一種汽車雙向dc-dc變換器損耗保護裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種汽車雙向DC-DC變換器損耗保護裝置，該裝置包括：第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第一損耗緩沖吸收電路、第二損耗緩沖吸收電路、第一二極管、第二二極管、諧振電容、控制電路。所述控制電路的第一輸出端與所述第一開關(guān)管的柵極連接；所述控制電路的第二輸出端與所述第二開關(guān)管的柵極連接；控制電路的輸入端用于與直流電源電壓輸入端、變換器電流輸出端、變換器電壓輸出端連接。本實用新型所設(shè)計的DC-DC變換器由于具有吸收回路，因此可以有效降低開關(guān)管在開通、關(guān)斷過程中的開關(guān)損耗，并對能量進行吸收。采用該電路，開關(guān)管開通時電壓電流疊加面積小，大大降低了開通損耗，關(guān)斷時，對能量進行了緩沖吸收，大大提高了效率。
【專利說明】一種汽車雙向DC-DC變換器損耗保護裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及DC-DC變換器，尤其涉及一種汽車雙向DC-DC變換器損耗保護裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]DC-DC變換器是將一種直流電能轉(zhuǎn)換成另一種形式直流電能的裝置，用于對電壓、電流實現(xiàn)變換。單向DC-DC變換器只能將能量從一個方向傳到另一個方向，而雙向DC-DC變換器則可以實現(xiàn)能量的雙向傳輸，功率不僅可以從輸入端流向輸出端，也能從輸出端流向輸入端。它的輸入輸出電壓極性不變，但輸入、輸出電流的方向可以改變。
[0003]DC-DC變換器現(xiàn)已商品化，模塊采用高頻PWM技術(shù)，開關(guān)頻率在500kHz左右，功率密度為0.31ff/cm3?1.22W/cm3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，要求實現(xiàn)小型化，因此就要不斷提高開關(guān)頻率和采用新的電路拓撲結(jié)構(gòu)。
[0004]為了縮小DC-DC變換器的體積，提高功率密度，改善動態(tài)響應(yīng)，高頻化是DC-DC變換器技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。但高頻化又會產(chǎn)生新的問題，因為，高頻電路要采用開關(guān)管，如開關(guān)損耗及無源元件的損耗增大，高頻寄生參數(shù)及高頻EMI問題等。
[0005]普通的DC-DC變換器就是簡單的控制開關(guān)管的開通和關(guān)斷，如圖la、lb所示，由于開關(guān)管的電壓電流不能立即降為0，故存在很大的開關(guān)損耗。
實用新型內(nèi)容
[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本實用新型的目的是提供一種汽車雙向DC-DC變換器損耗保護裝置。
[0007]本實用新型提供了 一種汽車雙向DC-DC變換器損耗保護裝置，所述裝置用于連接在直流電源和負載側(cè)之間，其特征在于，所述裝置包括:第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第一損耗緩沖吸收電路、第二損耗緩沖吸收電路、第一二極管、第二二極管、諧振電容、控制電路，
[0008]所述控制電路的第一輸出端與所述第一開關(guān)管的柵極連接；
[0009]所述控制電路的第二輸出端與所述第二開關(guān)管的柵極連接；
[0010]控制電路的輸入端用于與直流電源電壓輸入端、變換器電流輸出端、變換器電壓輸出端連接，以采集直流電源輸入電壓、變換器輸出電壓和變換器輸出電流；
[0011]第一損耗緩沖吸收電路用于串聯(lián)在第一開關(guān)管的漏極和直流電源正極之間；
[0012]第二損耗緩沖吸收電路用于串聯(lián)在第二開關(guān)管的源極和負載側(cè)的負極之間；
[0013]第一二極管的負極用于與直流電源的正極的連接，第一二極管的正極與第一開關(guān)管的源極連接；
[0014]第二二極管的負極用于與第二開關(guān)管的漏極連接，第二二極管的正極與直流電源的負極連接；
[0015]諧振電容與第二二極管并聯(lián)。
