保护电路、DC-DC转换器、电池充电器和电动车辆的制作方法

保护电路、dc-dc转换器、电池充电器和电动车辆
技术领域
1.本公开涉及用于保护直流dc-dc转换器免受开关损耗的技术。
2.本技术要求于2020年9月2日在韩国提交的韩国专利申请no.10-2020-0111845的优先权，其公开内容在此引入作为参考。


背景技术：

3.近来，对便携式电子产品(例如膝上型计算机、摄像机和移动电话)的需求迅速增加，并且随着电动车辆、用于能量存储的蓄电池、机器人和卫星的广泛发展，正在对可重复充电的高性能电池进行许多研究。
4.目前，市场上可买到的电池包括镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池、锂电池等，其中锂电池几乎没有记忆效应或没有记忆效应，因此它们比镍基电池更受关注，因为它们的优点是只要方便就可以进行再充电、自放电率非常低、能量密度高。
5.电动车辆包括电池和电池充电器。当通过充电电缆连接到外部电源时，电池充电器使用来自外部电源的输入电力来产生用于电池的充电电力。通常，电池充电器包括直流dc-dc转换器以产生低于输入电压的输出电压。
6.为了跟上近来朝向轻型电动车辆发展的趋势，对更轻和更小的dc-dc转换器的需求日益增长。为了减小dc-dc转换器的重量和尺寸，需要增加开关信号的开关频率而不是减小包括在dc-dc转换器中的每个物理设备的尺寸。
7.图1是普通dc-dc降压转换器的示意图。参考图1，dc-dc转换器包括：降压开关(buck switch)swb，其连接在电压输入端子ni和第一节点n1之间；降压电感器lb，其连接在第一节点n1和电压输出端子no之间；降压电容器cb，其连接在电压输出端子no和地之间；以及降压二极管db，其连接在第一节点n1和地之间。当降压开关swb从导通状态切换到断开状态时，降压二极管db导通，并且在第一节点n1和地之间提供实质上等于0v的电压。相反，当降压开关swb从断开状态切换到导通状态时，降压二极管db截止，并且在第一节点n1和地之间提供实质上等于输入电压v
in
的电压。结果，每当降压开关swb在导通状态和断开状态之间切换时，在降压开关swb两端出现实质上等于输入电压v
in
的电压应力(voltage stress)。
8.然而，由于dc-dc转换器的开关损耗与电压应力成比例，所以当开关频率增加时，dc-dc转换器的功率效率降低，并且dc-dc转换器过热。


技术实现要素：

9.技术问题
10.本公开旨在解决上述问题，因此本公开旨在提供一种用于保护直流(dc)-dc转换器免受开关损耗影响的保护电路、包括该保护电路的电池充电器以及包括该电池充电器的电动车辆。
11.本公开的这些和其他目的和优点可以通过以下描述来理解，并且将从本公开的实施方式变得明显。此外，将容易理解，本公开的目的和优点可通过所附权利要求及其组合中
阐述的手段来实现。
12.技术方案
13.根据本公开的一方面的一种保护电路用于直流(dc)-dc转换器。所述dc-dc转换器包括：降压开关，其连接在电压输入端子和第一节点之间，所述降压开关由开关信号的开关循环和占空比控制；降压电感器，其连接在所述第一节点与电压输出端子之间；降压二极管，其连接在第二节点和地之间；以及降压电容器，其连接在所述电压输出端子与所述地之间。所述保护电路连接到所述第一节点、所述第二节点和所述地。当所述降压开关根据所述开关信号在导通状态和断开状态之间切换时，所述保护电路被配置为在所述第一节点和所述地之间提供保护电压，使得所述降压开关的电压应力小于在所述电压输入端子和所述地之间提供的输入电压。
14.所述保护电路包括：第一保护电容器，所述第一保护电容器连接在所述第一节点和所述第二节点之间；第二保护电容器，所述第二保护电容器连接在第三节点和地之间；保护电感器，所述保护电感器连接在所述第二节点和所述第三节点之间；以及保护二极管，所述保护二极管连接在所述第一节点和所述第三节点之间。
15.所述保护二极管在所述降压开关处于导通状态的第一时段期间保持为截止状态。所述保护二极管在所述降压开关处于断开状态的第二时段中保持为导通状态。
16.所述保护电压可以等于所述第一保护电容器和所述降压二极管的串联电路的电压。
