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CN107809174A - Dc‑dc变换器及其控制方法 - Google Patents

Dc‑dc变换器及其控制方法 Download PDF

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CN107809174A CN201611114769.1A CN201611114769A CN107809174A CN 107809174 A CN107809174 A CN 107809174A CN 201611114769 A CN201611114769 A CN 201611114769A CN 107809174 A CN107809174 A CN 107809174A
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Abstract

本发明涉及DC‑DC变换器及其控制方法。DC‑DC变换器包括：钳位电容器，其一个端子与电压源的接地端子连接；开关电路，包括彼此串联连接在电压源的正端子与接地端子之间的第一开关和第二开关，以及彼此串联连接在钳位电容器的两个端子之间的第三开关和第四开关；和正‑反激式变压器，包括连接在第一开关和第二开关之间的第一连接节点与第三开关和第四开关之间的第二连接节点之间的多个初级线圈。

Description

DC-DC变换器及其控制方法
技术领域
本公开涉及一种DC-DC变换器。
背景技术
近年来，随着诸如CO2法规的环境法规的加强，对环境友好型车辆的兴趣日益增加。为了应对这种情况，汽车制造商已积极地进行纯电动车辆或氢能源车辆以及混合动力车辆或插电式混合动力车辆的研究和产品开发。
环境友好型车辆已使用用于存储从各种能源获得的电能的高压电池。此外，为了向车辆的电气装置诸如电动助力转向(EPS)、音频以及防抱死制动系统(ABS)供电，已经使用了另外产生低压功率以提供存储在高压电池中的能量的低压DC-DC变换器(LDC)。
通常，LDC安装在车辆的发动机室中，因此需要高密度和高效率。特别地，LDC主要操作在轻负载区域中，因此LDC在轻负载区域中需要具有更高的效率。
在该背景节中公开的上述信息仅用于加强对本公开背景的理解，并且因此其可以包含未形成在该国家中对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开提供一种DC-DC变换器及其控制方法，其具有提高轻负载区域的效率的优点。
本公开的示例性实施例提供一种DC-DC变换器，包括：钳位电容器，其一个端子与电压源的接地端子连接；开关电路，包括彼此串联连接在所述电压源的正端子与接地端子之间的第一开关和第二开关，以及彼此串联连接在所述钳位电容器的两个端子之间的第三开关和第四开关；和正-反激式变压器，包括连接在所述第一开关和所述第二开关之间的第一连接节点与所述第三开关和所述第四开关之间的第二连接节点之间的多个初级线圈。
本公开的另一实施例提供一种DC-DC变换器的控制方法，该DC-DC变换器包括：钳位电容器，其一个端子与电压源的接地端子连接；开关电路，包括彼此串联连接在所述电压源的正端子与接地端子之间的第一开关和第二开关，以及彼此串联连接在所述钳位电容器的两个端子之间的第三开关和第四开关；和正-反激式变压器，包括连接在所述第一开关和所述第二开关之间的第一连接节点与所述第三开关和所述第四开关之间的第二连接节点之间的多个初级线圈，所述方法包括以下步骤：由控制器接通所述第一开关和所述第四开关；如果所述第一开关和所述第四开关接通并且经过预定时间，则由所述控制器关断所述第一开关和所述第四开关；由所述控制器接通所述第二开关和所述第三开关；如果所述第二开关和所述第三开关接通并且经过所述预定时间，则由所述控制器关断所述第二开关；以及如果关断所述第二开关并且经过所述预定时间，则由所述控制器关断所述第三开关。