[0016]優(yōu)選地，控制電路為PWM電路。[0017]優(yōu)選地，第一損耗緩沖吸收電路包括第一耦合電感，所述第一耦合電感的初級的一端與第一開關(guān)管的漏極相連，第一稱合電感的初級的另一端用于與直流電源的正極連接；所述第一耦合電感的次級與由串聯(lián)的第三二極管和電容組成封閉回路，所述第三二極管的正極與第一耦合電感的次級的第一端連接，所述第一端與第一耦合電感初級中和第一開關(guān)管漏極相連的一端為同名端，所述第三二極管的負極與電容連接、且與第四二極管的正極連接，第四二極管的負極用于與直流電源的正極連接。
[0018]優(yōu)選地，所述第一耦合電感的初級與次級的匝數(shù)比為nl:n2。
[0019]優(yōu)選地，所述第二損耗緩沖吸收電路包括第二耦合電感，所述第二耦合電感的初級的一端與第二開關(guān)管的源極相連，第二耦合電感的初級的另一端與直流電源的負極相連，第二耦合電感的次級與一個超級電容形成封閉回路。
[0020]優(yōu)選地，所述第一開關(guān)管和第二開關(guān)管均為P型M0SFET。在另一種優(yōu)選實施方式中，所述第一開關(guān)管和第二開關(guān)管均為IGBT。
[0021]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型所設(shè)計的DC-DC變換器由于具有吸收回路，因此可以有效地降低開關(guān)管在開通、關(guān)斷過程中的開關(guān)損耗，并對能量進行吸收。采用該電路，開關(guān)管開通時電壓電流疊加面積小，大大降低了開通損耗，關(guān)斷時，對能量進行了緩沖吸收，大大提聞了效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1a是現(xiàn)有技術(shù)中開關(guān)管導(dǎo)通時的功率損耗示意圖；
[0023]圖1b是現(xiàn)有技術(shù)中開關(guān)管關(guān)斷時的功率損耗不意圖；
[0024]圖2是本實用新型一種【具體實施方式】的汽車雙向DC-DC變換器損耗保護裝置的電路結(jié)構(gòu)圖；
[0025]圖3是圖2所示的汽車雙向DC-DC變換器損耗保護裝置的正向等效電路圖；
[0026]圖4是圖2所示的汽車雙向DC-DC變換器損耗保護裝置的反向等效電路圖；
[0027]圖5是圖2所示的汽車雙向DC-DC變換器損耗保護裝置的工作時序圖。
【具體實施方式】
[0028]本實用新型的一種【具體實施方式】公開了一種汽車雙向DC-DC變換器損耗保護裝置，所述裝置用于連接在直流電源和負載側(cè)之間。所述DC-DC變換器損耗保護裝置用于在實現(xiàn)DC-DC變換的同時，減小開關(guān)管在開關(guān)過程中的功率損耗。
[0029]如圖2所示，該裝置包括:第一開關(guān)管VS1、第二開關(guān)管VS2、第一損耗緩沖吸收電路、第二損耗緩沖吸收電路、控制電路10。
[0030]第一開關(guān)管VS1、第二開關(guān)管VS2分別作為正向變換和反向變換時的開關(guān)管工作。在圖2所示的實施方式中，第一開關(guān)管VS1、第二開關(guān)管VS2可以均采用P型MOSFET相互“串聯(lián)”，即第一開關(guān)管VSl的源極與第二開關(guān)管VS2的漏極相連。
[0031]所述控制電路10的第一輸出端與所述第一開關(guān)管VSl的柵極連接。所述控制電路10的第二輸出端與所述第二開關(guān)管VS2的柵極連接?？刂齐娐?0的輸入端可以與變換器電壓輸入端、變換器電流輸出端、變換器電壓輸出端連接，因此控制電路10的輸入端可以用于采集直流電源輸入電壓Uin、變換器輸出電壓Uo、變換器輸出電流Ιο。[0032]優(yōu)選地，控制電路10可以由PWM電路實現(xiàn)，控制電路10的輸出端分別向第一開關(guān)管VSl、第二開關(guān)管VS2的柵極輸出控制PWM信號，以對第一開關(guān)管VSl、第二開關(guān)管VS2實現(xiàn)開關(guān)控制。
[0033]兩個場效應(yīng)管用于完成雙向DC-DC作用，第一開關(guān)管VSl和第一耦合電感Tl是一組；第二開關(guān)管VS2和第二耦合電感T2是另一組，當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)管VSl工作時第二開關(guān)管VS2是關(guān)斷的，當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)管VSl關(guān)斷時第二開關(guān)管VS2是工作的，兩個場效應(yīng)管均由控制電路10以實現(xiàn)各自的開關(guān)狀態(tài)。正向?qū)〞r整個雙向DC-DC變換器損耗保護裝置是一個正向降壓電路，反向?qū)〞r整個雙向DC-DC變換器損耗保護裝置為一個反向升壓電路。
