一種用於電動汽車dc/dc轉換器的高性能軟開關的製作方法

2023-10-17 23:04:24 4

專利名稱：一種用於電動汽車dc/dc轉換器的高性能軟開關的製作方法
技術領域：
本發明屬於汽車軟開關技術領域，涉及一種用於電動汽車DC/DC轉換器的高性能軟開關。
背景技術：
在電動汽車中，DC/DC轉換器是必不可少的部件，它是轉變輸入電壓後有效輸出需求電壓的電壓轉換器，具有保障車載低壓蓄電池正常供電的作用，當車載低壓蓄電池虧電時，車輛通過它將動力電池中的電能充入車載低壓蓄電池中，保障車輛低壓電子器件的正常工作。由於車載低壓蓄電池工作頻繁，使得DC/DC也必須頻繁開啟與關閉，但受開關管的導通和關斷損耗影響，從而導致DC/DC變換部分經常損壞。目前大部分DC/DC產品採用的都是硬開關或零電壓軟開關，硬開關DC/DC變換器是利用2個IGBT輪流切換，在高頻變壓器一次側產生高頻矩形交變電壓，帶中心抽頭的二次側繞組輸出的電壓經二極體再次整流後輸出直流電壓，這種方法很容易導致開關損耗很大，且容易損壞DC/DC變換部分。零電壓軟開關在超前臂的開關控制比較容易，但是它在滯後臂則難以實現，它雖然能在一定程度上減少開關的損耗但效果並不明顯。IGBT即為絕緣柵雙極型電晶體，由雙極型三極體和絕緣柵型場效應管組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點，且驅動功率小而飽和壓降低。中國專利文獻公開了專利號為94113331. 1的脈衝寬度調製與零電流零電壓諧振開關聯合控制逆變方法，該方法內的軟開關利用全橋逆變迴路中的負載及線路寄生電感、 電容在開關過程中形成電壓和電流的諧振，採用電流過零時關斷開關器件，電壓為零時開通開關器件，該發明一定程度上減少了開關管的損耗，但同時存在幾點不足1、該發明在零電流零電壓開關斷開關器件時開關比較單一，超前臂和超後臂的控制過程，導致該軟開關的實現範圍較窄；2、零電流控制在滯後臂上不容易實現。3、該全橋開關電路在整個移相控制過程中調整死區時間，從而使得轉換器的輸出不夠可靠。

發明內容
本發明針對現有的技術存在上述問題，提出了一種用於電動汽車DC/DC轉換器的高性能軟開關，本發明通過零電壓零電流的雙閉環恆壓控制方式降低DC/DC中開關的損耗，可在寬範圍內實現軟開關。本發明通過下列技術方案來實現包括分別依次連接的控制模塊、驅動模塊、包括四個開關管IGBT的開關網絡、變壓模塊和濾波整流模塊，濾波整流模塊輸出端與控制模塊之間連接的反饋模塊，所述的反饋模塊用於採樣輸出端負載上的電壓V2並進行衰減且輸出給控制模塊，所述的控制模塊用於根據反饋模塊的採集信號比較放大後分別輸出四路不同相位的觸發脈衝控制驅動模塊驅動四個開關管IGBT的通斷工作，所述的四個開關管IGBT 在觸發脈衝控制下間隔導通和關斷，其中兩個開關管IGBT構成超前臂，另外兩個開關管IGBT構成滯後臂，且在關斷和導通過程超前臂與滯後臂之間形成重疊角。電路接通電源，控制模塊實時接收反饋模塊採集的電路輸出端電壓和電流等採樣數據，衰減後的採樣數據與設定值進行比較放大後輸出特定寬度的觸發脈衝，控制模塊輸出特定寬度和不同相位的觸發脈衝給驅動電路，驅動電路驅動四個開關管IGBT分別在不同的時刻進行關斷和導通，同時DC/DC輸入電壓經開關管的關斷和導通製造的重疊角來控制輸出電壓，輸出電壓經變壓模塊和整流模塊變壓整流後輸出平滑的電流給負載。在上述的用於電動汽車DC/DC轉換器的高性能軟開關中，所述的控制模塊包括連接有外圍電路的PWM主控制器U(^875和保護單元，上述的反饋模塊與PWM主控制器之間連接運放單元。