阅读说明：本技术 一种电动汽车大功率充电装置用dc/dc变换器 (DC/DC converter for high-power charging device of electric automobile ) 是由 吴晓刚 刘郑心 于渤洋 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：一种电动汽车大功率充电装置用DC/DC变换器,属于新能源汽车充电系统设计与应用领域。本发明解决了现有充电装置的DC/DC变换器升压拓扑升压比低、末端负载直流侧的电压低、器件应力大,充电速度较慢,难以满足快速充电需求的问题。本发明前端的双电感储能结构相较于单电感结构大幅度提高升压比,特有的后端开关电容结构可以通过电容和二极管使得系统获得更高的电压增益,提升了直流输出侧电压和系统的功率密度。同时,在整流器输出端与负载直流侧中间没有采用隔离型带有变压器DC/DC变换器充当升压结构。本发明适用于大功率汽车充电过程中进行直流变换使用。(A DC/DC converter for a high-power charging device of an electric automobile belongs to the field of design and application of a charging system of a new energy automobile. The charging device solves the problems that the boost topology boost ratio of the DC/DC converter of the existing charging device is low, the voltage of the direct current side of the tail end load is low, the stress of devices is large, the charging speed is slow, and the requirement of quick charging is difficult to meet. Compared with a single inductor structure, the double-inductor energy storage structure at the front end greatly improves the boost ratio, and a special rear-end switch capacitor structure can enable a system to obtain higher voltage gain through a capacitor and a diode, so that the voltage of a direct current output side and the power density of the system are improved. Meanwhile, an isolated DC/DC converter with a transformer is not adopted as a boosting structure between the output end of the rectifier and the direct current side of the load. The invention is suitable for DC conversion in the charging process of high-power automobiles.)

一种电动汽车大功率充电装置用DC/DC变换器

技术领域

本发明属于新能源汽车充电系统设计与应用领域，具体涉及直流变换器。

背景技术

电动汽车以电能为汽车提供动力驱动，对于缓解石油能源紧缺和减少有害气体排放有非常大的促进意义，大力发展电动汽车产业成为全球的趋势。充电基础设施是电动汽车产业中重要的一环，充电装置作为电动汽车充电基础设施的重要组成部分，其性能的优劣将直接影响电动汽车行业的发展。因此，功能完善、安全可靠、兼容性好、充电速度快的电动汽车大功率充电装置对电动汽车行业整体的发展具有重要的实际工程意义。

当前充电装置中DC/DC变换器的研究主要集中在隔离式与非隔离式拓扑结构上。隔离式拓扑结构因为有耦合变压器的存在，导致其体积大、成本高、效率相对较低。

目前大功率充电装置中的DC/DC变换器采用非隔离式拓扑结构，其与前端的整流器直接相连，共同对电网电能进行变换(交流变直流、直流变直流)，并为电动汽车充电。现有非隔离式拓扑结构如boost、buck-boost等)虽然动态响应好、效率高但是由于其电路结构中储能环节较少，在处于向后端释放能量的工作模式时所提供的的能量较少、升压比低，盲目的串并联电感增加储能，会导致系统的体积上升影响整体的功率密度，所以现有的结构不能很好地适应于大功率充电装置并且现有拓扑结构的器件应力大、充电速度较慢，难以满足快速充电的目的。

发明内容

本发明是为了解决现有充电装置的DC/DC变换器升压拓扑升压比低、末端负载直流侧的电压低、器件应力大，充电速度较慢，难以满足快速充电需求的问题。提出了一种电动汽车大功率充电装置用DC/DC变换器。