[0034]第一損耗緩沖吸收電路用于串聯(lián)在第一開關(guān)管VSl的源極和直流電源正極之間。第一損耗緩沖吸收電路的作用是減少正向工作時的功率損耗。如圖3所示的正向等效電路中，第一損耗緩沖吸收電路包括第一稱合電感Tl,所述第一稱合電感Tl的初級LI的一端與第一開關(guān)管VSl的漏極相連,第一稱合電感Tl的初級LI的另一端用于與直流電源的正極連接。所述第一耦合電感Tl的次級與由串聯(lián)的第三二極管VD3和電容組成封閉回路，所述第三二極管VD3的正極與第一耦合電感Tl的次級的第一端連接，所述第一端與第一耦合電感Tl初級LI中和第一開關(guān)管漏極相連的一端為同名端，所述第三二極管VD3的負極與電容連接、且與第四二極管VD4的正極連接，第四二極管VD4的負極用于與直流電源的正極連接。圖3中，最右側(cè)是作為負載的電機模型。
[0035]第二損耗緩沖吸收電路用于串聯(lián)在第二開關(guān)管VS2的源極和直流電源的負極之間。第二損耗緩沖吸收電路的作用是減少反向工作時的功率損耗。所述第二損耗緩沖吸收電路包括第二耦合電感T2，所述第二耦合電感T2的初級L2的一端與第二開關(guān)管VS2的源極相連，第二耦合電感T2的初級L2的另一端與直流電源的負極相連，第二耦合電感T2的次級與一個超級電容20形成封閉回路。
[0036]第一二極管VDl的負極用于與直流電源的正極的連接，第一二極管VDl的正極與第一開關(guān)管VSI的源極連接。
[0037]第二二極管VD2的負極用于與第二開關(guān)管VS2的漏極連接，第二二極管VD2的正極與直流電源的負極連接。
[0038]諧振電容Cr與第二二極管VD2并聯(lián)，諧振電容Cr用于分別與第一耦合電感Tl的初級L1、第二耦合電感T2的初級L2形成諧振電路，以吸收開通、關(guān)斷期間的能量。
[0039]在上述具體實施例中:
[0040]兩個開關(guān)管分別完成雙向DC-DC轉(zhuǎn)換，其中:第一開關(guān)管VSl和第一耦合電感Tl作為一組，完成正向DC-DC轉(zhuǎn)換；第二開關(guān)管VS2和第二耦合電感T2作為一組，完成反向DC-DC轉(zhuǎn)換。當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)管VSl工作時，第二開關(guān)管VS2是關(guān)斷的，當(dāng)?shù)诙_關(guān)管VS2工作時第一開關(guān)管VSl是關(guān)斷的，兩者不能同時導(dǎo)通。
[0041]汽車雙向DC-DC變換器損耗保護裝置的正向轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)和反向轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)的切換是由控制電路10控制第一開關(guān)管VSl和第二開關(guān)管VS2的打開或關(guān)斷來實現(xiàn)的。
[0042]當(dāng)汽車雙向DC-DC變換器損耗保護裝置處于正向轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)或反向轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)時，輸出電壓Uo分別處于降壓和升壓狀態(tài)。升壓或降壓輸出的電壓幅值公式為Uo=aE，其中，α由UPT決定，即a =Τοη/Τ。在控制電路10進行降壓或升壓的控制過程中，開關(guān)周期T保持不變，通過改變開關(guān)管導(dǎo)通時間Ton來調(diào)整α，從而改變Uo。通過控制開關(guān)管導(dǎo)通時間Ton的方法即為脈沖寬度調(diào)制(PWM)。具體PWM的占空比由DC_DC輸出電壓決定?？刂齐娐?0可以由各種適用的PWM控制器來實現(xiàn)，例如MSC34063等等。
[0043]優(yōu)選地，本實施例中采用的開關(guān)管還可以為IGBT，則開關(guān)管的開關(guān)頻率由IGBT的最大開關(guān)速度決定，例如20kHz。
[0044]具體地，本實用新型的一種汽車雙向DC-DC變換器損耗保護裝置的工作過程如圖5所示:
[0045]在t0?tl時段:第一開關(guān)管VSl導(dǎo)通,ULl=Uin,電感LI開始充電，電流iLl線性增長，開關(guān)管電流增長，tl時刻，iLl=1, VD2中電流下降到零，關(guān)斷。
[0046]在tl?t2時段:L1與Cr構(gòu)成諧振回路，LI的電流增加，Cr電壓增大，t2時刻，Ucr=Uin,電流iLl保持不變。
