带飞跨电容的DCDC变换器电路以及其控制方法

摘要

本发明涉及一种带飞跨电容的DCDC变换器电路以及其控制方法，应用于双向DCDC变换器，包括四个桥臂、两个飞跨电容和两串联输出电容，两串联输出电容的连接点为输出；每个桥臂由两个开关管串联组成；每两个桥臂作为上下桥臂串联为一组桥臂，第一组并联在电池组直流端电源两端，第二组桥臂并联在两串联输出电容两端，两组桥臂的桥臂串联点之间接续流电感；在连接在上下桥臂串联点上的两个开关管的两端并联一个飞跨电容。根据电池组充、放电要求及与输出电压间关系控制每个桥臂开关状态，实现双向升压或降压变换。同时控制两个飞跨电容电压分别始终等于电池组直流端电压一半和输出电压一半，使电感电流在全负载范围保持连续，并减小开关管电压应力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制技术，特别涉及一种带飞跨电容的DCDC变换器电路以及其控制方法。

背景技术

直流-直流变换器，简称DCDC变换器，是一种通过升压或降压电路，将直流电压源转换为不同电压等级直流电源的变换器。广泛应用于光伏发电、电池充电器、燃料电池、电动汽车等领域。

DCDC变换器通过简化均可以等效为Boost升压变换器或Buck降压变换器。当输出满载时，变换器工作在连续电流模式(CCM)，此时电感上的平均电流即为变换器的输出负载电流。随着负载减小，负载电流降低，电感上电流值随之降低。当负载上电流降到一定值时，在一个开关周期内，电感上电流降到0后该周期未结束，由于二极管的反向阻断作用，电流会维持0值，直至下一开关周期，此时变换器工作在断续电流模式(DCM)。变换器工作在DCM模式时会造成电流采样不准确，从而不利于系统的线性化采样，降低系统的可靠性。

发明内容

为了提高DCDC变换器稳定性，提出了一种带飞跨电容的DCDC变换器电路以及其控制方法，通过飞跨电容的充放电使电感始终工作在CCM模式，并能有效减小各开关管的电压应力。

本发明的技术方案为：一种带飞跨电容的DCDC变换器电路，包括四个桥臂和两串联输出电容，两串联输出电容的连接点为输出；每个桥臂由两个开关管串联组成；每两个桥臂作为上下桥臂串联为一组桥臂，第一组桥臂并联在电池组直流端电源两端，第二组桥臂并联在两串联输出电容两端，两组桥臂的桥臂串联点之间接续流电感；在第一组上下桥臂串联点上的两个开关管的两端并联第一飞跨电容，在第二组上下桥臂串联点上的两个开关管的两端并联第二飞跨电容。

优选的，所述第一飞跨电容的容值根据电池端直流电压最大值的1/2进行匹配，对电池组直流端电压进行钳位。

优选的，所述第二飞跨电容的容值根据变换器输出端电压最大值的1/2进行匹配，对变换器输出端电压进行钳位。

所述带飞跨电容的DCDC变换器电路的控制方法，控制器采样当前电池组直流侧电压、第一飞跨电容电压、第二飞跨电容电压、输出电压和电感电流值，控制器通过控制每个桥臂开关状态，实现DCDC变换器实现双向升压或降压变换，同时控制第一组桥臂上对应的第一飞跨电容电压等于电池组直流端电压一半，第二组桥臂上对应的第二飞跨电容电压等于输出电压一半。

优选的，若电感电流始终为正，所述当第一飞跨电容的电压小于电池组直流端电压一半时，控制第一组桥臂的上下桥臂中的第一开关管S11、S21同时导通的时间增加，为所述第一飞跨电容充电；当第一飞跨电容的电压大于电池组直流端电压一半时，控制第一组桥臂的上下桥臂中的第二开关管S12、S22同时导通的时间增加，为所述第一飞跨电容放电；当所述第二飞跨电容的电压小于输出电压的一半时，控制第二组桥臂的上下桥臂中的第二开关管S32、S42同时导通的时间增加，为所述第二飞跨电容充电；当第二飞跨电容的电压大于输出电压的一半时，控制第二组桥臂的上下桥臂中的第一开关管S31、S41同时导通的时间增加，为所述第二飞跨电容放电。

优选的，当电池组直流端电压大于输出电压时，DCDC变换器实现Buck功能，控制方法如下：

第一组上桥臂第一开关管S11、第二开关管S12驱动相位差180°；第一组下桥臂第一开关管S21、第二开关管S22驱动相位差180°；开关管S11与S22驱动互补；开关管S12与S21驱动互补；第二组上桥臂第一开关管S31、第二开关管S32始终导通；第二组下桥臂第一开关管S41、第二开关管S42始终关断。

