一种车载充放电电路的控制器及车载充放电装置的制作方法

1.本技术涉及电力电子技术领域，特别涉及一种车载充放电电路的控制器及车载充放电装置。


背景技术：

2.图1a所示为一种三端口车载充放电电路，其三种端口分别是：可以接收汽车外部电能的母线侧端口(其电压为vbus)，可以为汽车高压动力电池供电的高压侧端口(其电压为hv)，以及，可以为汽车低压设备供电的低压侧端口(其电压为lv)。
3.该三端口车载充放电电路可以工作在充电模式与逆变模式，充电模式下要求能量从母线侧向高压侧与低压侧传输、实现各端口的上述功能，而逆变模式下要求能量从高压侧向母线侧与低压侧传输、能够对外供电。现有技术中采用移相控制策略实现该要求，具体实现方式如下：在母线侧与高压侧的全桥转换电路中，分别保证同一桥臂开关管(如q1与q2，q3与q4，q5与q6，q7与q8)的驱动信号互补，对角开关管(如q1与q4，q2与q3，q5与q8，q6与q7)的驱动信号一致，并通过控制母线侧驱动信号与高压侧驱动信号之间的移相角来调节能量场传输。
4.但是，在低压侧半桥转换电路中，需要设置辅路来调节低压侧电压，且辅路开关管q11执行硬开关，因此存在较大的关断电压尖峰，会影响器件的可靠性。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术提供一种车载充放电电路的控制器及车载充放电装置，以增强器件的可靠性。
6.为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：
7.本技术第一方面提供了一种车载充放电电路的控制器，所述车载充放电电路包括：母线侧全桥转换电路、高压侧全桥转换电路、低压侧半桥转换电路及连接三者交流侧的变压器；所述控制器包括：处理器和驱动模块；其中，
8.所述处理器用于采用移相控制，输出三个转换电路中各开关管的控制信号；
9.所述驱动模块用于根据各所述控制信号，分别输出对应的驱动信号至相应开关管的控制端；且所述母线侧全桥转换电路与所述高压侧全桥转换电路的驱动信号之间存在第一移相角，所述母线侧全桥转换电路中两个桥臂的驱动信号之间存在第二移相角，所述低压侧半桥转换电路中辅路开关管的驱动信号的关断时刻处于所述母线侧全桥转换电路的交流侧零电压状态时间内。
10.可选的，所述低压侧半桥转换电路中的续流开关管，其驱动信号的开通时刻处于所述母线侧全桥转换电路的交流侧零电压状态时间内。
11.可选的，所述第二移相角为：固定值，或者，实时变化的值。
12.可选的，所述第二移相角的取值条件包括：
13.所述母线侧全桥转换电路的交流侧零电压状态时间，大于等于所述辅路开关管及
所述续流开关管驱动信号之间的死区时间。
14.可选的，所述第二移相角的取值条件包括：
15.所述母线侧全桥转换电路的交流侧正负电压状态时间，满足对于所述车载充放电电路的功率传输要求，和/或，软开关范围要求。
16.可选的，所述母线侧全桥转换电路与所述高压侧全桥转换电路中：
17.对角开关管的驱动信号一致；
18.同一桥臂中上下桥臂开关管的驱动信号互补。
19.可选的，所述母线侧全桥转换电路与所述高压侧全桥转换电路中，各开关管的驱动信号占空比为0.5。
20.可选的，所述低压侧半桥转换电路中同步整流管的驱动信号，跟随所述母线侧全桥转换电路中与所述变压器相应绕组同名端相连的桥臂的驱动信号。
21.本技术第二方面还提供了一种车载充放电装置，包括：车载充放电电路，及，如上述第一方面任一种所述的车载充放电电路的控制器；
22.所述车载充放电电路包括：母线侧全桥转换电路、高压侧全桥转换电路、低压侧半桥转换电路及连接三者交流侧的变压器；
23.所述母线侧全桥转换电路、所述高压侧全桥转换电路及所述低压侧半桥转换电路，均受控于所述控制器。
24.可选的，所述低压侧半桥转换电路中包括：半桥电路和降压电路；
