一種用于雙向dc/dc變換器的軟開(kāi)關(guān)電路及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)、不間斷電源系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于雙向DC/DC變換器的軟開(kāi)關(guān)電路，本發(fā)明還涉及用于雙向DC/DC變換器的軟開(kāi)關(guān)電路的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)成功解決了環(huán)境污染、能源短缺等問(wèn)題。蓄電 池作為關(guān)鍵部分，能夠?qū)⑵?chē)在制動(dòng)過(guò)程中的能量加以回收利用。隨著車(chē)輛加減速次數(shù)及 蓄電池充放電次數(shù)的增大，嚴(yán)重縮短了蓄電池的壽命。超級(jí)電容作為輔助電源，具有充電迅 速、效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足汽車(chē)在啟動(dòng)過(guò)程中的功率需求。但由于超級(jí)電容本身 特性使得汽車(chē)行駛里程短。因此針對(duì)蓄電池以及超級(jí)電容的混合動(dòng)力汽車(chē)的充放電技術(shù)在 許多國(guó)家中得到了足夠的重視，陸續(xù)開(kāi)展了廣泛的研宄。
[0003] 目前，為了促進(jìn)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)商業(yè)化發(fā)展，汽車(chē)行業(yè)在蓄電池、超級(jí)電容 等儲(chǔ)能設(shè)備上加強(qiáng)了研宄。雙向DC/DC變換器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的充放電，傳統(tǒng)的 Buck-Boost電路有如下缺點(diǎn)：電路輸出側(cè)紋波大，導(dǎo)致電路效率降低甚至能夠燒毀設(shè)備； 二極管反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，它能夠產(chǎn)生大的電流尖峰，造成電路損壞使電路的可靠性降低；開(kāi) 關(guān)管在開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程中，管子上的電流與電壓同時(shí)上升或下降并且隨著開(kāi)關(guān)頻率的增 大，產(chǎn)生很大的開(kāi)關(guān)損耗；電磁干擾嚴(yán)重，隨著頻率的提高，電路中的di/dt和dv/dt增大， 從而產(chǎn)生電磁干擾（EMI)，影響周?chē)脑O(shè)備工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種用于雙向DC/DC變換器的軟開(kāi)關(guān)電路，解決了現(xiàn)有 Buck-Boost電路中開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗大的問(wèn)題。
[0005] 本發(fā)明的另一目的是提供用于雙向DC/DC變換器的軟開(kāi)關(guān)電路的控制方法。
[0006] 本發(fā)明所采用的第一種技術(shù)方案是，包括依次串聯(lián)的輸入電壓源vh、第二主開(kāi)關(guān) 管s2、主電感Lm、輸出電壓源Vi，輸入電壓源Vh的負(fù)極與輸出電壓源Vi的負(fù)極連接，主電感 Lm、輸出電壓源 '的兩端并聯(lián)有第一主開(kāi)關(guān)管Si，第二主開(kāi)關(guān)管&的集電極與第二輔助開(kāi) 關(guān)管Sa2的集電極連接，第二主開(kāi)關(guān)管S2的發(fā)射極與第二輔助開(kāi)關(guān)管Sa2的發(fā)射極之間連接 有諧振電容(；，第二輔助開(kāi)關(guān)管Sa2的發(fā)射極還與第三輔助開(kāi)關(guān)管Sa3的集電極連接，第三輔 助開(kāi)關(guān)管Sa3的發(fā)射極連接有諧振電感k的一端和第一輔助開(kāi)關(guān)管Sal的集電極，諧振電感 L的另一端與第一主開(kāi)關(guān)管Si的集電極連接，第一輔助開(kāi)關(guān)管Sal的發(fā)射極與第一主開(kāi)關(guān) 管Si的發(fā)射極連接。