17.在所述降压开关处于导通状态的第一时段中，所述第一保护电容器、所述保护电感器和所述第二保护电容器的串联电路的电压可以等于输出电压与所述降压电感器的电压之和。所述输出电压是所述电压输出端子和所述地之间的电压。
18.在所述降压开关处于断开状态的第二时段中，所述第一保护电容器的电压可以等于所述保护电感器和所述保护二极管的串联电路的电压。
19.在所述降压开关处于断开状态的第二时段中，所述第二保护电容器的电压可以等于所述保护电感器和所述降压二极管的串联电路的电压。
20.根据本公开的另一方面的dc-dc转换器包括保护电路。
21.根据本公开的又一方面的电池充电器包括dc-dc转换器。
22.根据本公开的又一方面的电动车辆包括电池充电器和连接在电压输出端子与地之间的电池。
23.有益效果
24.根据本公开的至少一个实施方式，可以减少包括在直流dc-dc转换器中的降压开关的开关损耗，而不使用需要开关控制的附加开关。
25.另外，随着开关频率响应于降压开关的开关损耗的减小而增加，可以实现dc-dc转换器的轻重量和紧凑的设计。
26.本公开的效果不限于上述效果，并且本领域技术人员根据所附权利要求将清楚地理解这些和其他效果。
附图说明
27.附图示出了本公开的优选实施方式，并且与以下描述的本公开的详细描述一起用
于提供对本公开的技术方面的进一步理解，因此本公开不应被解释为限于附图。
28.图1是普通直流dc-dc降压转换器的示意图。
29.图2是示出本公开的电动车辆的配置的示意图。
30.图3是示出根据本公开的电池充电器的配置的示意图。
31.图4是示出图3的dc-dc转换器的配置的示意图。
32.图5是示出在图4的dc-dc转换器在稳定状态下的操作期间在单个切换循环每个器件的电流波形和降压开关的电压波形的示意图。
具体实施方式
33.在下文中，将参照附图详细描述本公开的优选实施方式。在描述之前，应当理解，在说明书和所附权利要求中使用的术语或词语不应被解释为限于一般含义和字典含义，而是基于允许发明人为了最好的解释而适当地定义术语的原理，基于与本公开的技术方面相对应的含义和概念来解释。
34.因此，在此描述的实施方式和在附图中示出的图示仅仅是本公开的最优选的实施方式，而不旨在完全描述本公开的技术方面，因此应当理解，在提交本技术时可以对其进行各种其他等效和修改。
35.包括诸如“第一”、“第二”等的序数的术语用于在各种元件中区分一个元件与另一个元件，但不旨在通过这些术语来限制这些元件。
36.除非上下文另外明确指出，否则应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”指定所述要素的存在，但不排除一个或更多个其它要素的存在或添加。另外，术语“控制单元”是指具有至少一个功能或操作的处理单元，并且这可以由硬件和软件单独地或组合地实现。
37.此外，在整个说明书中，将进一步理解，当元件被称为“连接到”另一元件时，其可直接连接到另一元件或可存在中间元件。
38.图2是示出本公开的电动车辆的配置的示意图。
39.参见图2，电动车辆1包括电池组10、逆变器30、电动马达40和电池充电器50。
40.电池组10包括电池b、继电器20和电池管理系统100。
41.电池b包括至少一个电池电芯。每个电池电芯不限于特定类型，并且可以包括能够重复再充电的任何电池电芯，例如锂离子电芯。电池b可以通过设置在电池组10中的一对电力端子联接到逆变器30。
42.继电器20与电池b串联连接。继电器20安装在用于电池b的充电/放电的电流路径上。继电器20的开关控制响应于来自电池管理系统100的控制信号而执行。继电器20可以是由线圈或诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)的半导体开关的电磁力导通/断开的机械继电器。
43.提供逆变器30以响应于来自电池管理系统100的命令将来自电池b的dc电力转换为交流ac电力。电动马达40可以是例如三相ac马达。电动马达40使用来自逆变器30的ac电力工作。
44.提供电池管理系统100以执行与电池b的充电/放电相关的一般控制。
45.电池管理系统100包括感测单元110、存储单元120和控制单元140。电池管理系统
