整流电路桥臂均工作，所述第三整流电路桥臂不工作；或者使得所述第一整流电路桥臂、第三整流电路桥臂均工作，所述第二整流电路桥臂不工作。

2.如权利要求1所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述第一切换部件/第二切换部件为MOS管、MOSFET管、IGBT管、GaN管或SiC管。

3.如权利要求1所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述谐振单元中的变压器为抽头变压器。

4.如权利要求3所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述第一切换部件、所述第二切换部件与所述第三整流电路桥臂上的开关器件相串联，且所述第一切换部件、所述第二切换部件均允许电流流通方向与所述第三整流电路桥臂上的开关器件允许电流流通方向相反；所述抽头变压器的第一抽头与所述第一整流电路桥臂的中点相连，所述抽头变压器的第二抽头与所述第二整流电路桥臂的中点相连，所述抽头变压器的第三抽头与所述第三整流电路桥臂的中点相连。

5.如权利要求4所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述第一切换部件、所述第二切换部件分别置于所述第三整流电路桥臂的中点的两边；所述第三整流电路桥臂上的开关器件均匀置于所述第三整流电路桥臂的中点的两边。

6.如权利要求3所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述抽头变压器的第一抽头与所述第一整流电路桥臂的中点相连，所述抽头变压器的第二抽头与所述第二整流电路桥臂的中点相连，所述抽头变压器的第三抽头与所述第一切换部件的一端相连，所述第一切换部件的另一端与所述第二切换部件的一端相连，所述第二切换部件的另一端与所述第三整流电路桥臂的中点相连；且，所述第一切换部件允许电流流通方向与所述第二切换部件允许电流流通方向相反。

7.如权利要求6所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述第三整流电路桥臂上的开关器件均匀置于所述第三整流电路桥臂的中点的两边。