CN110557026A - 高压直流变换电路及车载充电机 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种高压直流变换电路及车载充电机，所述高压直流变换电路包括直流输入端、直流输出端、控制单元以及多个谐振变换器，所述多个谐振变换器的输入端并联连接到所述直流输入端，且多个谐振变换器的输出端串联连接在所述直流输出端的正输出端子和负输出端子之间；每一谐振变换器包括直流转交流变换子单元、谐振网络以及交流转直流变换子单元；多个所述谐振变换器的直流转交流变换子单元在所述控制单元的控制下，输出电压的相位间隔预设角度。本发明实施例通过原边绕组并联、副边绕组串联的多个谐振变换器，并使该多个谐振变换器的直流转交流变换子单元的输出电压相位间隔预设角度，可使高压变换电路的直流输出端的电压纹波显著减小。

Description

高压直流变换电路及车载充电机
技术领域
本发明实施例涉及电力电子设备领域，更具体地说，涉及一种高压直流变换电路及车载充电机。
背景技术
电动汽车是以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于电动汽车使用蓄电池为电机提供电能，相对于内燃机汽车，电动汽车在行驶过程中不会产生排气污染，对环境保护和空气的洁净是十分有益的，几乎是“零污染”；并且，电动汽车在行驶时的噪声也较内燃机小，可提高乘坐的舒适性。
近年来，电动汽车性能不断发展，为了实现更高的输出功率，部分电动汽车厂商已将为电机供电的蓄电池电压从400V提升至800V。在蓄电池电压提升的同时，对蓄电池的EMC(Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性)等级要求却没有降低，因此车载充电机的高压输出端必须保持较小的纹波等级。
一般来说，由于需要实现软开关，车载充电机高压直流变换器通常采用谐振式变换器。这种谐振式变换器在某些输出电压范围内具有非常高峰值的断续电流。为降低谐振式变换器高压输出端的电压纹波的等级，目前主要通过在高压输出端口增加LC滤波器，以满足EMC等级要求。
然而，在高压蓄电池侧增加LC滤波器，虽然可以有效地降低输出电压的纹波，但通常会大大增加车载充电机的体积。而体积的增加不仅影响外观，更影响到整机的工艺、成本等特性。
发明内容
本发明实施例针对上述车载充电机在高压输出端使用LC滤波器降低电压纹波导致体积较大、影响整机工艺、成本的问题，提供一种高压直流变换电路及车载充电机。
本发明实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种高压直流变换电路，包括直流输入端、直流输出端、控制单元以及多个谐振变换器，所述多个谐振变换器的输入端并联连接到所述直流输入端，且所述多个谐振变换器的输出端串联连接在所述直流输出端的正输出端子和负输出端子之间；每一所述谐振变换器包括直流转交流变换子单元、谐振网络以及交流转直流变换子单元，且所述直流转交流变换子单元的输出端连接到所述谐振网络的一端，所述交流转直流变换子单元的输入端连接到所述谐振网络的另一端；所述控制单元连接到每一所述谐振变换器的直流转交流变换子单元的控制端，且多个所述谐振变换器的直流转交流变换子单元在所述控制单元的控制下，输出电压的相位间隔预设角度。
优选地，所述高压直流变换电路包括两个谐振变换器，且所述两个谐振变换器的直流转交流变换子单元在所述控制单元的控制下，输出电压的相位间隔70-110°。
优选地，所述谐振网络包括第一无源网络和变压器，所述第一无源网络包括第一谐振电容和第一谐振电感，且所述第一谐振电容和第一谐振电感串联连接在直流转交流变换子单元的正输出端和所述变压器的原边绕组之间。