100可进一步包括接口单元130或开关驱动器150中的至少一者。
46.感测单元110包括电压传感器111和电流传感器112。感测单元110还可以包括温度传感器113。
47.电压传感器111与电池b并联连接，并且被配置为检测电池b两端的电池电压并生成指示检测到的电池电压的电压信号。电流传感器112通过电流路径与电池b串联连接。电流传感器112被配置为检测流过电池b的电池电流，并生成指示检测到的电池电流的电流信号。温度传感器113被配置为检测电池b的温度并生成指示检测到的温度的温度信号。
48.存储单元120可以包括闪存类型、硬盘类型、固态硬盘(ssd)类型、硅盘驱动器(sdd)类型、多媒体卡微型、随机存取存储器(ram)、静态随机存取存储器(sram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)或可编程只读存储器(prom)中的至少一种类型的存储介质。存储单元120可以存储控制单元140的计算操作所需的数据和程序。存储单元120可以存储指示控制单元140的计算操作的结果的数据。
49.接口单元130可以包括通信电路，该通信电路被配置为支持控制单元140与高级控制器2(例如，电子控制单元(ecu))之间的有线或无线通信。有线通信可以是例如控制器局域网(can)通信，而无线通信可以是例如zigbee或蓝牙通信。通信协议不限于特定类型，并且可以包括支持控制单元140和高级控制器2之间的有线/无线通信的任何通信协议。接口单元130可以包括输出设备(例如，显示器、扬声器)，以便以可识别的格式提供从控制单元140和/或高级控制器2接收的信息。高级控制器2可以基于通过与电池管理系统100的通信收集的电池信息(例如，电压、电流、温度、soc)来控制逆变器30。
50.控制单元140可以可操作地联接到高级控制器2、继电器20、感测单元110、存储单元120、接口单元130和/或开关驱动器150。控制单元140可使用专用集成电路(asic)、数字信号处理器(dsp)、数字信号处理装置(dspd)、可编程逻辑装置(pld)、现场可编程门阵列(fpga)、微处理器或用于执行其它功能的电气单元中的至少一者以硬件来实施。
51.开关驱动器150被配置为响应于来自控制单元140的命令向继电器20输出开关信号s1。开关驱动器150被配置为响应于来自控制单元140的命令向电池充电器50输出开关信号s2。
52.图3是示出根据本公开的电池充电器的配置的示意图，并且图4是示出图3的dc-dc转换器的配置的示意图。
53.参照图3和图4，电池充电器50被设置为可连接到电池b的两个端子。电池充电器50包括dc-dc转换器62。电池充电器50还可以包括充电器插头51和ac-dc转换器52。
54.ac-dc转换器52被配置为将ac电力从连接到充电器插头51的ac充电状态(未示出)转换为具有预定电压电平的dc电力。
55.dc-dc转换器62被配置成使用来自ac-dc转换器52或dc充电站(未示出)的dc电力来产生用于电池b的充电电力。
56.dc-dc转换器62是降压转换器，其降低输入电压v
in
以产生低于输入电压v
in
的输出电压v
out
。dc-dc转换器62包括电压输入端子ni、电压输出端子no、降压开关swb、降压电感器lb、降压电容器cb、降压二极管db和保护电路70。保护电路70可以被称为“无源缓冲器(passive snubber)”。
57.来自ac-dc转换器52或dc充电站的输入电压v
in
可以被供应在电压输入端子ni与地
之间。电池b可以连接在电压输出端子no和地之间。
58.降压开关swb连接在电压输入端子ni和第一节点n1之间。响应于来自开关驱动器150的开关信号s2执行降压开关swb的开关控制。降压开关swb可以是公知的开关器件，例如mosfet。当开关信号s2的开关循环和占空比分别为ts和d时，降压开关swb在ts×
d的第一时段内保持导通状态，在第二时段ts×
(1-d)内保持断开状态。第一时段和第二时段之和等于切换循环ts。