本发明所述的一种电动汽车大功率充电装置用DC/DC变换器，包括DC/DC变换器主电路1；

DC/DC变换器主电路1包括前端升压结构和后端开关电容结构；

前端升压结构包括储能电感L1、储能电感L2、二极管D1、开关管S1、开关管S2和开关管S3；

后端开关电容结构包括二极管D2、二极管D3、二极管D4、电容C1、电容C2和电容C3；

储能电感L1的一端连接电源V1的正极端；储能电感L1的另一端连接开关管S1的漏极，开关管S1的源极连接源V1的负极端；

开关管S3的漏极连接开关管S1的漏极，开关管S3的源极连接储能电感L2的一端；

二极管D1的正极连接电源V1的正极端，二极管D1的负极连接开关管S3的源极；

电感L2的另一端连接开关管S2的漏极，开关管S2的源极连接电源V1的负极端；

二极管D2的正极连接开关管S2的漏极，二极管D2的负极连接二极管D3的正极，二极管D3的负极连接极管D4的正极，极管D4的负极为DC/DC变换器主电路1正向电源信号输出端；

电容C1的一端连接二极管D2的正极，电容C1的另一端连接二极管D3的负极；

电容C2和电容C3串联，电容C2的一端连接极管D4的负极，电容C3的一端连接电源V1的负极端；

二极管D2的负极还连接电容C2的另一端和电容C3的另一端；

电源V1的负极端为DC/DC变换器主电路1的负向电源信号输出端。

进一步地，还包括DC/DC变换器控制电路2，所述DC/DC变换器控制电路2包括保护电路201、DSP系统202、电压传感器203和电流传感器204；

电压传感器203采集DC/DC变换器主电路1的直流侧输出电压和电源V1的输出电压，电压传感器203的信号输出端连接DSP系统202的电压采集信号输入端；

电流传感器204同时采集电感L1和电感L2的电流信号，电流传感器204的电流信号输出端连接DSP系统202的电流采集信号输入端；

DSP系统202的目标电压信号输入端输入目标电压；所述DSP系统202对接收的目标电压信号和直流侧输出电压进行比较，并根据比较结果利用PI控制算法和闭环控制方法，计算出开关管占空比控制信号，将计算获得的开关管占空比控制信号作为开关管驱动信号输出至保护电路201；

保护电路201的开关管驱动信号输出端同时连接DC/DC变换器主电路1中开关管S1的栅极、开关管S2的栅极和开关管S3的栅极；

所述保护电路201用于检测驱动信号是否过流或过压，当检测的驱动信号过流或过压，停止开关驱动信号输出。

本发明解决了传统升压拓扑升压比低的不足，其前端的双电感储能结构相较于单电感结构大幅度提高升压比，特有的后端开关电容结构可以通过电容和二极管使得系统获得更高的电压增益，提升了直流输出侧电压和系统的功率密度。同时，本申请在整流器输出端与负载直流侧中间没有采用隔离型带有变压器DC/DC变换器充当升压结构，而是采用了非隔离型DC/DC变换器，可以提高变换器效率。

附图说明

图1是本发明所述的电动汽车大功率充电装置用DC/DC变换器主电路的拓扑结构图；

图2是电动汽车大功率充电装置用DC/DC变换器在储能电感充电模式下DC/DC变换器的等效电路图；

图3是电动汽车大功率充电装置用DC/DC变换器在储能电感充电模式下DC/DC变换器的能量流动图，图中带有箭头方向为能量流动方向；

图4是电动汽车大功率充电装置用DC/DC变换器储能电感放电模式下DC/DC变换器的等效电路图；

图5是电动汽车大功率充电装置用DC/DC变换器储能电感放电模式下DC/DC变换器的能量流动图，图中带有箭头方向为能量流动方向；

图6是本发明所述的电动汽车大功率充电装置用DC/DC变换器的主电路及其控制电路的原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一：下面结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种电动汽车大功率充电装置用DC/DC变换器，包括DC/DC变换器主电路1；

DC/DC变换器主电路1包括前端升压结构和后端开关电容结构；

前端升压结构包括储能电感L1、储能电感L2、二极管D1、开关管S1、开关管S2和开关管S3；

后端开关电容结构包括二极管D2、二极管D3、二极管D4、电容C1、电容C2和电容C3；

储能电感L1的一端连接电源V1的正极端；储能电感L1的另一端连接开关管S1的漏极，开关管S1的源极连接源V1的负极端；

开关管S3的漏极连接开关管S1的漏极，开关管S3的源极连接储能电感L2的一端；

二极管D1的正极连接电源V1的正极端，二极管D1的负极连接开关管S3的源极；

电感L2的另一端连接开关管S2的漏极，开关管S2的源极连接电源V1的负极端；

二极管D2的正极连接开关管S2的漏极，二极管D2的负极连接二极管D3的正极，二极管D3的负极连接极管D4的正极，极管D4的负极为DC/DC变换器主电路1正向电源信号输出端；

