CN102263510A - 能对前端高压母线放电的全桥隔离直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能对前端高压母线放电的全桥隔离直流变换器，包括隔离变压器、辅助电源、控制电路、第二电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管；辅助电源包括多路相互隔离的输出，其中一路输出接第四二极管的正端，其他各路输出用于给控制电路提供工作电压；辅助电源的输入端接第三二极管的负端；第三二极管的正端、第四二极管的负端接全桥隔离直流变换器的低压输出端；第二电容接于辅助电源的输入端同地之间；第一二极管、第二二极管的正端分别接所述隔离变压器副边绕组的两端，负端接辅助电源的输入端。第四二极管可用开关管替代。本发明，能对前端高压母线无损放电，能量损耗较小，转换效率高，成本低。

Description

能对前端高压母线放电的全桥隔离直流变换器

技术领域

本发明涉及全桥隔离直流变换器，特别涉及一种能对前端高压母线放电的全桥隔离直流变换器。

背景技术

在电动/混合动力汽车中，存在车用DC/DC(直流)变换器将高压电池的电压转换成低压电池的电压，给低压负载供电，如车载空调、音响、电动车窗等。1.2kW以上车用DC/DC变换器通常采用全桥隔离拓扑结构，副边为全波整流，如图1所示，高压电池正端通过高压母线接第一开关管Q1、第三开关管Q3，高压电池负端通过地线接第二开关管Q2、第四开关管Q4，高压母线同地线之间接有母线电容C，隔离变压器T原边绕组接在第一开关管Q1、第二开关管Q2的接点与第三开关管Q3、第四开关管Q4的接点之间，在每个周期内第二开关管Q2、第三开关管Q3与第一开关管Q1、第四开关管Q4交替导通，导通时间可调，加到隔离变压器原边绕组的电压是幅值为高压电池高压Vin的交变方波。隔离变压器副边绕组的两端与地之间分别接第五整流开关管Q5、第六整流开关管Q6，隔离变压器副边绕组的中间抽头经第一电感L1、第一电容C1串接到地，第一电感L1同第一电容C1的连接端接低压电池正端，低压电池负端接地，第一电容C1同第一电感L1的连接端作为全桥隔离直流变换器的低压输出端，输出低压Vout到低压电池。电路中各开关管的控制电路由低压小功率辅助电源提供工作电压，低压小功率辅助电源的功率一般为几瓦到几十瓦，电路拓扑可以是正激、反激等。

出于人身安全的考虑，通常要求在DC/DC变换器停机后，必须将前端高压母线电压放电，如我国国家标准(GB18488)要求将前端高压母线电压放电至60V以下。然而，采用主电路给前端高压母线放电难以满足要求，例如：某DC/DC变换器输出低压Vout＝12V，隔离变压器原副边绕组匝数比N＝10，那么该DC/DC变换器通过主电路只能将前端高压母线电压Vin放电至Vin＝Vout*N＝120V，不满足我国国家标准要求。

为了给前端高压母线放电，目前通常采用的方案有两种。

方案一，是在前端高压母线与地之间外加开关管和电阻串联的辅助电路，如图2所示。当主电路停机后第七开关管Q7开通，通过串联电阻R给前端高压母线放电，前端母线电容C的能量大部分消耗在电阻R上，该方案的缺点是损耗大，电阻发热严重；

方案二，是在前端高压母线两端加入小功率正激电路，如图3所示，将前端高压母线电压降压输出给低压电池，该方案需要外加整套正激电路，包括开关管、二极管、变压器、电感、电容等很多器件，增加了成本和***的复杂性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能对前端高压母线放电的全桥隔离直流变换器，能对前端高压母线无损放电，能量损耗较小，转换效率高，成本低。

为解决上述技术问题，本发明的能对前端高压母线放电的全桥隔离直流变换器，包括隔离变压器、第五整流开关管、第六整流开关管、辅助电源、控制电路，隔离变压器副边绕组的两端与地之间分别接第五整流开关管、第六整流开关管，还包括第二电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管；

所述辅助电源包括多路相互隔离的输出，其中一路输出接所述第四二极管的正端，其他各路输出用于给所述控制电路提供工作电压；

所述辅助电源的输入端接第三二极管的负端；

所述第三二极管的正端、所述第四二极管的负端接全桥隔离直流变换器的低压输出端，用于接低压电池正端；

所述第二电容接于辅助电源的输入端同地之间；

所述第一二极管、第二二极管的正端分别接所述隔离变压器副边绕组的两端，所述第一二极管、第二二极管的负端接所述辅助电源的输入端。

所述控制电路，用于给全桥隔离直流变换器的高压侧和低压侧的各开关管提供控制信号；当全桥隔离直流变换器的高压输入端与高压电池接通，控制所述隔离变压器原边逆变桥中的各开关管，以及第五整流开关管、第六整流开关管处于正常工作模式；当全桥隔离直流变换器的高压输入端与高压电池断开，控制所述隔离变压器原边逆变桥中的各开关管处于正常工作模式，控制第五整流开关管、第六整流开关管处于关断状态。