反饋模塊採集數據經運放單元進行比較放大後由PWM主控制器控制輸出觸發脈衝。在上述的用於電動汽車DC/DC轉換器的高性能軟開關中，所述的保護單元包括 UC2875內部設置的短路保護和過流保護電路，所述的過流保護電路連接Ua875的C/S腳。 當Ua875的C/S腳電壓大於2. 5V時，UC2875關閉輸出動作進行重啟動，以消除過流對電路的衝擊。在上述的用於電動汽車DC/DC轉換器的高性能軟開關中，所述的運放單元包括一個外置運算放大器和UU875內置運算放大器，所述的外置運算放大器的負輸入端與反饋模塊通過電阻連接，正輸入端連接一個電壓環的定值電壓，輸出端連接Ua875的ea+腳， 外置運算放大器的輸出端與負輸出端串聯一個電阻和一個電容；U(^875晶片中的ea+腳、 ea-腳和ea/out腳分別為UU875內置運算放大器的正負輸入端和輸出端，UC2875內置運算放大器正負輸入端分別連接有電阻。運放單元與PWM控制器連接形成雙環控制電路，反饋電路採集輸出電壓衰減後輸入外置運算放大器的負輸入端，負輸入端電壓與正輸入端電壓比較放大後輸出，由外置運算放大器連接組成的電路為電壓外環控制電路。外置運算放大器的輸出電壓輸出給UU875 內置運算放大器的正輸入端，由UU875內置運算放大器連接組成的電路為電流內環控制電路，即外置運算放大器的輸出作為電流內環的給定值。在上述的用於電動汽車DC/DC轉換器的高性能軟開關中，所述的外圍電路包括 UC2875的死區設置腳dlyA/B腳與dlyC/D腳和接地之間分別並聯連接的電容和電阻。 UU875的死區設置腳通過連接不同的電容和電阻來調整同一橋臂兩個開關管的驅動信號的死區時間，防止同一橋臂的兩個開關管同時導通。在上述的用於電動汽車DC/DC轉換器的高性能軟開關中，所述的四個開關管IGBT 分別為開關管S1、開關管&、開關管&和開關管、，所述的每個開關管IGBT的柵極對應連接驅動電路，集電極和發射極之間分別反向並聯連接有一個二極體和一個寄生電容；所述開關管S1的發射極連接開關管S3的集電極使得開關管S1和&構成滯後臂，所述開關管& 的發射極連接開關管、的集電極使得開關管&和、構成超前臂，超前臂與滯後臂並聯後再連接於輸入電源，輸入電源反向並聯連接有兩個正向串聯連接的續流二極體Dai和Da2，所述續流二極體Dai的負極與輸入電源的正極連接，所述續流二極體Dai的正極與續流二極體 Da3的負極連接，所述續流二極體Da3的正極與輸入電源的負極連接。開關管的兩極連接的電容在開關管的導通和關斷過程中形成電壓和電流的諧振。 輸入直流電壓通過控制開關管的通斷順序以及通斷時間來控制輸出電壓。二極體對兩極施加的電壓具有正嚮導通反向截止的特性。在上述的用於電動汽車DC/DC轉換器的高性能軟開關中，所述的驅動模塊包括 UC2875的outA腳，outB腳，outC腳，outD腳和兩組具有兩個獨立二次側繞組的變壓器T3 和T4,所述outA腳通過電感和outB腳分別連接所述變壓器T3的一次側繞組線圈的兩端， 所述開關管S1的柵極連接於所述變壓器T3的同極二次側線圈，所述開關管&的柵極連接所述變壓器T3的異極二次側線圈，所述outC腳通過電感和outD腳分別連接所述變壓器T4 的一次側繞組線圈的兩端，所述開關管&的柵極連接所述變壓器T4的同極二次側線圈，所述開關管、的柵極連接所述變壓器T4的異極二次側線圈。outA腳和outB腳的輸出控制脈衝經變壓後驅動滯後臂開關管的通斷，outC腳，outD腳的輸出控制脈衝經變壓後驅動超前臂開關管的通斷，以上的連接方式可以看出超前臂與滯後臂的兩個橋臂開關管導通相差一個相位，同一橋臂的兩個開關管180°互補導通。