电容C1的一端连接二极管D2的正极，电容C1的另一端连接二极管D3的负极；

电容C2和电容C3串联，电容C2的一端连接极管D4的负极，电容C3的一端连接电源V1的负极端；

二极管D2的负极还连接电容C2的另一端和电容C3的另一端；

电源V1的负极端为DC/DC变换器主电路1的负向电源信号输出端。

本实施方式所述的拓扑结构在前端增加了一个电感，双电感储能，电感并联充电串联放电，在放电的时候为后端提供更大的能量，且本发明采用开关管与二极管、电容配合使用的方式，使增加电感的同时利用了电容储能和分压的作用保证了结构的高升压比和低器件应力。

进一步地，结合图6说明本实施方式，本实施方式中，还包括DC/DC变换器控制电路2，所述DC/DC变换器控制电路2包括保护电路201、DSP系统202、电压传感器203和电流传感器204；

电压传感器203采集DC/DC变换器主电路1的直流侧输出电压和电源V1的输出电压，电压传感器203的信号输出端连接DSP系统202的电压采集信号输入端；

电流传感器204同时采集电感L1和电感L2的电流信号，电流传感器204的电流信号输出端连接DSP系统202的电流采集信号输入端；

DSP系统202的目标电压信号输入端输入目标电压；所述DSP系统202对接收的目标电压信号和直流侧输出电压进行比较，并根据比较结果利用PI控制算法和闭环控制方法，计算出开关管占空比控制信号，将计算获得的开关管占空比控制信号作为开关管驱动信号输出至保护电路201；

保护电路201的开关管驱动信号输出端同时连接DC/DC变换器主电路1中开关管S1的栅极、开关管S2的栅极和开关管S3的栅极；

所述保护电路201用于检测驱动信号是否过流或过压，当检测的驱动信号过流或过压，停止开关驱动信号输出。

本实施方式中，如图1所示，图中V₂为输出电压，R为负载。

进一步地，DC/DC变换器主电路1包括电感充电模式和电感放电模式：

本实施方式中，电感充电模式的等效电路包括开关管S1、开关管S2、二极管D1、储能电感L1、储能电感L2、二极管D3、电容C1、电容C2和电容C3；

储能电感L1的一端连接电源V1的正极端；储能电感L1的另一端连接开关管S1的漏极，开关管S1的源极连接源V1的负极端；

二极管D1的正极连接电源V1的正极端，二极管D1的负极连接储能电感L2的一端；

储能电感L2的另一端连接开关管S2的漏极，开关管S2的源极连接电源V1的负极端；

电容C1的一端连接开关管S2的漏极，电容C1的另一端连接二极管D3的负极；

二极管D3的正极连接电容C2的一端，电容C2的另一端为DC/DC变换器主电路1的正向电源信号输出端；

电容C3的一端连接二极管D3的正极，电容C3的另一端连接电源V1的负极端；

电源V1的负极端为DC/DC变换器主电路1的负向电源信号输出端。

本实施方案中，该工作模式下，开关管S1、S2同时导通状态，开关管S3相当于断路，该模式下变换器等效电路图如附图2所示，图中V₂为输出电压，R为负载。

储能电感充电模式下，在一个PWM周期内，开关管S1、S2、S3受PWM控制信号驱动。开关管S1、S2导通,开关管S3关断，该模式下DC/DC变换器的等效电路图如附图2所示。