优选地，所述谐振网络包括第二无源网络，所述第二无源网络包括第二谐振电容和第二谐振电感，且所述第二谐振电感和第二谐振电容串联连接在所述变压器的副边绕组和所述交流转直流变换子单元的正输入端之间。
优选地，所述谐振网络包括励磁电感，所述励磁电感与所述变压器的原边绕组并联连接。
优选地，所述高压直流变换电路包括第一滤波电容，且所述第一滤波电容的两端分别连接到所述直流输入端的正输入端子和负输入端子；每一所述谐振变换器包括第二滤波电容，且所述第二滤波电容的两端分别连接所述交流转直流变换子单元的输出端的正输出端子和负输出端子。
优选地，所述直流转交流变换子单元包括连接成全桥结构的四个开关管，且所述直流转交流变换子单元在所述控制单元控制下将输入的直流电压转换成方波交流电。
优选地，所述两个谐振变换器的直流转交流变换子单元在所述控制单元的控制下，输出电压的相位间隔90°。
本发明实施例还提供一种车载充电机，包括如上任一项所述的高压直流变换电路。
本发明实施例的高压直流变换电路及车载充电机，通过原边绕组并联、副边绕组串联的多个谐振变换器，并使该多个谐振变换器的直流转交流变换子单元的输出电压相位间隔预设角度，可使高压变换电路的直流输出端的电压纹波显著减小。相对于现有方案，可极大地减少输出滤波电容的数量及输出EMC滤波器的尺寸，从而降低整机成本，简化生产工艺。
附图说明
图1是本发明实施例提供的高压直流变换电路的示意图；
图2是本发明实施例提供的高压直流变换电路中谐振变换器的示意图；
图3是本发明实施例提供的高压直流变换电路中的谐振变换器中变压器原边绕组电压的波形示意图；
图4是本发明实施例提供的高压直流变换电路中第二滤波电容、直流输出端电压的波形示意图；
图5是本发明另一实施例提供的高压直流变换电路中谐振变换器的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，是本发明实施例提供的高压直流变换电路的示意图，该高压直流变换电路可应用于高压直流电转高压直流电的变换器，例如车载充电机等。本实施例的高压直流变换电路包括直流输入端、直流输出端、控制单元以及多个谐振变换器11。该高压直流变换电路可通过直流输入端连接高压直流电源，例如高压蓄电池；且该高压直流变换电路可通过直流输出端连接高压负载，例如电机控制器的直流母线等。多个谐振变换器11的输入端并联连接到直流输入端(即每一谐振变换器11的正输入端子连接到直流输入端的正输入端子Vin+，且每一谐振变换器11的负输入端子连接到直流输入端的负输入端子Vin-)；上述多个谐振变换器11的输出端串联连接在直流输出端的正输出端子Vout+和负输出端子Vout-之间(例如当高压直流变换电路包括两个谐振变换器11时，其中一个谐振变换器11的正输出端子连接到直流输出端的正输出端子Vout+，且该谐振变换器11的负输出端子连接到另一谐振变换器11的正输出端子，另一谐振变换器11的负输出端子连接到直流输出端的负输出端子Vout-)。由于多个谐振变换器11的输入端以并联形式相连接、输出端以串联形式连接，可以实现相互之间的功率均匀分配。上述多个谐振变换器11具有相同的电路拓扑及相同的设计参数，从而可简化设计。当然，在实际应用中，多个谐振变换器11也可具有不同的电路拓扑或不同的设计参数。
上述每一谐振变换器11包括直流转交流变换子单元111、谐振网络112以及交流转直流变换子单元113，且上述直流转交流变换子单元111的输出端连接到谐振网络112的一端，交流转直流变换子单元113的输入端连接到谐振网络112的另一端。上述直流转交流变换子单元111可以由全桥或者半桥及电容构成，其可将直流电压转换为方波交流电压；谐振网络112可为交流转直流变换子单元113输出的交流方波电压提供升压(Boost)和降压(Buck)的能量传输路径；交流转直流变换子单元113可实现整流，其将谐振网络112的输出交流电压转换为直流电压。