在上述的用於電動汽車DC/DC轉換器的高性能軟開關中，所述的驅動模塊(2)包括U(^875的outA腳，outB腳，outC腳，outD腳和兩組具有兩個獨立二次側繞組的變壓器 T3和T4,所述outA腳通過電感和outB腳分別連接所述變壓器T3的一次側繞組線圈的兩端， 所述開關管S1的柵極連接於所述變壓器T3的同極二次側線圈，所述開關管&的柵極連接所述變壓器T3的異極二次側線圈，所述outC腳通過電感和outD腳分別連接所述變壓器T4 的一次側繞組線圈的兩端，所述開關管&的柵極連接所述變壓器T4的同極二次側線圈，所述開關管、的柵極連接所述變壓器T4的異極二次側線圈。輔助變壓器T2為滯後臂提供反向電壓並同時吸收與主變壓器T1 一次側線圈連接的漏感Lik上的能量「，從而實現滯後臂的零電流開通和關斷。在上述的用於電動汽車DC/DC轉換器的高性能軟開關中，所述整流濾波模塊包括二極體Dfl、二極體Df2和濾波電感Lf，所述二極體Dfl的負極與二極體Df2的負極連接後再串聯連接濾波電感Lf，所述二極體Dfl的正極和二極體Df2的正極連接主變壓器T1的二次側線圈。在主變壓器T1的一次側線圈上的漏感Lik、主變壓器T1的二次側線圈上的濾波電感Lf 上的電流i2和超前臂上開關管S2、S4自身的寄生電容使超前臂實現零電壓導通和關斷。現有技術相比，本用於電動汽車DC/DC的高性能軟開關具有以下優點1、本發明通過雙閉環恆壓控制方式實現開關管的零電壓零電流通斷，從而降低 DC/DC中開關的損耗，可在寬範圍內實現軟開關，同時降低了 DC/DC轉換器在工作時的功率損耗、延長開關管的使用壽命。2、本發明採用電壓控制和電流控制的雙閉環控制模式，控制模塊結合反饋模塊可達到調節輸出較寬範圍PWM脈衝，從而自動限制輸出電流值，提高DC/DC輸出動態響應，使電源在負載突變的情況下，沒有大的輸出電壓過衝。3、本發明採用肌觀75晶片作為PWM主控制器進行脈衝控制，減少外圍電路，同時使控制更加簡便、靈活。


圖1是本發明的結構示意圖；圖2是本發明的主電路示意圖；圖3是本發明的驅動模塊結構示意圖4是本發明的控制模式結構示意圖。圖中1、控制模塊；2、驅動模塊；3、開關網絡；4、變壓模塊；5、濾波整流模塊；6、負載；7、反饋模塊；11、過流保護電路；21、Ua875內置運算放大器；22、外置運算放大器。
具體實施例方式以下是本發明的具體實施例並結合附圖，對本發明的技術方案作進一步的描述， 但本發明並不限於這些實施例。如圖1所示，本用於電動汽車DC/DC轉換器的高性能軟開關，包括分別依次連接的控制模塊1、驅動模塊2、包括四個開關管IGBT的開關網絡3、變壓模塊4、濾波整流模塊5 和負載6，濾波整流模塊5輸出端與控制模塊1之間連接反饋模塊7。反饋模塊7用於採樣輸出端負載6上的電壓並進行衰減後輸出給控制模塊1。控制模塊1用於輸出四路觸發脈衝控制驅動模塊2驅動四個開關管IGBT的通斷工作。如圖2、圖3所示，控制模塊1包括連接有外圍電路的PWM主控制器U(^875和保護單元，反饋模塊7與PWM主控制器之間連接運放單元，保護單元包括肌觀75內部設置的短路保護和過流保護電路11，過流保護電路11連接UU875的C/S腳。運放單元包括一個外置運算放大器22和UU875內置運算放大器21，外置運算放大器22的負輸入端與反饋模塊7通過電阻連接，正輸入端連接一個電壓環的定值電壓，輸出端連接Ua875的ea+腳，外置運算放大器22的輸出端與負輸出端串聯一個電阻和一個電容；U(^875晶片中的ea+腳、 ea-腳和ea/out腳分別為U(^875內置運算放大器21的正負輸入端和輸出端，UC2875內置運算放大器21正負輸入端分別連接有電阻。