[0007] 本發(fā)明第一種技術(shù)方案的特點(diǎn)還在于，
[0008] 第一主開(kāi)關(guān)管Si、第二主開(kāi)關(guān)管S2、第一輔助開(kāi)關(guān)管Sal、第二輔助開(kāi)關(guān)管Sa2、第三 輔助開(kāi)關(guān)管Sa3均為攜帶反并聯(lián)二極管或具有反并聯(lián)二極管特性的可關(guān)斷功率開(kāi)關(guān)器件。
[0009] 本發(fā)明所采用的第二種技術(shù)方案是，一種用于雙向DC/DC變換器的軟開(kāi)關(guān)電路的 控制方法，
[0010] 具體按照以下步驟實(shí)施：
[0011] 步驟1、分別產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)第一主開(kāi)關(guān)管Si、第二主開(kāi)關(guān)管&、第一輔助開(kāi)關(guān)管sal、 第二輔助開(kāi)關(guān)管sa2、第三輔助開(kāi)關(guān)管Sa3的第一脈沖序列Vs_sl、第二脈沖序列Vs_s2、第三 脈沖序列Vs_sal、第四脈沖序列Vs_sa2、第五脈沖序列Vs_sa3 ;
[0012] 步驟2、步驟1中的產(chǎn)生的第一脈沖序列Vs_sl、第三脈沖序列Vs_sal通過(guò)驅(qū)動(dòng)電 路分別驅(qū)動(dòng)第一主開(kāi)關(guān)管Si、第一輔助開(kāi)關(guān)管Sal，即實(shí)現(xiàn)了Boost模式下的軟開(kāi)關(guān)；
[0013] 步驟1中的產(chǎn)生的第二脈沖序列Vs_s2、第四脈沖序列Vs_sa2、第五脈沖序列Vs_ sa3通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路分別驅(qū)動(dòng)第二主開(kāi)關(guān)管S2、第二輔助開(kāi)關(guān)管Sa2、第三輔助開(kāi)關(guān)管Sa3，即實(shí) 現(xiàn)了Buck模式下的軟開(kāi)關(guān)。
[0014] 本發(fā)明第二種技術(shù)方案的特點(diǎn)還在于，
[0015] 第二脈沖序列Vs_s2的產(chǎn)生方法為：通過(guò)DSP產(chǎn)生基礎(chǔ)PWM波Vs_Buck，將基礎(chǔ)PWM 波Vs_Buck延遲AT1后生成的信號(hào)與基礎(chǔ)PWM波Vs_Buck進(jìn)行邏輯與，產(chǎn)生的脈沖序列為 第二脈沖序列Vs_s2 ;
[0016] 第四脈沖序列Vs_sa2的產(chǎn)生方法為：將第二脈沖序列Vs_s2取反得到信號(hào)sl，將 第二脈沖序列Vs_s2延遲AT4生成的信號(hào)與第二脈沖序列Vs_s2進(jìn)行邏輯與得到信號(hào)s2， 信號(hào)si與信號(hào)s2邏輯或得到生成信號(hào)s3,第二脈沖序列Vs_s2延遲AT3生成的信號(hào)與第 二脈沖序列Vs_s2進(jìn)行邏輯與再取反后得到信號(hào)s4,信號(hào)s3與信號(hào)s4進(jìn)行邏輯或，產(chǎn)生的 脈沖序列為第四脈沖序列Vs_sa2 ;
[0017] 第五脈沖序列Vs_sa3的產(chǎn)生方法為：通過(guò)DSP產(chǎn)生基礎(chǔ)PWM波Vs_Buck，第二脈 沖序列Vs_s2延遲AT2后取反所產(chǎn)生的信號(hào)與基礎(chǔ)PWM波Vs_Buck進(jìn)行邏輯與，產(chǎn)生的脈 沖序列為第五脈沖序列Vs_sa3。
[0018] ATl= 3us，AT2 = 2us，AT3 =lus，AT4 = 5us〇
[0019] 第二脈沖序列Vs_s2的產(chǎn)生方法為：通過(guò)DSP產(chǎn)生基礎(chǔ)PWM波Vs_Buck，將基礎(chǔ)PWM 波Vs_Buck延遲AT1后生成的信號(hào)與基礎(chǔ)PWM波Vs_Buck進(jìn)行邏輯與，產(chǎn)生的脈沖序列為 第二脈沖序列Vs_s2 ;
[0020] 第四脈沖序列Vs_sa2的產(chǎn)生方法為：將第二脈沖序列Vs_s2延遲AT3生成的信 號(hào)與第二脈沖序列Vs_s2進(jìn)行邏輯與得到信號(hào)sl，將信號(hào)si延遲AT4生成信號(hào)s2,將信 號(hào)s2、信號(hào)si進(jìn)行邏輯與得到信號(hào)S3,將信號(hào)S3與信號(hào)si進(jìn)行邏輯異或所生成的信號(hào)取 反得到信號(hào)s4,將第二脈沖序列Vs_s2取反的信號(hào)與信號(hào)s4進(jìn)行邏輯或，產(chǎn)生的脈沖序列 為第四脈沖序列Vs_sa2 ;