控制单元(该控制单元具体可包括逻辑控制芯片和驱动芯片)连接到每一谐振变换器11的直流转交流变换子单元111的控制端，且多个谐振变换器11的直流转交流变换子单元111在控制单元的控制下(例如通过控制单元输出的方波信号)，输出电压的相位间隔预设角度(输出电压的频率相同)。即上述高压直流变换电路在进行高压直流电转高压直流电变换时，各个谐振变换器11的直流转交流变换子单元111的输出电压的相位不同。
由于多个谐振变换器11的输入端以并联形式相连接、输出端以串联形式连接，因此当各个谐振变换器11的直流转交流变换子单元111的输出电压的相位不同时，各个谐振变换器11的输出电压纹波的峰值相错，使得各个谐振变换器11的输出电压合成后(即高压直流变换电路的直流输出端)的电压纹波显著减小，可极大地减少输出滤波电容的数量及输出EMC滤波器的尺寸，从而可降低整机成本，简化生产工艺。
对于一般的高压直流电转高压直流电的应用场合，两个谐振变换器即可满足转换的功率要求。并且，当上述高压直流变换电路包括两个谐振变换器11时，两个谐振变换器11的直流转交流变换子单元111在控制单元的控制下，其输出电压的相位间隔可为70-110°。当然，在实际应用中，为达到最佳的电压纹波减小效果，可使两个谐振变换器11的直流转交流变换子单元111的输出电压的相位间隔90°。
如图2所示，是本发明实施例提供的高压直流变换电路中谐振变换器11的示意图。该谐振变换器11的直流转交流变换子单元111包括连接成全桥结构的四个开关管Q1、Q2、Q3、Q4(上述开关管Q1、Q2、Q3、Q4具体可采用三极管、金属-氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管等)，且控制单元的控制信号输出端分别连接到该四个开关管Q1、Q2、Q3、Q4的控制端，从而直流转交流变换子单元111可在控制单元的控制下将输入的直流电压转换成方波交流电。该谐振变换器11的交流转直流变换子单元113为由二极管D1、D2、D3、D4构成的全波整流桥，并可实现不控整流。
在本本发明的一个实施例中的谐振网络112包括第一无源网络1121和变压器1122，其中第一无源网络1121包括第一谐振电容Cr1和第一谐振电感Lr1，且第一谐振电容Cr1和第一谐振电感Lr1串联连接在直流转交流变换子单元的正输出端子和变压器1122的原边绕组之间。上述谐振网络112还可包括励磁电感Lm，该励磁电感Lm与变压器1122的原边绕组并联连接。上述谐振网络112通过第一谐振电容Cr1、第一谐振电感Lr1以及励磁电感Lm可通过谐振使得电压和电流的相位相同并传递能量。
此外，上述高压直流变换电路还可包括第一滤波电容C1，且该第一滤波电容C1的两端分别连接到直流输入端的正输入端子和负输入端子，并且该第一滤波电容C1可滤除直流输入端输入的直流电压中的杂波；每一谐振变换器11包括第二滤波电容C2，且第二滤波电容C2的两端分别连接交流转直流变换子单元113的输出端的正输出端子和负输出端子，并且该第二滤波电容C2可滤除交流转直流变换子单元113输出的直流电压中的杂波。通过第一滤波电容C1和第二滤波电容C2，可提高高压直流变换电路的输出电压的质量。
如图3所示，两个谐振变换器11中各个变压器原边绕组电流的波形示意图，当两个谐振变换器11的直流转交流变换子单元111的输出电压的相位间隔90°，即1/4周期时，两个变压器的原边绕组电流的纹波峰值时刻保留90°的相位差。图4中，从上至下依次是两个谐振变换器11中各个第二滤波电容、以及直流输出端电压的波形示意图。根据图4，如果两个第二滤波电容C2的电压相位相同(即采用常见的拓扑形式)，那么输出电压纹波为2.67V乘以2，即为5.34V。而通过使两个谐振变换器11的直流转交流变换子单元111的输出电压的相位间隔90°后，高压直流变换电路的直流输出端的电压纹波仅为0.74V(即直流输出端的正输出端子Vout+和负输出端子Vout-之间的电压差的最大值)。即通过原边绕组并联、副边绕组串联的多个谐振变换器，并使该多个谐振变换器的直流转交流变换子单元的输出电压相位间隔预设角度，可使高压直流变换电路的直流输出端的电压纹波显著减小。