还可以包括第三电容、第四电容；

所述第三电容、第四电容并接于所述第一二极管、第二二极管的负端同地之间。

可以以第八开关管替代所述第四二极管，将所述辅助电源的其中一路输出接到全桥隔离直流变换器的低压输出端。

当全桥隔离直流变换器的高压输入端与高压电池接通，所述控制电路控制所述第八开关管断开，当全桥隔离直流变换器的高压输入端与高压电池断开，所述控制电路控制所述第八开关管接通。

本发明的能对前端高压母线放电的全桥隔离直流变换器，利用具有多路相互隔离的输出的辅助电源对前端高压母线放电，辅助电源在给全桥隔离直流变换器的高压侧和低压侧的各开关管的控制电路提供工作电压的同时还将全桥隔离直流变换器前端高压母线放电能量传递给低压电池。本发明的能对前端高压母线放电的全桥隔离直流变换器，利用常规全桥隔离直流变换器中需要配置的辅助电源给前端高压母线主动放电，前端高压母线能量通过辅助电源传递到低压电池，损耗较小，有利于提高***效率和可靠性；只需在最基本的全桥隔离转换拓扑结构的基础上，增加少数几个器件即可，节省了***器件成本。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是全桥隔离直流变换器的典型电路；

图2是外加开关管和电阻串联的辅助电路的全桥隔离直流变换器；

图3是前端高压母线两端加入小功率正激电路的全桥隔离直流变换器；

图4是本发明的能对前端高压母线放电的全桥隔离直流变换器第一实施方式电路图；

图5是本发明的能对前端高压母线放电的全桥隔离直流变换器第二实施方式电路图。

具体实施方式

本发明的能对前端高压母线放电的全桥隔离直流变换器第一实施方式如图4所示，包括隔离变压器T、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五整流开关管Q5、第六整流开关管Q6、第一电感L1、母线电容C、第一电容C1、辅助电源、控制电路，还包括第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4；

母线电容C、隔离变压器T、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五整流开关管Q5、第六整流开关管Q6、第一电感L1、第一电容C1组成了最基本的全桥隔离转换拓扑结构。高压电池正端通过高压母线接第一开关管Q1、第三开关管Q3，高压电池负端通过地线接第二开关管Q2、第四开关管Q4，母线电容C接在高压母线同地线之间，隔离变压器T原边绕组接在第一开关管Q1、第二开关管Q2的接点与第三开关管Q3、第四开关管Q4的接点之间，在每个周期内第二开关管Q2、第三开关管Q3与第一开关管Q1、第四开关管Q4交替导通，导通时间可调，加到变压器原边绕组电压是幅值为高压电池高压的交变方波。隔离变压器副边绕组的两端与地之间分别接第五整流开关管Q5、第六整流开关管Q6，隔离变压器副边绕组的中间抽头经第一电感L1、第一电容C1串接到地，第一电感L1同第一电容C1的连接端作为全桥隔离直流变换器的低压输出端接低压电池正端，低压电池负端接地。

所述控制电路，用于给全桥隔离直流变换器的高压侧和低压侧的开关管提供控制信号；当全桥隔离直流变换器的高压输入端与高压电池接通，控制所述隔离变压器原边逆变桥中的各开关管(第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4)，以及第五整流开关管Q5、第六整流开关管Q6的处于正常工作模式；当全桥隔离直流变换器的高压输入端与高压电池断开，控制所述隔离变压器原边逆变桥中的各开关管处于正常工作模式，控制第五整流开关管Q5、第六整流开关管Q6处于关断状态

所述辅助电源包括多路相互隔离的输出，其中一路输出接所述第四二极管D4的正端，其他各路输出用于给所述控制电路提供工作电压；所述辅助电源的输入端接第三二极管D3的负端；

所述第三二极管D3的正端、所述第四二极管D4的负端接全桥隔离直流变换器的低压输出端，用于接低压电池正端；

所述第二电容C2串接于辅助电源的输入端同地之间；

所述第一二极管D1、第二二极管D2的正端分别接所述隔离变压器副边绕组的两端，所述第一二极管D1、第二二极管D2的负端接所述辅助电源的输入端；

所述第三电容C3、第四电容C4并接于所述第一二极管D1、第二二极管D2的负端同地之间。

该电路工作原理描述如下。

1)全桥隔离直流变换器正常工作模式

高压电池与全桥隔离直流变换器接通，当第五整流开关管Q5关断时，加在第五整流开关管Q5上的电压为VD＝2Vin/N，Vin为全桥隔离直流变换器输入电压，N为隔离变压器原副边绕组匝数比；同理，第六整流开关管Q6关断时，加在第六整流开关管Q6上的电压为Vc＝2Vin/N。主电路通过第一二极管D1、第二二极管D2对第二电容C2充电，使辅助电源输入端电压为2Vin/N。若Vin＝400V，N＝10，则辅助电源输入端电压为80V。由此可见，本发明中辅助电源的输入端电压范围比常规辅助电源(一般为6V～16V)大得多，在设计过程中需要考虑增大输入端电压范围(6V～2Vin/N)。