外圍電路包括UU875的死區設置腳dlyA/B 腳與dlyC/D腳和接地之間分別並聯連接的電容和電阻。如圖2所示，驅動模塊2包括U(^875的outA腳，outB腳，outC腳，outD腳和兩組具有兩個獨立二次側繞組的變壓器，outA腳通過電感和outB腳分別連接變壓器T3的一次側繞組線圈的兩端，開關管S1的柵極連接於變壓器T3的同極二次側線圈，開關管&的柵極連接變壓器T3的異極二次側線圈，outC腳通過電感和outD腳分別連接變壓器T4的一次側繞組線圈的兩端，開關管&的柵極連接變壓器T4的同極二次側線圈，開關管、的柵極連接變壓器T4的異極二次側線圈。如圖4所示，變壓模塊4包括一個主變壓器T1和一個輔助變壓器T2,所述的輔助變壓器T2的一次側線圈連接於二極體Dai的正極和Da3的負極之間，輔助變壓器二次側線圈與主變壓器T1的一次側線圈一端連接，輔助變壓器的中間抽頭連接開關管&的發射極和開關管、的集電極；主變壓器T1的一次側線圈另一端串聯漏感Lik，漏感Lik連接於開關管S1 的發射極和開關管&的集電極，主變壓器T1的二次側線圈連接整流濾波電路。整流濾波模塊包括二極體Dfl，二極體Dfl的負極與二極體Df2的負極連接後再串聯連接濾波電感Lf，二極體Dfl的正極和二極體Df2的正極連接主變壓器T1的二次側線圈。每個開關管IGBT的柵極對應連接驅動電路，集電極和發射極之間分別反向並聯連接一個二極體和一個電容；開關管S1的發射極連接開關管&的集電極使得開關管S1和 S3構成滯後臂，開關管&的發射極連接開關管、的集電極使得開關管&和、構成超前臂， 超前臂與滯後臂並聯後再連接於輸入電源，輸入電源與兩個正向串聯連接的續流二極體反向並聯連接，輸入電源的正極連接二極體Dai的負極，二極體Dai的正極連接二極體Da3的負極，二極體Da3的正極連接電源的負極。如圖2、圖3、圖4所示，DC/DC轉換器電源接通開關網絡3，同時輸出端負載6上產生電壓，此電壓經反饋模塊7採集並衰減50倍後輸出的採樣電壓值輸入外置運算放大器22 的負輸入端，外置運算放大器22的正輸入端連接UU875的slope腳，同時外置運算放大器 22的正輸入端接收UU875內部增益電壓的分壓作為電壓環的定值輸入，外置運算放大器 22輸出電壓。經外置運算放大器22比較放大後的輸出電壓為電壓環輸出電壓，電壓環輸出電壓作為電流環的給定值，電壓流經電阻產生電流為定值電流輸入U(^875的ea+腳，輸出端濾波電感Lf上的電流輸入U(^875的ea-腳，電流環控制通過完成U(^875內置的運算放大器ea/out腳輸出，ea/out腳的輸出脈衝大小與outA腳、outB腳、outC腳和outD腳的輸出脈衝大小相同，outA腳和outB腳控制脈衝經變壓後驅動滯後臂開關管的通斷，outC腳， outD腳的輸出控制脈衝經變壓後驅動超前臂開關管的通斷。同時通過調整輸出脈衝的死區時間和觸發脈衝寬度來有效控制四個開關管IGBT 分別在不同的時刻進行關斷和導通，UC2875的死區設置腳通過連接不同的電容和電阻來調整同一橋臂兩個開關管的驅動信號的死區時間，防止同一橋臂的兩個開關管同時導通。超前臂與滯後臂的兩個橋臂開關管導通相差一個相位，同一橋臂的兩個開關管180°互補導