如图5所示，是本发明另一实施例提供的高压直流变换电路中谐振变换器的示意图。在本实施例中，谐振网络112除了包括第一无源网络1121和变压器1122外，还包括第二无源网络1123。该第二无源网络1123包括第二谐振电容Cr2和第二谐振电感Lr2，且上述第二谐振电感Lr2和第二谐振电容Cr2串联连接在变压器1122的副边绕组和交流转直流变换子单元113的正输入端之间，从而使变压器1122的副边绕组产生电压谐振。
在本实施例中，交流转直流变换子单元113为由开关管Q5、Q6、Q7、Q8构成的全波整流桥，并可实现可控整流。
本发明实施例还提供一种车载充电机，该车载充电机包括如上所述的高压直流变换电路。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种高压直流变换电路，其特征在于，包括直流输入端、直流输出端、控制单元以及多个谐振变换器，所述多个谐振变换器的输入端并联连接到所述直流输入端，且所述多个谐振变换器的输出端串联连接在所述直流输出端的正输出端子和负输出端子之间；每一所述谐振变换器包括直流转交流变换子单元、谐振网络以及交流转直流变换子单元，且所述直流转交流变换子单元的输出端连接到所述谐振网络的一端，所述交流转直流变换子单元的输入端连接到所述谐振网络的另一端；所述控制单元连接到每一所述谐振变换器的直流转交流变换子单元的控制端，且多个所述谐振变换器的直流转交流变换子单元在所述控制单元的控制下，输出电压的相位间隔预设角度。
2.根据权利要求1所述的高压直流变换电路，其特征在于，所述高压直流变换电路包括两个谐振变换器，且所述两个谐振变换器的直流转交流变换子单元在所述控制单元的控制下，输出电压的相位间隔70-110°。
3.根据权利要求1所述的高压直流变换电路，其特征在于，所述谐振网络包括第一无源网络和变压器，所述第一无源网络包括第一谐振电容和第一谐振电感，且所述第一谐振电容和第一谐振电感串联连接在直流转交流变换子单元的正输出端和所述变压器的原边绕组之间。
4.根据权利要求3所述的高压直流变换电路，其特征在于，所述谐振网络包括第二无源网络，所述第二无源网络包括第二谐振电容和第二谐振电感，且所述第二谐振电感和第二谐振电容串联连接在所述变压器的副边绕组和所述交流转直流变换子单元的正输入端之间。
5.根据权利要求3所述的高压直流变换电路，其特征在于，所述谐振网络包括励磁电感，所述励磁电感与所述变压器的原边绕组并联连接。
6.根据权利要求5所述的高压直流变换电路，其特征在于，所述高压直流变换电路包括第一滤波电容，且所述第一滤波电容的两端分别连接到所述直流输入端的正输入端子和负输入端子；每一所述谐振变换器包括第二滤波电容，且所述第二滤波电容的两端分别连接所述交流转直流变换子单元的输出端的正输出端子和负输出端子。
7.根据权利要求1所述的高压直流变换电路，其特征在于，所述直流转交流变换子单元包括连接成全桥结构的四个开关管，且所述直流转交流变换子单元在所述控制单元控制下将输入的直流电压转换成方波交流电。
8.根据权利要求2所述的高压直流变换电路，其特征在于，所述两个谐振变换器的直流转交流变换子单元在所述控制单元的控制下，输出电压的相位间隔90°。
9.一种车载充电机，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的高压直流变换电路。
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