根据本公开的示例性实施例，提高低压DC-DC变换器的轻负载区域的效率是有可能的。
附图说明
图1是示意性示出根据本公开的示例性实施例的DC-DC变换器的图。
图2是示出根据本公开的示例性实施例的DC-DC变换器的控制方法的方框图。
图3是根据本公开的示例性实施例的DC-DC变换器的示意性开关驱动时序图。
图4至图8是示出根据本公开的示例性实施例的取决于每个驱动模式的低压DC-DC变换器的电流流动的图。
具体实施方式
应理解术语“车辆”或“车辆的”或如在本文中使用的其他类似术语一般包括机动车辆，诸如包括运动型多用途汽车(SUV)的乘用车、公共汽车、卡车、各种商业车辆、包括各种船只和船舶的水上车辆、飞行器，等等，并包括混合动力车辆、电动车辆、插入式混合动力电动车辆、氢动力车辆，以及其他代用燃料车辆(例如，得自除石油之外的资源的燃料)。如在本文中提到，混合动力车辆是具有两个或更多个动力源的车辆，例如汽油动力和电动力的车辆。
在本文中使用的术语仅用于描述特定实施例，并且不旨在限制本公开。如在本文中使用，单数形式“一个”、“一只”和“该”意图同样包括复数形式，除上下文以其他方式明确表明之外。进一步理解术语“包括”和/或“正在包括”，在本说明书中使用时，指定已陈述特征、整体、步骤、操作、要素和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、要素、部件和/或其集合的存在或添加。如在本文中使用，术语“和/或”包括相关联的列出条目中的一个或多个的任何与全部组合。此外，在说明书中描述的术语“单元”、“-er”、“-or”以及“模块”是指用于处理至少一个功能和操作的单元，并且可以由硬件部件或软件部件及其组合来实施。
进一步地，本公开的控制逻辑可以在计算机可读介质上实施为非暂时性的计算机可读介质，其包含被处理器、控制器等执行的可执行程序指令。计算机可读介质的示例包括但不限于ROM、RAM、紧凑光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光数据存储设备。计算机可读记录介质也可以分散于联网计算机系统中，以使得计算机可读介质以分布式形式被存储和执行，例如通过远程信息处理服务器或控制器区域网络(CAN)。
在下文中，将参考附图详细地描述本公开的示例性实施例，使得本公开所属领域的技术人员可以容易地实践本公开。然而，本公开可以各种不同的形式来实施，并且不限于本文所提供的示例性实施例。
贯穿本说明书和随后的权利要求，当描述元件“耦合”到另一元件时，元件可以“直接耦合”到另一元件或通过第三元件“电耦合”到另一元件。
在下文中，将参考附图描述根据本公开的示例性实施例的DC-DC变换器。
图1是示意性示出根据本公开的示例性实施例的DC-DC变换器的图。
参考图1，根据示例性实施例的DC-DC变换器可以包括低压DC-DC变换器100和控制器200。
低压DC-DC变换器100用于将从电压源S(例如，高压电池)施加的高电压降压到低电压，并将低电压传输到负载Ro。
低压DC-DC变换器100可以包括具有多个开关Q1、Q2、Q3以及Q4的开关电路、正-反激式(forward-flyback)变压器、钳位电容器Cc、多个整流二极管DS1和DS2以及输出电容器Co。
开关电路用于通过切换来将从电压源S输入的DC电压Vs转换成AC电压，并且将AC电压输出作为正-反激式变压器的输入电压VLm,fly+VLm,for。