25.所述半桥电路的输入端连接所述变压器中相应绕组的两端；
26.所述半桥电路的输出端连接所述降压电路的输入端负极；
27.所述降压电路的输入端正极连接所述绕组的中点；
28.所述降压电路的输出端作为所述低压侧半桥转换电路的输出端；
29.所述降压电路的主开关管作为所述低压侧半桥转换电路的辅路开关管；
30.所述降压电路的续流开关管作为所述低压侧半桥转换电路的续流开关管。
31.可选的，所述车载充放电电路中，还包括：两个吸收电路，分别与所述辅路开关管及所述续流开关管并联连接。
32.本技术提供的车载充放电电路的控制器，对该车载充放电电路采用移相控制，其对于母线侧全桥转换电路与高压侧全桥转换电路的驱动信号之间存在第一移相角，且其对于母线侧全桥转换电路中两个桥臂的驱动信号之间存在第二移相角，使得母线侧全桥转换电路能够输出三电平电压波形；同时，其控制低压侧半桥转换电路中的辅路开关管，在母线侧全桥转换电路的交流侧零电压状态时间内关断，使该辅路开关管的关断过程在零电压状态阶段完成，从而可以降低辅路开关管的关断电压尖峰，减少了电压应力，相比现有技术增强了器件的可靠性。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
34.图1a、图1b及图1c分别为现有技术提供的车载充放电电路的三种电路图；
35.图2为本技术实施例提供的车载充放电电路的控制器的结构示意图；
36.图3为现有技术提供的车载充放电电路的驱动信号波形图；
37.图4为本技术实施例提供的车载充放电电路的驱动信号波形图；
38.图5为图3所示情况下辅路开关管q11的电压波形图；
39.图6为图4所示情况下辅路开关管q11的电压波形图。
具体实施方式
40.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做出创造性劳动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。
41.在本技术中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
42.本技术提供一种车载充放电电路的控制器，以增强器件的可靠性。
43.如图1a所示，该车载充放电电路包括：母线侧全桥转换电路101、高压侧全桥转换电路102、低压侧半桥转换电路103及连接三者交流侧的变压器tr。
44.该母线侧全桥转换电路101中：开关管q1与q2为同一桥臂开关管，两者的连接点a与变压器tr中第一绕组n1的同名端a相连；开关管q3与q4为同一桥臂开关管，两者的连接点b通过电容cb与第一绕组n1的异名端b相连；开关管q1与q3作为两个上桥臂的开关管，连接点作为该母线侧全桥转换电路101的直流侧正极；开关管q2与q4作为两个下桥臂的开关管，连接点作为该母线侧全桥转换电路101的直流侧负极；该母线侧全桥转换电路101的直流侧正负极之间设置有电容c1，其两端电压为母线侧端口的电压vbus；变压器tr该侧还存在励磁绕组lm1。
45.该高压侧全桥转换电路102中：开关管q5与q6为同一桥臂开关管，两者的连接点c通过电容cr与变压器tr中第二绕组n2的同名端相连；开关管q7与q8为同一桥臂开关管，两者的连接点d通过电感lr与第二绕组n2的异名端相连；开关管q5与q7作为两个上桥臂的开关管，连接点作为该高压侧全桥转换电路102的直流侧正极；开关管q6与q8作为两个下桥臂的开关管，连接点作为该高压侧全桥转换电路102的直流侧负极；该高压侧全桥转换电路102的直流侧正负极之间设置有电容c2，其两端电压为高压侧端口的电压hv。