辅助电源其中一路输出通过所述第四二极管D4与低压电池正端相连，以便将全桥隔离直流变换器前端高压母线放电能量传递给低压电池，

辅助电源其他各路输出，同时分别给全桥隔离直流变换器的高压侧和低压侧的各开关管的控制电路提供工作电压。

2)全桥隔离直流变换器前端高压母线放电模式

高压电池与全桥隔离直流变换器断开，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4的开关模式与正常工作模式相同，第五整流开关管Q5、第六整流开关管Q6始终处于关断状态，即全桥隔离直流变换器副边整流电路不工作。此时，前端母线电容C通过全桥隔离直流变换器原边逆变桥、隔离变压器、辅助电源向低压电池放电，将前端高压母线电压降到足够低，从而满足国标要求。

所述第三电容C3、第四电容C4，可以对副边整流开关管起到很好的电压钳位功能，并且是无源无损钳位，提高了***的效率和可靠性。

所述第三二极管D3，保证辅助电源能正常给全桥隔离直流变换器的高压侧和低压侧的各开关管的控制电路提供工作电压。

本发明的能对前端高压母线放电的全桥隔离直流变换器第二实施方式如图5所示，其与第一实施方式的区别仅在于，以第八开关管Q8替代图4中的第四二极管D4，第八开关管Q8用于将所述辅助电源的其中一路输出接到全桥隔离直流变换器的低压输出端，即低压电池正端。

当全桥隔离直流变换器的高压输入端与高压电池接通，所述控制电路控制所述第八开关管Q8断开，从而使该辅助电源的到低压电池的一路输出不工作，全桥隔离直流变换器前端高压母线放电能量不能经辅助电源传递给低压电池；当全桥隔离直流变换器的高压输入端与高压电池断开，所述控制电路控制所述第八开关管Q8接通，将辅助电源的一路输出与接到全桥隔离直流变换器的低压输出端及低压电池正端接通，前端母线电容C通过全桥隔离直流变换器原边逆变桥、隔离变压器、辅助电源向低压电池放电。

本发明的能对前端高压母线放电的全桥隔离直流变换器，利用具有多路相互隔离的输出的辅助电源对前端高压母线放电，辅助电源在给全桥隔离直流变换器的高压侧和低压侧的各开关管的控制电路提供工作电压的同时还将全桥隔离直流变换器前端高压母线放电能量传递给低压电池。本发明的能对前端高压母线放电的全桥隔离直流变换器，利用常规全桥隔离直流变换器中需要配置的辅助电源给前端高压母线主动放电，前端高压母线能量通过辅助电源传递到低压电池，损耗较小，有利于提高***效率和可靠性；只需在最基本的全桥隔离转换拓扑结构的基础上，增加少数几个器件即可，节省了***器件成本。

Claims (5)

1.一种能对前端高压母线放电的全桥隔离直流变换器，包括隔离变压器、第五整流开关管、第六整流开关管、辅助电源、控制电路，隔离变压器副边绕组的两端与地之间分别接第五整流开关管、第六整流开关管，其特征在于，还包括第二电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管；

所述辅助电源包括多路相互隔离的输出，其中一路输出接所述第四二极管的正端，其他各路输出用于给所述控制电路提供工作电压；

所述辅助电源的输入端接第三二极管的负端；

所述第三二极管的正端、所述第四二极管的负端接全桥隔离直流变换器的低压输出端，用于接低压电池正端；

所述第二电容接于辅助电源的输入端同地之间；

所述第一二极管、第二二极管的正端分别接所述隔离变压器副边绕组的两端，所述第一二极管、第二二极管的负端接所述辅助电源的输入端。

2.根据权利要求1所述的能对前端高压母线放电的全桥隔离直流变换器，其特征在于，

所述控制电路，用于给全桥隔离直流变换器的高压侧和低压侧的各开关管提供控制信号；当全桥隔离直流变换器的高压输入端与高压电池接通，控制所述隔离变压器原边逆变桥中的各开关管，以及第五整流开关管、第六整流开关管处于正常工作模式；当全桥隔离直流变换器的高压输入端与高压电池断开，控制所述隔离变压器原边逆变桥中的各开关管处于正常工作模式，控制第五整流开关管、第六整流开关管处于关断状态。

3.根据权利要求1所述的能对前端高压母线放电的全桥隔离直流变换器，其特征在于，还包括第三电容、第四电容；

所述第三电容、第四电容并接于所述第一二极管、第二二极管的负端同地之间。

4.根据权利要求1、2或3任一项所述的能对前端高压母线放电的全桥隔离直流变换器，其特征在于，以第八开关管替代所述第四二极管，将所述辅助电源的其中一路输出接到全桥隔离直流变换器的低压输出端。

5.根据权利要求4所述的能对前端高压母线放电的全桥隔离直流变换器，其特征在于，当全桥隔离直流变换器的高压输入端与高压电池接通，所述控制电路控制所述第八开关管断开，当全桥隔离直流变换器的高压输入端与高压电池断开，所述控制电路控制所述第八开关管接通。

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