59.降压电感器lb连接在第一节点n1和电压输出端子no之间。降压电感器lb在第一时段由来自第一节点n1的输入电流充电。在第一时段在降压电感器lb中充电的能量在第二时段被提供给电压输出端子no。在第一时段在降压电感器lb中充电的能量与在第二时段从降压电感器lb放电的能量之间的平衡可以被称为dc-dc转换器62的“稳定状态”。
60.降压电容器cb连接在电压输出端子no和地之间。提供降压电容器cb以抑制在电压输出端子no和地之间提供的输出电压v
out
的纹波(ripple)。
61.降压二极管db连接在第二节点n2和地之间。具体地，降压二极管db的阳极(anode)和阴极(cathode)分别连接到地和第二节点n2。对于降压开关swb处于导通状态的第一时段，第二节点n2的电位高于地电位，并且降压二极管db进入截止状态。在降压开关swb处于断开状态的第二时段中，第二节点n2的电位低于地电位，并且降压二极管db进入截止状态。当降压二极管db处于导通状态时，从地到第二节点n2的电流流过降压二极管db。
62.保护电路70连接到第一节点n1、第二节点n2和地。保护电路70被配置为当降压开关swb通过开关信号s2从导通状态和断开状态中的任何一种切换到另一种时，在第一节点n1和地之间提供保护电压。由于降压开关swb的电压应力是电压输入端子ni和第一节点n1之间的电压差，因此降压开关swb的电压应力通过保护电压降低到低于在电压输入端子ni和地之间提供的输入电压v
in
。
63.保护电路70包括第一保护电容器c
p1
、第二保护电容器c
p2
、保护电感器l
p
和保护二极管d
p
。
64.在图4中，i
sw
表示流过降压开关swb的电流，i
lb
表示流过降压电感器lb的电流，i
lp
表示流过保护电感器l
p
的电流，i
cp1
表示流过第一保护电容器c
p1
的电流，i
cp2
表示流过第二保护电容器c
p2
的电流，i
db
表示流过降压二极管db的电流，i
dp
表示流过保护二极管d
p
的电流。v
sw
表示降压开关swb的电压应力。
65.第一保护电容器c
p1
连接在第一节点n1和第二节点n2之间。
66.第二保护电容器c
p2
连接在第三节点n3和地之间。
67.当降压开关swb在导通状态和断开状态之间切换时，第一保护电容器c
p1
和第二保护电容器c
p2
通过在第一节点n1和地之间提供保护电压来减小降压开关swb的电压应力swb的大小。
68.保护电感器l
p
连接在第二节点n2和第三节点n3之间。设置保护电感器l
p
以在第一保护电容器c
p1
和第二保护电容器c
p2
的充电和放电期间抑制第一保护电容器c
p1
的电流i
cp1
和第二保护电容器c
p2
的电流i
cp2
的急剧变化。
69.保护二极管d
p
连接在第一节点n1和第三节点n3之间。具体地，保护二极管d
p
的阳极和阴极分别连接到第三节点n3和第一节点n1。当第一节点n1的电位低于第三节点n3的电位时，保护二极管d
p
进入导通状态。当保护二极管d
p
处于导通状态时，从第三节点n3到第一节
点n1的电流i
dp
流过保护二极管d
p
。当第一节点n1的电位高于第三节点n3的电位时，保护二极管d
p
进入截止状态。当保护二极管d
p
处于截止状态时，第一节点n1和第三节点n3之间的电流流动被中断。
70.图5是示出在图4的dc-dc转换器62在稳定状态下的操作期间在单个切换循环每个器件的电流波形和降压开关的电压波形的示意图。
71.参考图5，根据降压开关swb的状态和保护电感器l
p
的电流方向，可以将单个开关循环划分为四个连续操作模式。在第一至第四操作模式中，电流i
cp1
等于电流i
cp2
，并且电流i
dp
等于电流i
db
，因此图5中省略了电流i
cp2
的波形和电流i
db
的波形。
72.第一操作模式是从降压开关swb从断开状态切换到导通状态的时刻到电流i
lp
从负值达到0a的时刻的操作模式。在第一操作模式中具有负值的电流i
lp
表示第一保护电容器c
p1
和第二保护电容器c
p2
在第一操作模式中放电。
73.第二操作模式是在降压开关swb保持导通状态的同时电流i
lp
从0a逐渐上升的操作模式。在第二操作模式中具有大于0a的正值的电流i
lp
表示第一保护电容器c
p1
和第二保护电容器c
p2
在第二操作模式中被充电。