开关电路包括彼此串联连接在正端子与接地端子(或负端子)之间的第一开关Q1和第二开关Q2，以及彼此串联连接在钳位电容器Cc的两个端子之间的第三开关Q3和第三开关Q4。第一开关Q1连接在电压源S的正端子与第一连接节点N1之间，并且第二开关Q2与第一连接节点N1和电压源S的接地端子连接。此外，第三开关Q3连接在钳位电容器Cc的一个端子与第二连接节点N2之间，并且第四开关Q4连接在第二连接节点N2与钳位电容器Cc的另一端子之间。
包括在开关电路中的开关Q1、Q2、Q3以及Q4可以包括输出电容器(或寄生电容器)和寄生二极管(或体二极管)。
可以根据控制器200的开关控制信号S1、S2、S3以及S4，来控制包括在开关电路中的开关Q1、Q2、Q3以及Q4的接通/关断。
钳位电容器Cc的两个端子中与第四开关Q4连接的端子与电压源S的接地端子连接。因此，第四开关Q4连接在第二连接节点N2与接地端子之间。
正-反激式变压器将通过开关电路传输到其初级侧的输入电压VLm,fly+VLm,for降压，然后将降压后的VLm,fly+VLm,for电压传输到其次级侧。
正-反激式变压器包括正激式变压器Tfor和反激式变压器Tfly。正-反激式变压器可以进一步包括寄生在正-反激式变压器中的漏电感Llkg。
正-反激式变压器用输出电感的功能来代替反激式变压器Tfly的磁化电感，并且因此可以省略输出电感。
正激式变压器Tfor和反激式变压器Tfly包括在第一连接节点N1与第二连接节点N2之间彼此连接的初级线圈。此外，正激式变压器Tfor和反激式变压器Tfly包括用来自初级线圈的能量施加的次级线圈。正激式变压器Tfor和反激式变压器Tfly的次级线圈彼此并联连接在负载Ro的两个端子之间。正激式变压器Tfor的次级线圈和反激式变压器Tfly的次级线圈两者的一个端子与负载Ro的正端子连接。此外，正激式变压器Tfor的次级线圈的另一端子和反激式变压器Tfly的次级线圈的另一端子分别通过不同的整流二极管DS1和DS2，与负载Ro的接地端子(或负端子)连接。
多个整流二极管DS1和DS2分别与正激式变压器Tfor和反激式变压器Tfly的次级线圈和负载Ro的接地端子连接，并且用于整流输出到变压器的次级侧的电压。
第一整流二极管DS1的阴极和第二整流二极管DS2的阴极分别与正激式变压器Tfor的次级线圈和反激式变压器Tfly的次级线圈连接。此外，第一整流二极管DS1的阳极和第二整流二极管DS2的阳极与负载Ro的接地端子连接。
输出电容器Co连接在负载Ro的正端子与接地端子之间，并且对输出到负载Ro的输出电压Vo执行平滑功能。也就是说，输出电容器Co用于消除由整流二极管DS1和DS2整流并输出到负载Ro的电压的纹波，并且持续地保持电压。
控制器200控制构成开关电路的每个开关Q1、Q2、Q3以及Q4的开关。
控制器200使用具有占空比D的开关控制信号S1和S4来驱动第一开关Q1和第四开关Q4，使用具有占空比1-D的开关控制信号S3来驱动第三开关Q3，并且控制第二开关Q2的操作，使得在第三开关Q3接通的区间的一部分中接通第二开关Q2。
在下文中，参考图2至图8，将详细描述用于通过控制器200控制构成开关电路的每个开关Q1、Q2、Q3以及Q4的切换的方法。
图2是示出根据本公开的示例性实施例的DC-DC变换器的控制方法的方框图。此外，图3是根据本公开的示例性实施例的DC-DC变换器的示意性开关驱动时序图。此外，图4至图8是示出根据本公开的示例性实施例的取决于每个驱动模式的低压DC-DC变换器的电流流动的图。
图2的控制方法可以由根据本公开示例性实施例的DC-DC变换器的控制器200来执行。
参考图2，控制器200接通第一开关Q1和第四开关Q4持续占空比D，从而以第一模式(对应于图3的t0至t1的区间)驱动低压DC-DC变换器100(S100)。
图4是在第一模式中的低压DC-DC变换器100的电流流动的示意图。