ο同時開關管的兩極連接的電容在開關管的導通和關斷過程中形成電壓和電流的諧振。超前臂在開關管的導通和關斷過程中形成電壓諧振，滯後臂在開關管的導通和關斷過程中形成電流諧振。同時輔助變壓器T2為滯後臂提供反向電壓並同時吸收與主變壓器 T1 一次側繞組線圈連接的漏感Lik上的能量「，從而實現滯後臂的零電流導通和關斷。在主變壓器T1的二次側線圈上的濾波電感Lf上的電流i2和滯後臂上開關管兩極上的寄生電容使超前臂實現零電壓的導通和關斷。輸入直流電壓通過控制開關管的通斷順序以及通斷時間製造的重疊角來控制輸出電壓。輸出電壓經變壓模塊4和濾波整流模塊5變壓整流後輸出平滑的電壓為V2的電流給負載6。當U(^875的C/S腳電壓大於2. 5V時，U(^875關閉輸出動作進行重啟動，以消除過流對電路的衝擊，UC2875的內部有短路保護電路。上述的保護電路簡單容易形成，同時很好的為整個軟開關電路起到保護作用。本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。儘管本文較多地使用了控制模塊1、驅動模塊2、開關網絡3、變壓模塊4、濾波整流模塊5、負載6、反饋模塊7、過流保護電路11、UC2875內置運算放大器21、外置運算放大器 22等術語，但並不排除使用其它術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發明的本質；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發明精神相違背的。
權利要求
1.一種用於電動汽車DC/DC轉換器的高性能軟開關，其特徵在於，包括分別依次連接的控制模塊⑴、驅動模塊⑵、包括四個開關管IGBT的開關網絡(3)、變壓模塊⑷和濾波整流模塊(5)，濾波整流模塊( 輸出端與控制模塊(1)之間連接的反饋模塊(7)，所述的反饋模塊(7)用於採樣輸出端負載(6)上的電壓V2並進行衰減且輸出給控制模塊(1)，所述的控制模塊(1)用於根據反饋模塊(7)的採集信號比較放大後分別輸出四路不同相位的觸發脈衝控制驅動模塊(2)驅動四個開關管IGBT的通斷工作，所述的四個開關管IGBT在觸發脈衝控制下間隔導通和關斷，其中兩個開關管IGBT構成超前臂，另外兩個開關管IGBT 構成滯後臂，且在關斷和導通過程超前臂與滯後臂之間形成重疊角。
2.根據權利要求1所述的用於電動汽車DC/DC轉換器的高性能軟開關，其特徵在於，所述的控制模塊(1)包括連接有外圍電路的PWM主控制器U(^875和保護單元，所述的反饋模塊(7)與PWM主控制器之間連接運放單元。
3.根據權利要求2所述的用於電動汽車DC/DC轉換器的高性能軟開關，其特徵在於，所述的保護單元包括UU875內部設置的短路保護和過流保護電路(11)，所述的過流保護電路(11)連接UU875的C/S腳。
4.根據權利要求3所述的用於電動汽車DC/DC轉換器的高性能軟開關，其特徵在於， 所述的運放單元包括一個外置運算放大器0 和UU875內置運算放大器(21)，所述的外置運算放大器0 的負輸入端與反饋模塊(7)通過電阻連接，正輸入端連接一個電壓環的定值電壓，輸出端連接Ua875的ea+腳，外置運算放大器0 的輸出端與負輸出端串聯一個電阻和一個電容；U(^875晶片中的ea+腳、ea-腳和ea/out腳分別為U(^875內置運算放大器的正負輸入端和輸出端，UC2875內置運算放大器正負輸入端分別連接有電阻。
5.根據權利要求2或3或4所述的用於電動汽車DC/DC轉換器的高性能軟開關，其特徵在於，所述的外圍電路包括UU875的死區設置腳dlyA/B腳與dlyC/D腳和接地之間分別並聯連接的電容和電阻。