[0021] 第五脈沖序列Vs_sa3的產(chǎn)生方法為：通過(guò)DSP產(chǎn)生基礎(chǔ)PWM波Vs_Buck，第二脈 沖序列Vs_s2延遲AT2后取反所產(chǎn)生的信號(hào)與基礎(chǔ)PWM波Vs_Buck進(jìn)行邏輯與，產(chǎn)生的脈 沖序列為第五脈沖序列Vs_sa3。
[0022] AT1 = 3us，AT2 = 2us，AT3 = 2us，AT4 = 4us。
[0023] 本發(fā)明的有益效果是：
[0024] 本發(fā)明中采用諧振電感Lr、諧振電容并聯(lián)諧振，使得Boost模式或Buck模式下 第一主開(kāi)關(guān)管Si或第二主開(kāi)關(guān)管S2零電壓開(kāi)通，降低了開(kāi)關(guān)損耗；同時(shí)本發(fā)明中Buck模式 中為蓄電池充電中第二輔助開(kāi)關(guān)管Sa2、第三輔助開(kāi)關(guān)管Sa3同時(shí)關(guān)斷，通態(tài)電流較小，能夠 為蓄電池充電；本發(fā)明中Buck模式中為超級(jí)電容充電中使得所有開(kāi)關(guān)管均能實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)通 和軟關(guān)斷，極大的降低了開(kāi)關(guān)損耗，能夠快速穩(wěn)定的為超級(jí)電容充電。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1是本發(fā)明中用于雙向DC/DC變化器的軟開(kāi)關(guān)電路的拓?fù)鋱D；
[0026] 圖2是本發(fā)明中Boost模式下各時(shí)刻波形圖；
[0027] 圖3是本發(fā)明中Boost模式下各時(shí)刻工作模式圖；
[0028] 圖4是本發(fā)明中Buck模式下給蓄電池充電中的三個(gè)脈沖序列的產(chǎn)生原理圖；
[0029] 圖5是本發(fā)明中Buck模式下給蓄電池充電的各時(shí)刻波形圖；
[0030] 圖6是本發(fā)明中Buck模式下給蓄電池充電的各時(shí)刻工作模式圖；
[0031] 圖7是本發(fā)明中Buck模式下給超級(jí)電容充電中的第四脈沖序列Vs_sa2的產(chǎn)生原 理圖；
[0032] 圖8是本發(fā)明中Buck模式下給超級(jí)電容充電的各時(shí)刻波形圖；
[0033] 圖9是本發(fā)明中Buck模式下給超級(jí)電容充電的各時(shí)刻工作模式圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0035] 一種用于雙向DC/DC變換器的軟開(kāi)關(guān)電路，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，包括依次串聯(lián)的 輸入電壓源Vh、第二主開(kāi)關(guān)管S2 (第二主開(kāi)關(guān)管S2采用絕緣柵極雙極晶體管IGBT，第二主 開(kāi)關(guān)管S2的集電極和發(fā)射極之間反并聯(lián)第二體二極管D2)、主電感k、輸出電壓源 ' (也就 是帶充放電的對(duì)象，即蓄電池或者超級(jí)電容，即本發(fā)明中給蓄電池或者超級(jí)電容充放電也 就是給輸出電壓源％進(jìn)行充放電），輸入電壓源Vh的負(fù)極與輸出電壓源Vi的負(fù)極連接，主 電感Lm、輸出電壓源 '的兩端并聯(lián)有第一主開(kāi)關(guān)管Si(第一主開(kāi)關(guān)管Si采用絕緣柵極雙極 晶體管IGBT，第一主開(kāi)關(guān)管Si的集電極和發(fā)射極之間反并聯(lián)第一體二極管D^，第二主開(kāi)關(guān) 管S2的集電極與第二輔助開(kāi)關(guān)管Sa2 (第二輔助開(kāi)關(guān)管Sa2采用絕緣柵極雙極晶體管IGBT， 第二輔助開(kāi)關(guān)管Sa2的集電極和發(fā)射極之間反并聯(lián)第二輔助體二極管Da2)的集電極連接，第 