优选的，所述DCDC变换器实现Buck功能在一个开关周期中依次采用t1～t8时序控制；

t1时序：两组桥臂上桥臂两个开关管均导通，两组桥臂下桥臂两个开关管均关断，续流电感释能；

t2时序：两组桥臂上桥臂两个开关管均导通，两组桥臂下桥臂两个开关管均关断，续流电感储能；

t3时序：第一组桥臂上下桥臂的第一开关管均导通，第二组桥臂上桥臂两个开关管均导通，第一组桥臂上下桥臂的第二开关管均关断，第二组桥臂下桥臂两个开关管均关断，续流电感释能，第一飞跨电容充电；

t4时序：第一组桥臂上下桥臂的第一开关管均导通，第二组桥臂上桥臂两个开关管均导通，第一组桥臂上下桥臂的第二开关管均关断，第二组桥臂下桥臂两个开关管均关断，续流电感储能，第一飞跨电容放电；

t5时序同t1；

t6时序同t2；

t7时序：第一组桥臂上下桥臂的第二开关管、第二组桥臂上桥臂两开关管均导通，第一组桥臂上下桥臂的第一开关管、第二组桥臂下桥臂两开关管均关断，续流电感释能，第一飞跨电容放电；

t8时序：第一组桥臂上下桥臂的第二开关管、第二组桥臂上桥臂两开关管均导通，第一组桥臂上下桥臂的第一开关管、第二组桥臂下桥臂两开关管均关断，续流电感储能，第一飞跨电容充电。

优选的，当电池组电源电压小于输出电压时，DCDC变换器实现Boost功能，控制方法如下：

第一组上桥臂第一开关管S11、第二开关管S12始终导通；第一组下桥臂第一开关管S21、第二开关管S22始终关断；第二组上桥臂第一开关管S31、第二开关管S32驱动相位差180°；第二组下桥臂第一开关管S41、第二开关管S42驱动相位差180°；开关管S31与S42驱动互补；开关管S32与S41驱动互补。

优选的，所述DCDC变换器实现Boost功能在一个开关周期中依次采用T1～T8时序控制；

T1时序：两组桥臂上桥臂两个开关管均导通，两组桥臂下桥臂两个开关管均关断，续流电感释能，输出电容充电；

T2时序:两组桥臂上桥臂两个开关管均导通，两组桥臂下桥臂两个开关管均关断，续流电感储能，输出电容放电；

T3时序：第一组桥臂上桥臂两个开关管、第二组桥臂上下桥臂的第一开关管均导通，第一组桥臂下桥臂两个开关管、第二组桥臂上下桥臂的第二开关管均关断，续流电感释能，第二飞跨电容充电；

T4时序：第一组桥臂上桥臂两个开关管、第二组桥臂上下桥臂的第一开关管均导通，第一组桥臂下桥臂两个开关管、第二组桥臂上下桥臂的第二开关管均关断，续流电感储能，第二飞跨电容放电；

T5时序同T1时序；

T6时序同T2时序；

T7时序：第一组桥臂上桥臂两个开关管、第二组桥臂上下桥臂的第二开关管均导通，第一组桥臂下桥臂两个开关管、第二组桥臂上下桥臂的第一开关管均关断，续流电感释能，第二飞跨电容放电；

T8时序：第一组桥臂上桥臂两个开关管、第二组桥臂上下桥臂的第二开关管均导通，第一组桥臂下桥臂两个开关管、第二组桥臂上下桥臂的第一开关管均关断，续流电感储能，第二飞跨电容充电。

优选的，所述随着负载增加，电池组直流端电量向负载端送，续流电感上电流始终为正，此时，一个开关周期仅包含T1、T4、T5和T8时序。

本发明的有益效果在于：本发明带飞跨电容的DCDC变换器电路以及其控制方法,使电感电流在全负载范围保持连续，有利于实现电流宽范围的线性采样，从而有利于系统的数字化控制设计；增加飞跨电容使得第一、二桥臂开关管两端电压分别为电池端、输出端电压的一半，减小开关管电压应力；能量双向流动，能够实现双向升压或降压变换。