参考图4，第一开关Q1和第四开关Q4在第一模式(对应于图3的t0至t1的区间)中保持接通状态，并且第二开关Q2和第三开关Q3保持关断状态。
如果第一开关Q1和第四开关Q4接通，则从电压源S施加的输入电压Vs被施加作为正-反激式变压器的初级侧输入电压VLm,fly+VLm,for。因此，具有与初级线圈相同极性的电压被感应到正激式变压器Tfor的次级线圈，并且因此第一整流二极管DS1以正向偏置导通。因此，能量通过正激式变压器Tfor传输到负载Ro。
此外，具有与反激式变压器Tfly的初级线圈相反极性的电压被感应到反激式变压器Tfly的次级线圈，因此第二整流二极管DS2被反向偏置并因此被阻断。因此，电流仅流入反激式变压器Tfly的初级绕组，并且因此能量由反激式变压器Tfly的磁化电感Lm,fly存储。
再参考图2，控制器200以第一模式驱动低压DC-DC变换器100，然后关断第一开关Q1和第四开关Q4，从而以第二模式(对应于图3的t1至t2的区间)驱动低压DC-DC变换器100(S110)。
图5是在第二模式中的低压DC-DC变换器100的电流流动的示意图。
参考图5，第一开关Q1和第四开关Q4在第二模式(对应于图3的t1至t2的区间)中关断。如果第一开关Q1和第四开关Q4被关断，则通过累积在反激式变压器Tfly的磁化电感Lm,fly中的能量，电流沿第三开关Q3和第二开关Q2的寄生二极管流动，以对钳位电容器Cc充电。此外，由于产生逆电动势，具有与先前状态相反极性的电压被感应到反激式变压器Tfly的次级线圈，并且因此第二整流二极管DS2以正向偏置导通。
在第二模式中，第二开关Q2和第三开关Q3的寄生电容器持续地放电，并且因此第二开关Q2和第三开关Q3满足零电压切换(ZVS)条件。
再参考图2，控制器200以第二模式驱动低压DC-DC变换器100，然后接通第二开关Q2和第三开关Q3，从而以第三模式(对应于图3的t2至t3的区间)驱动低压DC-DC变换器100(S120)。
图6是在第三模式中的低压DC-DC变换器100的电流流动的示意图。
参考图6，第二开关Q2和第三开关Q3在第三模式(对应于图3的t2至t3的区间)中保持接通状态，并且第一开关Q1和第四开关Q4保持关断状态。
如果第二开关Q2和第三开关Q3接通，则从钳位电容器Cc施加的电压-VCc被施加作为正-反激式变压器的初级侧输入电压VLm,fly+VLm,for。因此，具有与初级线圈相同极性的电压被感应到反激式变压器Tfly的次级线圈，并且因此第二整流二极管DS2以正向偏置导通。因此，能量通过反激式变压器Tfly传输到负载Ro。
此外，具有与正激式变压器Tfor的初级线圈相同极性的电压被感应到正激式变压器Tfor的次级线圈，因此第一整流二极管DS1被反向偏置并因此被阻断。此外，正激式变压器Tfor通过从钳位电容器Cc施加的电压-VCc复位。
再参考图2，当以第三模式驱动低压DC-DC变换器100时，控制器200通过电流传感器(未示出)持续检测流入变压器的漏电感Llkg的电流。此外，如果流入变压器的漏电感的电流变为0A(S130)，则关断第二开关Q2，从而以第四模式(对应于图3的t3至t5的区间)驱动低压DC-DC变换器(S140)。为此，DC-DC变换器可以进一步包括电流传感器，以检测流入漏电感Llkg的电流。
图7是在第四模式中的低压DC-DC变换器100的电流流动的示意图。
参考图7，在第四模式(对应于图3的t3至t5的区间)中，第二开关Q2保持关断状态且第三开关Q3保持接通状态。此外，第一开关Q1和第四开关Q4保持关断状态。
如果第二开关Q2关断，则循环电流流经第一开关Q1的寄生二极管，因此电压源S的输出电压与钳位电容器Cc的电压之间的差电压Vs–VCc被施加作为正-反激式变压器的初级侧输入电压VLm,fly+VLm,for。因此，具有与初级线圈相反极性的电压被感应到反激式变压器Tfly的次级线圈，因此第二整流二极管DS2以正向偏置导通。因此，能量通过反激式变压器Tfly传输到负载Ro。