6.根據權利要求1或2或3或4所述的用於電動汽車DC/DC轉換器的高性能軟開關， 其特徵在於，所述的四個開關管IGBT分別為開關管S1、開關管&、開關管&和開關管、，所述的每個開關管IGBT的柵極對應連接驅動電路，集電極和發射極之間分別反向並聯連接有一個二極體和一個寄生電容；所述開關管Sl的發射極連接開關管S3的集電極使得開關管S1和&構成滯後臂，所述開關管S2的發射極連接開關管S4的集電極使得開關管&和 、構成超前臂，超前臂與滯後臂並聯後再連接於輸入電源，輸入電源反向並聯連接有兩個正向串聯連接的續流二極體Dai和Da2，所述續流二極體Dai的負極與輸入電源的正極連接， 所述續流二極體Dai的正極與續流二極體Da3的負極連接，所述續流二極體Da3的正極與輸入電源的負極連接。
7.根據權利要求6所述的用於電動汽車DC/DC轉換器的高性能軟開關，其特徵在於， 所述的驅動模塊( 包括U(^875的outA腳，outB腳，outC腳，outD腳和兩組具有兩個獨立二次側繞組的變壓器T3和T4,所述outA腳通過電感和outB腳分別連接所述變壓器T3的一次側繞組線圈的兩端，所述開關管S1的柵極連接於所述變壓器T3的同極二次側線圈，所述開關管&的柵極連接所述變壓器T3的異極二次側線圈，所述outC腳通過電感和outD腳分別連接所述變壓器T4的一次側繞組線圈的兩端，所述開關管&的柵極連接所述變壓器T4的同極二次側線圈，所述開關管、的柵極連接所述變壓器T4的異極二次側線圈。
8.根據權利要求6所述的用於電動汽車DC/DC轉換器的高性能軟開關，其特徵在於， 所述的變壓模塊(4)包括一個主變壓器T1和一個輔助變壓器T2，所述的輔助變壓器T2的一次側線圈連接於續流二極體Dai的正極和Da3的負極之間，所述輔助變壓器T2 二次側線圈與主變壓器T1的一次側線圈一端連接，所述輔助變壓器T2的中間抽頭連接於開關管&的發射極和開關管、的集電極；所述主變壓器T1的一次側線圈另一端串聯有漏感Lik，所述漏感 Lik連接於所述開關管S1的發射極和開關管&的集電極，主變壓器T1的二次側線圈連接整流濾波模塊(5)。
9.根據權利要求8所述的用於電動汽車DC/DC轉換器的高性能軟開關，其特徵在於，所述整流濾波模塊( 包括二極體Dfl、二極體Df2和濾波電感Lf，所述二極體Dfl的負極與二極體Df2的負極連接後再串聯連接濾波電感Lf，所述二極體Dfl的正極和二極體Df2的正極連接主變壓器T1的二次側線圈。
全文摘要
本發明提供了一種用於電動汽車DC/DC轉換器的高性能軟開關，屬於汽車軟開關技術領域。它解決了現有技術中DC/DC中開關的損耗較大，不能實現寬範圍軟開關的問題。本開關包括分別依次連接的控制模塊、驅動模塊、開關網絡、變壓模塊和濾波整流模塊，濾波整流模塊輸出端與控制模塊之間連接反饋模塊，反饋模塊用於採樣輸出端負載上的電壓並進行衰減且輸出給控制模塊，控制模塊根據反饋模塊的採集信號比較放大後分別輸出四路不同相位的觸發脈衝控制驅動模塊驅動開關管的通斷工作，四個開關管在觸發脈衝控制下間隔導通和關斷，且不同時刻的關斷和導通過程產生重疊角。本發明通過零電壓零電流的雙閉環恆壓控制方式降低DC/DC中開關的損耗，在寬範圍內實現軟開關。
文檔編號H02M1/36GK102437723SQ20111032885
公開日2012年5月2日 申請日期2011年10月26日 優先權日2011年10月26日
發明者吳成明, 廖中華, 由毅, 趙福全, 金啟前 申請人:浙江吉利控股集團有限公司, 浙江吉利汽車研究院有限公司