74.在第一操作模式和第二操作模式中，降压二极管db和保护二极管d
p
处于截止状态。因此，第一保护电容器c
p1
、保护电感器l
p
和第二保护电容器c
p2
的串联电路的电压等于输入电压v
in
。
75.第三操作模式是从降压开关swb从导通状态切换到断开状态的时刻到电流i
lp
从正值达到0a的时刻的操作模式。
76.第四操作模式是电流i
lp
从0a逐渐减小同时降压开关swb保持在断开状态的操作模式。
77.在第三操作模式和第四操作模式中，降压二极管db和保护二极管d
p
处于导通状态，因此第一保护电容器c
p1
和降压二极管db的串联电路在第一节点n1和地之间提供大于0v的保护电压。即，保护电压可以等于第一保护电容器c
p1
和降压二极管db的串联电路两端的电压。
78.当降压开关swb处于导通状态时，第一节点n1的电压等于输入电压v
in
，并且降压电感器lb的电压v
lb
等于输入电压v
in
和输出电压v
out
之间的电压差。因此，在第一操作模式和第二操作模式中，满足以下等式1和2的关系。
79.《等式1》
[0080]vlp
＝v
in-v
cp1-v
cp2
＝v
in-2v
cp1
[0081]
《等式2》
[0082]vlb
＝v
in-v
out
[0083]
当降压开关swb处于断开状态时，降压二极管db和保护二极管d
p
处于导通状态，因此可以通过第一保护电容器c
p1
、保护电感器l
p
和第二保护电容器c
p2
在第一节点n1和地之间的并联连接来实现均衡。因此，当假定降压二极管db和保护二极管d
p
中的每一个的正向压降为0v时，在第三操作模式和第四操作模式中，满足以下等式3和4的关系。
[0084]
《等式3》
[0085]vlp
＝-v
cp1
＝-v
cp2
[0086]
《等式4》
[0087]vlb
＝v
cp1-v
out
＝v
cp2-v
out
＝-v
lp-v
out
[0088]
在dc-dc转换器62在稳定状态下的操作期间，根据电压-伏特-秒平衡规则，降压电感器lb和保护电感器l
p
中的每一个在单个开关循环的平均电压是0v。因此，下面的等式5从等式1和等式3导出，并且下面的等式6从等式2和等式4导出。
[0089]
《等式5》
[0090]
(v
in-2v
cp1
)
×
d-v
cp1
×
(1-d)＝0[v]
[0091]
《等式6》
[0092]
(v
in-v
out
)
×
d (v
cp1-v
out
)
×
(1-d)＝0[v]
[0093]
当关于v
cp1
重写等式5时，给出下面的等式5-1。
[0094]
《等式5-1》
[0095][0096]
当使用等式5-1关于v
out
重写等式6时，给出以下等式6-1。
[0097]
《等式6-1》
[0098][0099]
在等式6-1中，gv是dc-dc转换器62的电压增益。
[0100]
此外，当降压开关swb从导通状态切换到断开状态时的电压应力在下面的等式7中示出。
[0101]
《等式7》
[0102][0103]
占空比d在0-1之间。因此，dc-dc转换器62的电压应力v
sw
通过保护电路70减小了输入电压v
in
的1/(1 d)。即，在图1所示的传统dc-dc转换器中，与占空比d无关地将具有与输入电压v
in
相同幅值的电压应力提供给降压开关swb，而在根据本公开的dc-dc转换器62中，将小于输入电压v
in
的电压应力v
sw
提供给降压开关swb。另外，随着占空比d的增加，根据本公开的dc-dc转换器62减小降压开关swb的电压应力v
sw
。控制单元140可以在电池b的充电期间使用dc-dc转换器62以预定时间间隔将占空比d增加预定比率。
[0104]
虽然上文已经关于有限数量的实施方式和附图描述了本公开，但是本公开不限于此，并且对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以在本公开的技术方面、所附权利要求及其等效范围内对其进行各种修改和改变。
[0105]
另外，在不脱离本公开的技术方面的情况下，本领域技术人员可以对本公开进行许多替换、修改和改变，本公开不受上述实施方式和附图的限制，并且可以选择性地组合一些或所有实施方式以允许各种修改。