46.该低压侧半桥转换电路103中：开关管q9与q10为同步整流管，两者构成半桥电路301，两者的连接点g作为半桥电路301的输出端、连接降压电路302的输入端负极和输出端负极；开关管q9的另一端作为半桥电路302的输入端一点e、连接变压器tr中第三绕组n3的同名端相连；开关管q10的另一端作为半桥电路302的输入端另一点g、连接变压器tr中第四绕组n4的异名端相连；辅路开关管q11、续流开关管q12、电感l及电容c3构成的半桥电路301作为辅路，其中，处于主开关管位置的辅路开关管q11，其外侧连接点f作为降压电路302的
输入端正极、连接第三绕组n3异名端与第四绕组n4同名端的连接点f；电容c3的两端作为降压电路302的输出端也即低压侧半桥转换电路103的输出端，其电压为低压侧端口的电压lv。实际应用中，该续流开关管q12也可以由图1b中所示的续流二极管d12代替，均在本技术的保护范围内。
47.如图2所示，该控制器包括：处理器201和驱动模块202；其中，处理器201用于实现对于该车载充放电电路中各开关管q1～q12的控制，具体可以采用移相控制，输出三个转换电路中各开关管q1～q12的控制信号；而该驱动模块202用于根据各控制信号，分别输出对应的驱动信号至相应开关管的控制端，其具体可以包括对于各开关管控制信号进行放大处理功能的驱动电路，若存在控制信号相同的开关管也可以共用同一驱动电路，此处不做具体限定，视其应用环境而定即可，均在本技术的保护范围内。具体的：
48.母线侧全桥转换电路101与高压侧全桥转换电路102中：不同桥臂中不同位置的开关管分别构成了一对对角开关管，其驱动信号一致，如图3中所示的q1与q4的驱动信号一致，q2与q3的驱动信号一致，q5与q8的驱动信号一致，q6与q7的驱动信号一致；而同一桥臂中上下桥臂开关管，其驱动信号互补，如图3中所示的q1与q2的驱动信号互补，q3与q4的驱动信号互补，q5与q6的驱动信号互补，q7与q8的驱动信号互补；为避免上下桥臂开关管直通，两者驱动信号之间可以存在一定的死区时间t1。实际应用中，各开关管的驱动信号占空比可以为0.5，也可以根据实际应用情况而进行改变，均在本技术的保护范围内。
49.该移相控制中，在母线侧全桥转换电路101与高压侧全桥转换电路102的驱动信号之间存在第一移相角如图3中所示，开关管q5的开通时刻与q1的开通时刻之间，存在第一移相角带来的时间间隔t2。通过调节该第一移相角可以调节该车载充放电电路的能量场传输，使其工作于充电模式或逆变模式。
50.而低压侧半桥转换电路103中，其同步整流管q9和q10的驱动信号会跟随母线侧全桥转换电路101中与第一绕组n1同名端相连的桥臂的驱动信号，如图3中所示，q9与q2的驱动信号一致，q10与q1的驱动信号一致；但是，由于辅路开关管q11为硬开关，其关断时会产生较高的电压尖峰，容易造成开关管器件损坏，影响器件的可靠性，因此就需要更高耐压的器件与额外的吸收电路(比如图1c中电容cs1和电阻rs1构成的串联支路，或者，电容cs2和电阻rs2构成的串联支路)，而这会增加成本，并带来了额外的吸收损耗。
51.现有技术中存在一种方案是，在同步整流管q9和q10切换导通时的死区时间t1内，完成辅路开关管q11的关断，如图3所示；该方案下，由于该死区时间t1较短，会导致对电压尖峰的抑制作用有限，仍然需要耐压更高的器件与额外的吸收电路，也即仍然存在成本高和吸收损耗高的问题。
52.因此，本实施例中，通过控制器的控制，为母线侧全桥转换电路101中两个桥臂的驱动信号之间增加一个第二移相角使得这两个桥臂中原本驱动信号一致的对角开关管，即q1与q4，以及，q2与q3，其驱动信号的相同动作时刻之间存在一个时间间隔t3，如图4所示；进而，母线侧全桥转换电路101交流侧的输出电压v
ab
会调整为三电平波形，即第一绕组n1两端ab之间的电压会存在取值为零的状态；在这一交流侧零电压状态时间t4内，低压侧半桥转换电路103所接的第三绕组n3和第四绕组n4的电压也为零；若在这一时间内控制辅路开关管q11完成关断，即可实现零电压关断，降低电压尖峰。也即，本实施例设置低压侧