二主開(kāi)關(guān)管S2的發(fā)射極與第二輔助開(kāi)關(guān)管Sa2的發(fā)射極之間連接有諧振電容Cp第二輔助 開(kāi)關(guān)管Sa2的發(fā)射極還與第三輔助開(kāi)關(guān)管Sa3 (第三輔助開(kāi)關(guān)管Sa3米用絕緣柵極雙極晶體管 IGBT，第三輔助開(kāi)關(guān)管Sa3的集電極和發(fā)射極之間反并聯(lián)第三輔助體二極管Da3)的集電極連 接，第三輔助開(kāi)關(guān)管Sa3的發(fā)射極連接有諧振電感k的一端和第一輔助開(kāi)關(guān)管Sal (第一輔 助開(kāi)關(guān)管Sal采用絕緣柵極雙極晶體管IGBT，第一輔助開(kāi)關(guān)管Sal的集電極和發(fā)射極之間反 并聯(lián)第一輔助體二極管Dal)的集電極，諧振電感L的另一端與第一主開(kāi)關(guān)管Si的集電極連 接，第一輔助開(kāi)關(guān)管Sal的發(fā)射極與第一主開(kāi)關(guān)管S:的發(fā)射極連接。
[0036] 一種用于雙向DC/DC變換器的軟開(kāi)關(guān)電路的控制方法，具體按照以下步驟實(shí)施：
[0037] ①實(shí)現(xiàn)Boost模式下的軟開(kāi)關(guān)
[0038] 步驟1、分別產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)第一主開(kāi)關(guān)管Si、第一輔助開(kāi)關(guān)管Sal的第一脈沖序列 Vs_sl(第一脈沖序列Vs_sl為PWM波）、第三脈沖序列Vs_sal(第三脈沖序列Vs_sal為 PWM波），（即關(guān)斷第二主開(kāi)關(guān)管S2、第二輔助開(kāi)關(guān)管Sa2、第三輔助開(kāi)關(guān)管Sa3)，
[0039]步驟2、步驟1中的產(chǎn)生的第三脈沖序列Vs_sal通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)第一輔助開(kāi)關(guān) 管Sal，然后第一脈沖序列Vs_sl通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)第一主開(kāi)關(guān)管Si，第一主開(kāi)關(guān)管Si開(kāi)通 后關(guān)斷第一輔助開(kāi)關(guān)管sal，即實(shí)現(xiàn)了Boost模式下的軟開(kāi)關(guān)。
[0040] 如圖2所示為本發(fā)明中Boost模式下各時(shí)刻波形圖，包括第一主開(kāi)關(guān)管Si兩端的 電壓與電流波形，第一輔助開(kāi)關(guān)管Sal兩端的電壓與電流波形，諧振電感k兩端的電壓電流 波形，諧振電容(；兩端的電流電壓波形，第二體二極管D2、第二輔助體二極管Da2、第三輔助 體二極管Da3的電流波形。從圖中可以看到第一主開(kāi)關(guān)管Si能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開(kāi)通，第一輔 助開(kāi)關(guān)管Sal零電流開(kāi)通。
[0041] 如圖3所示為本發(fā)明中Boost模式下各時(shí)刻工作模式圖，分析圖中開(kāi)關(guān)模態(tài)如 下：
[0042] 開(kāi)關(guān)模態(tài)lakh]):
[0043] 如圖3(a)所示，&時(shí)刻第一輔助開(kāi)關(guān)管Sal受控開(kāi)通，第二體二極管02上的電流 iD2開(kāi)始向諧振電感k換流，諧振電感k上的電流線性上升，并且此時(shí)輸出電壓源Vi向諧振 電容充電。當(dāng)諧振電感上的電流i&=iu時(shí)，模態(tài)1結(jié)束。
[0044] 開(kāi)關(guān)模態(tài)2 ([t2,t3)?開(kāi)關(guān)模態(tài)3 ([t3,t4]):
[0045] 如圖3 (b)所示，當(dāng)?shù)诙w二極管D2過(guò)零關(guān)斷后，諧振電容Q與諧振電感L始 諧振，諧振電容C,上的電壓V&逐漸下降，U,持續(xù)增大，當(dāng)V&下降至零時(shí)，模態(tài)2結(jié)束，此 時(shí)第一體二極管〇1還未導(dǎo)通，當(dāng)V&〈0V時(shí)，模態(tài)3開(kāi)始，如圖3 (c)所示，第一體二極管口:導(dǎo) 通，第