[0047]在t2?t3時段:VD1導(dǎo)通，將u&箝位在Uin并維持恒定。
[0048]在t3?t4時段:VS1關(guān)斷，iL1線性下降，1不變，iVD1下降，t4時刻,iVD1=0, VDl關(guān)斷，開關(guān)管電流開始下降，ivsl=1。
[0049]在t4?t5時段:Cr開始放電，ivsl在t4a時下降為O,Uvsi增大,在t5時刻，uCr=0,uL1=-(nl/n2)Uin, Uvsi= (l+nl/n2)Uin。
[0050]在t5?t6時段:VD2續(xù)流，t5a時刻,LI能量回饋結(jié)束，uLl=0, UVSl=Uin0 t6時亥|J，第一開關(guān)管VSl導(dǎo)通，進入下一周期。
[0051]其中，上面提及的nl、n2分別是第一耦合電感Tl的初級與次級之間的匝數(shù)比。
[0052]由上述工作原理圖及工作原理過程可以看出，Uvsi和Ivsi的值的變化方向是相反的，即Uvsi很大時Ivsi很小，Ivsi很大時Uvsi很小,且兩者交互區(qū)域就在于t3?t4a，交互時間很小或為0，大大降低了功耗。采用這種方法可以大大減小開關(guān)管的開通和關(guān)斷損耗。
[0053]盡管本實用新型是通過上述的優(yōu)選實施方式進行描述的，但是其實現(xiàn)形式并不局限于上述的實施方式。應(yīng)該認識到在不脫離本實用新型主旨的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本實用新型做出不同的變化和修改。
【權(quán)利要求】
1.一種汽車雙向DC-DC變換器損耗保護裝置，所述裝置用于連接在直流電源和負載側(cè)之間，其特征在于，所述裝置包括:第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第一損耗緩沖吸收電路、第二損耗緩沖吸收電路、第一二極管、第二二極管、諧振電容、控制電路， 所述控制電路的第一輸出端與所述第一開關(guān)管的柵極連接； 所述控制電路的第二輸出端與所述第二開關(guān)管的柵極連接； 控制電路的輸入端用于與直流電源電壓輸入端、變換器電流輸出端、變換器電壓輸出端連接，以采集直流電源輸入電壓、變換器輸出電壓和變換器輸出電流； 第一損耗緩沖吸收電路用于串聯(lián)在第一開關(guān)管的漏極和直流電源正極之間； 第二損耗緩沖吸收電路用于串聯(lián)在第二開關(guān)管的源極和負載側(cè)的負極之間； 第一二極管的負極用于與直流電源的正極的連接，第一二極管的正極與第一開關(guān)管的源極連接； 第二二極管的負極用于與第二開關(guān)管的漏極連接，第二二極管的正極與直流電源的負極連接； 諧振電容與第二二極管并聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，控制電路為PWM電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，第一損耗緩沖吸收電路包括第一耦合電感，所述第一稱合電感的初級的一端與第一開關(guān)管的漏極相連，第一稱合電感的初級的另一端用于與直流電源的正極連接；所述第一耦合電感的次級與由串聯(lián)的第三二極管和電容組成封閉回路，所述第三二極管的正極與第一耦合電感的次級的第一端連接，所述第一端與第一耦合電感初級中和第一開關(guān)管漏極相連的一端為同名端，所述第三二極管的負極與電容連接、且與第四二極管的正極連接，第四二極管的負極用于與直流電源的正極連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述第一耦合電感的初級與次級的匝數(shù)比為nl:n2o
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述第二損耗緩沖吸收電路包括第二耦合電感，所述第二耦合電感的初級的一端與第二開關(guān)管的源極相連，第二耦合電感的初級的另一端與直流電源的負極相連，第二耦合電感的次級與一個超級電容形成封閉回路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一開關(guān)管和第二開關(guān)管均為P型MOSFET。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一開關(guān)管和第二開關(guān)管均為IGBT。
【文檔編號】H02M1/32GK203632540SQ201320793026
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)明者】周超, 費佳雯 申請人:上海汽車集團股份有限公司