此模式下开关管S1、开关管S2同时导通、开关管S3关断，电源V1直接对储能电感L1进行充电(V1-L1-S1-V1)；电源V1经过二极管D1对储能电感L2进行充电(V1-D1-L2-S2-V1)，储能电感L1、L2的电流线性增加；同时，电容C3经过二极管D3对电容C1进行充电(C3-D3-C1-S2-C3)，电容C2、电容C3同时向负载提供能量，且两个电容的电压之和等于负载端电压，DC/DC变换器的能量流动图如附图3所示。

根据以上分析及附图2、3可以得出电感充电模式下电压方程如下所示：

其中U_C1、U_C2、U_C3分别为电容C₁、C₂、C₃的电压；U_L1on和U_L2on分别为开关管导通时电感L₁、L₂的电压；V₁是变换器输入电压，V₂是变换器输出电压。

进一步地，结合附图4说明本实施方式，本实施方式中，电感放电模式的等效电路包括开关管S3、储能电感L1、储能电感L2、二极管D2、、二极管D4、电容C1、电容C2和电容C3；

储能电感L1的一端连接电源V1的正极端；储能电感L1的另一端连接开关管S3的漏极，开关管S3的源极连接储能电感L2的一端；

二极管D2的正极连接储能电感L2的另一端，二极管D2的负极连接电容C2的一端；电容C2的一端还连接电容C3的一端；电容C3的另一端连接电源V1的负极端；电容C2的另一端连接二极管D4的负极；

电容C1的一端连接二极管D2的正极，电容C1的另一端连接二极管D4的正极；

所述二极管D4的负极为DC/DC变换器主电路1的正向电源信号输出端；电源V1的负极端为DC/DC变换器主电路1的负向电源信号输出端。

储能电感放电模式下，在一个PWM周期内，开关管S1、S2、S3受PWM控制信号驱动。开关管S1、S2关断，开关管S3导通，该模式下DC/DC变换器的等效电路图如附图4所示，图中V₂为输出电压，R为负载。

此模式下开关管S1、开关管S2同时关断、开关管S3导通，电源V1、储能电感L1、储能电感L2三者串联对DC/DC变换器的后端进行供电(V1-L1-S3-L2-D2-C3-V1)、(V1-L1-S3-L2-C1-D4-R-V1)；电源V1、储能电感L1、储能电感L2、电容C1经过二极管D4对负载端供电；电源V1、储能电感L1、储能电感L2经过二极管D2对电容C3充电，储能电感L1、L2的电流线性减小，DC/DC变换器的能量流动图如附图5所示。

根据以上分析及附图4、5可以得出电感充电模式下电压方程如下所示：

其中U_C1、U_C3分别为电容C₁、C₃的电压；U_L1off和U_L2off分别为开关管关断时电感L₁和L₂的电压；V₂是变换器输出电压。

通过对电感L₁和L₂应用伏秒平衡法则得到DC/DC变换器升压比M如公式(3)所示

其中，占空比0<d<1。

本发明所述的拓扑结构包括两部分一部分是由两个电感组成的升压结构另一部分是后端的开关电容结构。相较于现有的拓扑结构如(串联输入并联输出Boost、多相交错式Boost、多相并联Boost等)，该结构所用的器件数目明显减少，极大的降低的拓扑结构的复杂程度，减小了系统的体积，变相的增加的系统的功率密度。此外，该结构由于所采用的开关管数目较少并且三个开关管之间采用的是互补驱动的方式，降低了控制难度，可以有效地减小系统的故障率，保证系统的平稳运行，增强了系统的鲁棒性。本申请的拓扑结构在功率器件的电压应力上也具有优势，由于后端输出直流负载侧采用两个电容串联分压，使得器件的电压应力最大为输出电压的一半，在实际工程应用中为器件的选型带来了极大的便利，也可以节约成本。由于有开关电容这个结构的存在使得变换器的升压比大幅度提高，可以达到2(1+d)/1-d，具有传统升压拓扑结构无法比拟的优势，能够满足电动汽车大功率充电装置用DC/DC变换器高升压比的需求。并且，所提出的拓扑结构在输入和输出端是共地连接，在实际工程应用中会带来极大的便利。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。