附图说明

图1为本发明带飞跨电容的DCDC变换器拓扑图；

图2为本发明带飞跨电容的DCDC变换器降压模式时序图；

图3a为本发明降压模式T1、T5时序电流流向图；

图3b为本发明降压模式T2、T6时序电流流向图；

图3c为本发明降压模式T3时序电流流向图；

图3d为本发明降压模式T4时序电流流向图；

图3e为本发明降压模式T7时序电流流向图；

图3f为本发明降压模式T8时序电流流向图；

图4为本发明带飞跨电容的DCDC变换器升压模式时序图；

图5a为本发明升压模式T1、T5时序电流流向图；

图5b为本发明升压模式T2、T6时序电流流向图；

图5c为本发明升压模式T3时序电流流向图；

图5d为本发明升压模式T4时序电流流向图；

图5e为本发明升压模式T7时序电流流向图；

图5f为本发明升压模式T8时序电流流向图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提供一种DCDC双向变换器的控制方法，用于实现直流转直流，且变换器始终工作在连续电流模式。

如图1所示带飞跨电容的DCDC变换器拓扑图，所述DCDC变换器包括四个桥臂、2个飞跨电容(C

开关管可以为IGBT或MOS管。当开关管为IGBT时，开关管的第一端为集电极，第二端为发射极。若开关管为MOS管，开关管的第一端为漏极，第二端为源极。

第一组上桥臂包括第一开关管S11、第二开关管S12，对应的体二极管D11、D12；第一组下桥臂包括第一开关管S21、第二开关管S22，对应的体二极管D21、D22；第二组上桥臂包括第一开关管S31、第二开关管S32，对应的体二极管D31、D32；第二组下桥臂包括第一开关管S41、第二开关管S42，对应的体二极管D41、D42。

所述控制方法包括：

采样当前电池组直流侧电压(V

获取逆变侧所需输出电压需求、电池组充电电压需求；

当能量从电池组向逆变器侧流动时，根据逆变器所需输出电压需求、电容组公共端输出电压及电感电流值采样对DCDC变换器逆变器侧输出电压进行双闭环控制实现升压后降压，同时引入飞跨电容电压控制，使第一飞跨电容电压V

当能量从逆变侧向电池组侧流动时，根据电池组充电电压需求、电池组电压及电感电流值采样对DCDC变换器电池侧输出电压进行双闭环控制实现升压或降压，同时引入飞跨电容电压控制，保证DCDC变换器在工作过程中第一组桥臂的电压为电池端电压的1/2，第二组桥臂的电压为输出端电压的1/2。

因此，第一飞跨电容的型号根据电池端直流电压最大值的1/2选取；第二飞跨电容的型号根据变换器输出端电压最大值的1/2选取。

通过控制不同开关管的导通或截止，使电路实现双向升压或降压功能的同时具有以下特点：通过控制占空比维持飞跨电容电位平衡，使电感工作于连续电流模式；通过维持飞跨电容电位平衡，减小开关管电压应力。

下面结合开关管控制时序及仿真图，对带飞跨电容的DCDC变换器的控制方法进行说明。

1、当左侧电池组电源电压V

实现Buck功能时，在一个开关周期中依次采用T1～T8时序控制所述DCDC变换器，如图2所示。其中，第一组上桥臂第一开关管S11、第二开关管S12驱动相位差180°；第一组下桥臂第一开关管S21、第二开关管S22驱动相位差180°；开关管S11与S22驱动互补；开关管S12与S21驱动互补；第二组上桥臂第一开关管S31、第二开关管S32始终导通；第二组下桥臂第一开关管S41、第二开关管S42始终关断。

如图3a～3f时序电流流向图具体如下：

T1时序(S11打开动作，S12打开，S21关闭，S22关闭动作)：第一组上桥臂第一开关管S11、第二开关管S12导通，第一组下桥臂第一开关管S21、第二开关管S22关断。此时电流流向为，电容C1第一端流出，经第二组上桥臂开关管S31、S32、电感L、第一组上桥臂开关管S12、S11、电池组返回电容C2第二端，如图3a所示。此过程中，电感L的电流为负且一直减小，L释能，直至T2时序。

T2时序(S11打开，S12打开，S21关闭，S22关闭)：第一组上桥臂第一开关管S11、第二开关管S12导通，第一组下桥臂第一开关管S21、第二开关管S22关断。此时电流流向为，电池组正极流出，经第一桥臂开关管S11、S12、电感L、第二组上桥臂开关管S32、S31、电容C1、C2返回电池组负极，如图3b所示。此过程中，电感L的电流为正且一直增加，L储能，直至T3时序。