此外，具有与正激式变压器Tfor的初级线圈相同极性的电压被感应到正激式变压器Tfor的次级线圈，因此第一整流二极管DS1被反向偏置并因此被阻断。
再参考图2，控制器200以第四模式驱动低压DC-DC变换器100，然后关断第三开关Q3，从而以第五模式(对应于图3的t5至t’0的区间)驱动低压DC-DC变换器100(S150)。
图8是在第五模式中的低压DC-DC变换器100的电流流动的示意图。
参考图8，第三开关Q3在第五模式(对应于图3的t5至t’0的区间)中关断。如果关断第三开关Q3，则通过累积在正激式变压器Tfor的磁化电感Lm,for中的能量，电流沿第一开关Q1和第四开关Q4的寄生二极管流动达预定时间。此外，由于产生逆电动势，具有与先前状态相反极性的电压被感应到正激式变压器Tfor的次级线圈，并且因此第一整流二极管DS1以正向偏置导通。
在第五模式中，第一开关Q1和第四开关Q4的寄生电容器持续地放电，因此第一开关Q1和第四开关Q4满足零电压切换(ZVS)条件。
控制器200重复执行步骤S100至S150，因此低压DC-DC变换器100执行控制以对从作为高压电池的电压源S输入的电压降压，并且将降压后的电压输出到负载Ro。
根据本公开的示例性实施例的低压DC-DC变换器100操作为全桥有源钳位正-反激式变压器。低压DC-DC变换器100使用反激式变压器的磁化电感限制输出电流。
另一方面，当考虑低压DC-DC转换器100中的每个变压器的饱和时，变压器被设计为具有小的磁化电感，因此除了输出到负载的输出电流之外，还具有在变压器的初级侧循环的大的循环电流，由此显示出高的轻负载传导损耗。此外，如果在驱动低压DC-DC变换器100时，使用交替接通第一开关Q1和第四开关Q4以及第二开关Q2和第三开关Q3的互补开关驱动方案，则变压器显示出巨大的磁通量变化，使得发生变压器的损耗。变压器的损耗和因循环电流导致的传导损耗可以扮演在轻负载时降低效率的因素。
因此，根据本公开的示例性实施例，如图2和图3所示，第二开关Q2仅在第三开关Q3接通的区间的一部分中接通，以减少循环电流，由此降低因循环电流而发生的传导损耗。
如果根据互补开关驱动方案的输入电压与输出电压之间的关系可以由下面公式1表示，则根据图3所示的开关驱动方案的输入电压与输出电压之间的关系可以由下面公式2来表示。
[公式1]
VO/VS＝D/n
[公式2]
VO/VS＝(D/D+D1)/n
参考图3，在上面公式2中，D1对应于电流不连续导通模式(DCM)区间。
比较上面的公式1和公式2，根据本公开的示例性实施例的开关驱动方案可以利用比互补开关驱动方案小的占空比来控制输出电压。因此，根据本公开的示例性实施例的开关驱动方案可以减小变压器中的磁变，以降低变压器的损耗。
因此，当DC-DC变换器在轻负载下操作时，根据本公开的示例性实施例的DC-DC变换器的控制方法可以降低传导损耗和变压器的损耗，由此提高轻负载效率。
根据本公开的示例性实施例的DC-DC变换器的控制方法可以由软件来执行。当控制方法由软件来执行时，本公开的部件为执行所需操作的代码段。程序或代码段可以存储在处理器读取功能介质中，或者可以由与传输介质或通信网络中的载波结合的计算机数据信号来传输。
计算机可读介质包括其中存储可由计算机系统读取的数据的各种记录装置。计算机可读记录装置的示例可以包括ROM、RAM、CD-ROM、DVD_ROM、DVD_RAM、磁带、软盘、硬盘、光数据存储器等。此外，计算机可读记录介质可以分布在通过网络彼此连接的计算机装置中，因此计算机可读代码可以分布式方案存储并执行在计算机可读记录介质中。