半桥转换电路103中辅路开关管q11的驱动信号的关断时刻处于母线侧全桥转换电路101的交流侧零电压状态时间t4内。
53.本实施例提供的该车载充放电电路的控制器，通过上述原理，使该辅路开关管q11的关断过程在零电压状态阶段(也即母线侧全桥转换电路101的交流侧零电压状态时间t4)完成，从而可以降低辅路开关管的关断电压尖峰，减少了电压应力，相比现有技术增强了器件的可靠性。
54.而且，通过实际测试，可以得到图3和图4两种设置情况下的电压尖峰效果：
55.如图5所示，其为基于图3中所示死区时间t1内关断q11情况下的电压波形；可以看出该电压波形稳定值为20v，但电压尖峰达到60v，超出了电压稳定值的2倍。
56.而图6为基于图4所示零电压状态阶段关断q11情况下的电压波形，可以看出电压波形稳定值20v的情况下，其电压尖峰为40v，仅超出电压稳定值的1倍。
57.可见，相比死区时间关断的控制方式，本实施例提供的基于零电压状态阶段关断的控制方式，可以多降低1倍的电压尖峰，进而无需选用更高耐压的器件与额外的吸收电路，降低成本和吸收损耗。
58.也即，与图3所示情况相比，本实施例在相同器件下，辅路开关管q11的关断损耗具有更低的电压尖峰，降低了吸收电路的损耗，增强了器件的可靠性，而且降低了关断损耗，提高了传输效率。当然，实际应用中，从安全可靠的角度出发，也可以保留这两个吸收电路，但依然可以降低吸收损耗以及器件选型成本。
59.在上一实施例的基础之上，如图1a中所示，在该低压侧半桥转换电路103中存在该续流开关管q12的情况下，优选设置其驱动信号的开通时刻也处于母线侧全桥转换电路101的交流侧零电压状态时间t4内，进而使得q11与q12的通断操作均在该交流侧零电压状态时间内完成。
60.这时，控制器对于该第二移相角的取值，有一个取值条件是：母线侧全桥转换电路101的交流侧零电压状态时间t4，大于等于辅路开关管q11及续流开关管q12驱动信号之间的死区时间t1。
61.实际应用中，该第二移相角的取值较小时，对第一移相角调节能量传输的影响较小，可以忽略；但是，当其取值较大时则不可忽略；所以，不论采用何种结构，该第二移相角的取值，都还可以有一个取值条件是：母线侧全桥转换电路101的交流侧正负电压状态时间，即动作周期-t4，满足对于车载充放电电路的功率传输要求，和/或，软开关范围要求。
62.值得说明的是，该第二移相角可以是一个固定值，或者，也可以是一个实时变化的值，视其具体应用环境而定即可。具体的：
63.(1)当该第二移相角为固定值时，该值的选取可以依据辅路开关管q11的动作时间来设定最小值，即保证辅路开关管q11关断、续流开关管q12开通的最小动作时间，令第二移相角的最小值大于该动作时间，足够减小电压尖峰即可。即移相角的最小值必须大于q11和q12切换的动作时间，这个切换时间包含了两者之间的死区时间t1。
64.(2)当该第二移相角为固定值时，该值的选取可以依据功率传输要求，即仅考
虑满足功率传输的要求选取该第二移相角的固定取值；也可以依据软开关范围的要求选取移该第二移相角的固定取值；还可以综合考虑功率传输和软开关范围的要求，即在保证实现功率传输的前提下，选取一个该第二移相角的固定取值，能够满足软开关范围最大。
65.以图1a所示结构为例进行说明，实际应用中，母线侧全桥转换电路101的两个桥臂之间的第二移相角为固定值，并且取值较小。其取值的下限要求能够有足够的零电压状态时间t4，保证辅路开关管在考虑了q11和q12之间的死区时间t1的前提下依然能够在这个时间t4内完成对应的关断。q11和q12的关断与开通必须在第二移相角对应的时间t4里，因此第二移相角应使零电压状态时间t4至少大于该死区时间t1。而该第二移相角的取值上限则是综合考虑能量传输与关断电压尖峰，既不能影响能量传输，又不能使关断电压尖峰过高。如图4中所示，母线侧开关管q1&q4、q2&q3之间存在较小的固定移相角所带来的时间间隔t3，则辅路端口电压v