T3时序(S11打开，S12关闭动作，S21打开动作，S22关闭)：第一组上桥臂第一开关管S11、第一组下桥臂第一开关管S21导通，第一组上桥臂第二开关管S12、第一组下桥臂第二开关管S22关断。此时电流流向为，电池组正极流出，经第一组上桥臂第一开关管S11、飞跨电容Cf1、第一组下桥臂第一开关管S21、电感L、第二组上桥臂开关管S31、S32、电容C1、C2返回电池组负极，如图3c所示。此过程中，电感L的电流为正且持续减小，L释能，飞跨电容Cf1充电，直至T4时序。

T4时序(S11打开，S12关闭，S21打开，S22关闭)：第一组上桥臂第一开关管S11、第一组下桥臂第一开关管S21导通，第一上桥臂第二开关管S12、第一组下桥臂第二开关管S22关断。此时电流流向为，电容C1第一端流出，经第二组上桥臂开关管S32、S31、电感L、第一组下桥臂第一开关管S21、飞跨电容Cf1、第一组上桥臂第一开关管S11、电池组返回电容C2第二端，如图3d所示。此过程中，电感L的电流为负且一直增加，L储能，飞跨电容Cf1放电，直至T5时序。

T5时序(S11打开，S12打开动作，S21关闭动作，S22关闭)：与T1时序控制过程相同。

T6时序(S11打开，S12打开，S21关闭，S22关闭)：与T2时序控制过程相同。

T7时序(S11关闭动作，S12打开，S21关闭，S22打开动作)：第一组上桥臂第二开关管S12、第一组下桥臂第二开关管S22导通，第一组上桥臂第一开关管S11、第一组下桥臂第一开关管S21关断。电流流向为电感L、第二组上桥臂开关管S31、S32、电容C1、C2、第一组下桥臂第二开关管S22、飞跨电容Cf1、第一组上桥臂第二开关管S12返回电感，如图3e所示。此过程中，电感L的电流为正且一直减小，L释能，飞跨电容Cf1放电，直至T8时序。

T8时序(S11关闭，S12打开，S21关闭，S22打开)：第一组上桥臂第二开关管S12、第一组下桥臂第二开关管S22导通，第一组上桥臂第一开关管S11、第一组下桥臂第一开关管S21关断。电流流向为，电容C1第一端流出，经第二组上桥臂开关管S32、S31、电感L、第一组上桥臂第二开关管S12、飞跨电容Cf1、第一组下桥臂第二开关管S22返回电容C2第二端，如图3f所示。此过程中，电感L的电流为负且一直增加，L储能，飞跨电容Cf1充电，至下一开关周期。

随着负载增加，电感L上电流始终为正，此时，一个开关周期仅包含T2、T3、T6和T7时序。

飞跨电容Cf1两端电压等于半电池组电压时，第一组上桥臂的第一开关管S11、第二开关管S12相当于Buck电路的高频管，所需增益越大，开关管S11、S12的占空比越大，T2、T6时序开通时间越长。第一组下桥臂的第一开关管S21、第二开关管S22相当于Buck电路的二极管。飞跨电容Cf1两端电压不平衡时，第一组上桥臂的第一开关管S11、第一组下桥臂的第一开关管S21相当于Buck电路的高频管，第一组上桥臂的第二开关管S12、第一组下桥臂的第二开关管S22相当于Buck电路的二极管。

综合上述T1～T8时序电流可知，在开关周期中，电感L的电流始终连续。

通过控制飞跨电容Cf1两端电压始终为电池组电压的1/2，开关管S11、S12、S21、S22所需承受的电压均为电池组电压的1/2，开关管的电压应力减小。

2、当左侧电源电压V

实现Boost功能时，在一个开关周期中依次采用T1～T8时序控制所述DCDC变换器，如图4所示。其中，第一组上桥臂第一开关管S11、第二开关管S12始终导通；第一组下桥臂第一开关管S21、第二开关管S22始终关断；第二组上桥臂第一开关管S31、第二开关管S32驱动相位差180°；第二组下桥臂第一开关管S41、第二开关管S42驱动相位差180°；开关管S31与S42驱动互补；开关管S32与S41驱动互补。

如图5a～5f时序电流流向图具体如下：

T1时序(S31打开动作，S32打开，S41关闭，S42关闭动作)：第二组上桥臂第一开关管S31、第二开关管S32导通，第二组下桥臂第一开关管S41、第二开关管S42关断。此时电流流向为，电池组正极流出，经第一组上桥臂开关管S11、S12、电感L、第二组上桥臂开关管S32、S31、电容C1、C2返回电池组负极，如图5a所示。此过程中，电感L的电流为正且持续减小，L释能，，直至T2时序。