附图和详细描述不用于限制本公开的含义或限制权力要求中所述的本公开的范围，而是仅用于说明本公开。因此，本领域的技术人员由此可以容易地执行选择和替换。进一步地，本领域的技术人员可以省略部件，而不降低本说明书中描述的一些部件的性能，或添加部件以提高性能。因此，本领域的技术人员可以根据处理环境或设备改变本说明书中描述的方法的步骤的顺序。因此，本公开的范围由所附权利要求及其等同物来限定，而非由上述实施例限定。

Claims (9)

1.一种DC-DC变换器，包括：
钳位电容器，其一个端子与电压源的接地端子连接；
开关电路，包括彼此串联连接在所述电压源的正端子与接地端子之间的第一开关和第二开关，以及彼此串联连接在所述钳位电容器的两个端子之间的第三开关和第四开关；
正-反激式变压器，包括连接在所述第一开关和所述第二开关之间的第一连接节点与所述第三开关和所述第四开关之间的第二连接节点之间的多个初级线圈；和
控制器，执行控制，以交替地接通第一和第四开关以及第二和第三开关，并且仅在所述第三开关接通的区间的一部分中接通所述第二开关。
2.根据权利要求1所述的DC-DC变换器，其中：
如果在所述第二开关和所述第三开关接通的状态下，流入正-反激式变压器的漏电感的电流变为0，则控制器关断所述第二开关。
3.根据权利要求2所述的DC-DC变换器，还包括：
电流传感器，检测流入漏电感的电流。
4.根据权利要求1所述的DC-DC变换器，其中：
所述正-反激式变压器包括正激式变压器和反激式变压器，所述正激式变压器包括与所述第一连接节点连接的初级线圈，所述反激式变压器包括连接在所述第一连接节点与所述第二连接节点之间的初级线圈。
5.根据权利要求4所述的DC-DC变换器，还包括：
第一整流二极管，连接在所述正激式变压器的次级线圈与负载之间；
第二整流二极管，连接在所述反激式变压器的次级线圈与所述负载之间；和
输出电容器，连接在所述负载的两个端子之间。
6.根据权利要求5所述的DC-DC变换器，其中：
所述第一整流二极管包括与所述正激式变压器的次级线圈连接的阴极和与所述负载的接地端子连接的阳极，并且
所述第二整流二极管包括与所述反激式变压器的次级线圈连接的阴极和与所述负载的接地端子连接的阳极。
7.根据权利要求1所述的DC-DC变换器，其中：
所述第一开关连接在所述电压源的正端子与所述第一连接节点之间，所述第二开关连接在所述第一连接节点与所述电压源的接地端子之间，所述第三开关与所述钳位电容器的一个端子和所述第二连接节点连接，并且所述第四开关连接在所述第二连接节点与所述电压源的接地端子之间。
8.一种DC-DC变换器的控制方法，所述DC-DC变换器包括：钳位电容器，其一个端子与电压源的接地端子连接；开关电路，包括彼此串联连接在所述电压源的正端子与接地端子之间的第一开关和第二开关，以及彼此串联连接在所述钳位电容器的两个端子之间的第三开关和第四开关；和正-反激式变压器，包括连接在所述第一开关和所述第二开关之间的第一连接节点与所述第三开关和所述第四开关之间的第二连接节点之间的多个初级线圈，所述方法包括以下步骤：
由控制器接通所述第一开关和所述第四开关；
如果所述第一开关和所述第四开关接通并且经过预定时间，则由所述控制器关断所述第一开关和所述第四开关；
由所述控制器接通所述第二开关和所述第三开关；
如果所述第二开关和所述第三开关接通并且经过所述预定时间，则由所述控制器关断所述第二开关；以及
如果关断所述第二开关并且经过所述预定时间，则由所述控制器关断所述第三开关。
9.根据权利要求8所述的控制方法，还包括以下步骤：
由所述控制器检测流入所述正-反激式变压器的漏电感的电流，
其中，关断所述第二开关的步骤包括：如果流入所述漏电感的电流为0，则关断所述第二开关。
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