fg
出现零电压状态时间t4，在该时间内辅路开关管q11完成关断，同时q12与q11驱动信号互补，因此也在该零电压状态时间t4内完成开通。也即，实际应用中，可以在满足电路传输功率的要求下，使该第二移相角尽量取一个较小的值，能够减小电压尖峰即可。
66.(3)该第二移相角也可以为一个实时变化的值，该变化值的选取依据可以是功率传输要求或者软开关范围，也可以是功率传输和软开关范围的综合要求，还可以是其他要求，均在本技术的保护范围内。实际应用中，该第二移相角的变化值可以是先结合功率传输、软开关范围等计算所得的，所以其变化值只用考虑所要减小的电压尖峰即可；此时，具体的实现方式可以采用现有的内移相控制策略，但相应的控制过程比取固定值的情况复杂，而取固定值的方案更为简单方便。
67.也即，该第二移相角的取值无论是固定的还是变化的，都必须大于q11与q12切换动作时间，取值上限则是以实际所要减小的电压尖峰为准。但是，随着其取值变大，电压尖峰被减小的幅度更大，而其过大的取值又会影响功率传输、软开关范围，所以可以综合考虑电压尖峰、功率传输、软开关范围等。一般情况下，这个该第二移相角与v
ab
正负电压的时间相比是非常小的，所以，其对功率传输的实际影响较小。
68.本技术另一实施例还提供了一种车载充放电装置，其包括：车载充放电电路，及，如上述任一实施例所述的车载充放电电路的控制器。
69.参见图1a，该车载充放电电路包括：母线侧全桥转换电路101、高压侧全桥转换电路102、低压侧半桥转换电路103及连接三者交流侧的变压器tr；其中：
70.母线侧全桥转换电路101中主要包括开关管q1、q2、q3及q4构成的全桥电路；其具体结构及工作原理可以参见上述实施例，此处不再一一赘述。
71.高压侧全桥转换电路102中主要包括开关管q5、q6、q7及q8构成的全桥电路；其具体结构及工作原理可以参见上述实施例，此处不再一一赘述。
72.该低压侧半桥转换电路103中包括：半桥电路301和降压电路302；其中，半桥电路301的输入端连接变压器tr中第三绕组n3的同名端及第四绕组n4的异名端；半桥电路301的输出端连接降压电路302的输入端负极；降压电路302的输入端正极连接第三绕组n3异名端
与第四绕组n4同名端的连接点f；降压电路302的输出端作为低压侧半桥转换电路103的输出端；降压电路302的主开关管q11作为低压侧半桥转换电路103的辅路开关管，对于图1a所示的结构，即降压电路302中存在续流开关管q12时，其也即低压侧半桥转换电路103的续流开关管。
73.实际应用中，该车载充放电电路中，还可以包括：两个吸收电路，分别与辅路开关管q11及续流开关管q12并联连接。其中，与辅路开关管q11并联连接的吸收电路为：图1c中电容cs1和电阻rs1构成的串联支路，与续流开关管q12并联连接的吸收电路为：图1c中电容cs2和电阻rs2构成的串联支路。
74.其中，母线侧全桥转换电路101、高压侧全桥转换电路102及低压侧半桥转换电路103，均受控于该控制器。该控制器与整车控制器通信连接，其具体控制原理参见上述内容即可，此处不再一一赘述。
75.本说明书中的各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
76.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
77.对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。