T2时序(S31打开，S32打开，S41关闭，S42关闭)：第二组上桥臂第一开关管S31、第二开关管S32导通，第二组下桥臂第一开关管S41、第二开关管S42关断。此时电流流向为，电容C1第一端流出，经第二组上桥臂开关管S32、S31、电感L、第一组上桥臂开关管S11、S12、电池组返回电容C2第二端，如图5b所示。此过程中，电感L的电流为负且持续增加，L储能，直至T3时序。

T3时序(S31打开，S32关闭动作，S41打开动作，S42关闭)：第二组上桥臂第一开关管S31、第二组下桥臂第一开关管S41导通，第二组上桥臂第二开关管S32、第二组下桥臂第二开关管S42关断。此时电流流向为，电容C1第一端流出，经第二组上桥臂第一开关管S31、飞跨电容Cf2、第二组下桥臂第一开关管S41、电感L、第一组上桥臂开关管S11、S12、电池组返回电容C2第二端，如图5c所示。此过程中，电感L的电流为负且持续减小，L释能，飞跨电容Cf2充电，直至T4时序。

T4时序(S31打开，S32关闭，S41打开，S42关闭)：第二组上桥臂第一开关管S31、第二组下桥臂第一开关管S41导通，第二组上桥臂第二开关管S32、第二组下桥臂第二开关管S42关断。此时电流流向为，电池组正极流出，经第一组上桥臂开关管S11、S12、电感L、第二组下桥臂第一开关管S41、飞跨电容Cf2、第二组上桥臂第一开关管S31、电容C1、C2返回电池组负极，如图5d所示。此过程中，电感L的电流为正且持续增加，L储能，飞跨电容Cf2放电，直至T5时序。

T5时序(S31打开，S32打开动作，S41关闭动作，S42关闭)：与T1时序控制过程相同。

T6时序(S31打开，S32打开，S41关闭，S42关闭)：与T2时序控制过程相同。

T7时序(S31关闭动作，S32打开，S41关闭，S42打开动作)：第二组上桥臂第二开关管S32、第二组下桥臂第二开关管S42导通，第二组上桥臂第一开关管S31、第二组下桥臂第一开关管S41关断。此时电流流向为，电感L、电池组、第二组下桥臂第二开关管S42、飞跨电容Gf2、第二组上桥臂第二开关管S32返回电感，如图5e所示。此过程中，电感L的电流为负且减小，L释能，飞跨电容Cf2放电，直至T8时序。

T8时序(S31关闭，S32打开，S41关闭，S42打开)：第二组上桥臂第二开关管S32、第二组下桥臂第二开关管S42导通，第二组上桥臂第一开关管S31、第二组下桥臂第一开关管S41关断。此时电流流向为，电池组正极流出，经第一组上桥臂开关管S11、S12、电感L、第二组上桥臂第二开关管S32、飞跨电容Cf2、第二组下桥臂第二开关管S42返回电池组负极，如图5f所示。此过程中，电感L的电流为正且增加，L储能，飞跨电容Cf2充电，直至下一开关周期。

随着负载增加，电感L上电流始终为正，此时，一个开关周期仅包含T1、T4、T5和T8时序。

飞跨电容Cf2两端电压等于半母线电压时，第二组下桥臂的第一开关管S41、第二开关管S42相当于Boost电路的高频管，第二组上桥臂的第一开关管S31、第二开关管S32相当于Boost电路的二极管。当飞跨电容Cf2两端电压不平衡时，第二组上桥臂的第二开关管S32、第二组下桥臂的第二开关管S42组成Boost电路的高频管，第二组上桥臂的第一开关管S31、第二组下桥臂的第二开关管S41组成Boost电路的二极管，所需增益越大，开关管S32、S42同时导通的时间越长，T8时序开通时间越长。

综合上述T1～T8时序电流可知，在开关周期中，电感L的电流始终连续。

通过控制飞跨电容Cf2两端电压始终为输出电压的1/2，电感L上电流保持连续；开关管S31、S32、S41、S42所需承受的电压均为输出电压的1/2，开关管的电压应力减小。

上述对本发明所设计DCDC变换器进行详细介绍，重点说明了所设计带有飞跨电容的DCDC变换器分别在Buck模式和Boost模式时的详细工作过程。通过使第一、二飞跨电容两端电压保持在电池端、输出端电压的1/2，变换器始终工作在电感电流连续状态，提高了系统的采样精度，进一步提高系统稳定性，并有效减小了开关管的电压应力；能量双向流动，能够实现双向升压或降压变换。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。