车载三端口变换器及控制方法

技术领域

本发明涉及电路，特别涉及一种车载三端口变换器及其控制方法。

背景技术

车载充电机和车载直流变换器(DCDC)分别对车载高压电池和低压电池进行充电，是新能源汽车上两个重要组件。当前市面上大多将这两者进行集成在一起，形成车载充配电单元(CharCon)产品。

车载充配电单元(CharCon)的主流方案还是进行机械集成，即共用机械外壳，但是在电路上两者都还是独立。图1所示为机械集成车载充配电单元(CharCon)产品电路框图，其在内部将HV(高压)输出侧与LV(低压)输入侧相连接。可以看出这种集成方式在电子件上并没有减少，仍然需要独立的HV(高压)和LV(低压)的功率转换电路，由此限制了产品成本和功率密度的进一步提升。

为了进一步降低产品成本和提高功率密度，不少学者考虑从拓扑入手进行电路的集成，现有的方案大多是将HV(高压)和LV(低压)的直流转换电路进行集成。如图2所示，形成一个集成的三端口拓扑，如此HV(高压)的输出电路和LV(低压)的输入电路共用，可大大减少器件数量，进一步优化产品的体积和成本。

中国专利文献CN107623365A的专利公开了一种带逆变功能的三端口充电机，其在LV(低压)侧增加低压MOS进行功率解耦。该方案实现了如图2所示的拓扑集成，但需要额外增加低压MOS，且该MOS工作频率是高压侧的两倍，由于低压MOS的损耗限制不利于该拓扑进一步提升频率进行优化设计。

中国专利文献CN110649813B的专利公开了一种隔离型集成化三端口双向DCDC变换器，其在HV(高压)侧增加一个桥臂进行功率解耦。该方案同样实现了如图2所示的拓扑集成，但其使用的集成变压器方案绕组较多，较难设计，不易生产制造和质量管控。

发明内容

本发明要解决的技术问题提供一种车载三端口变换器及控制方法，该车载三端口变换器工作频率不再受低压MOS损耗限制，可以将两个变压器磁件同时做到最优设计，进一步提升整机的功率密度。另外，该车载三端口变换器，整机充电效率高。

为解决上述技术问题，本发明提供的车载三端口变换器，其包括第一变压器T1、第二变压器T2、A端口电路、B端口电路及C端口电路；第一变压器T1、第二变压器T2相互独立；

第一变压器T1包括一个第一磁芯、一个A端口侧绕组n1及一个第一B端口侧绕组n2；

第二变压器T2包括一个第二磁芯、一个第二B端口侧绕组n3及C端口侧绕组；

所述A端口电路，其第一桥臂中点及第二桥臂中点分别接第一变压器T1的A端口侧绕组n1两端，其第一桥臂及第二桥臂的两端作为A端口，用于连接功率因数校正电路母线；

所述B端口电路，其第三桥臂、第四桥臂及第五桥臂的两端作为B端口，用于输出动力高压；

所述第一B端口侧绕组n2的两端分别接第三桥臂中点及第四桥臂中点；

所述第二B端口侧绕组n3的两端分别接第四桥臂中点及第五桥臂中点；

所述C端口电路，其整流滤波电路输入端接第二变压器T2的C端口侧绕组，输出端作为C端口用于输出工作低压。

较佳的，所述C端口侧绕组包括一个C端口侧第一绕组n4和一个C端口侧第二绕组n5；

所述C端口电路包括第十一开关管S11、第十二开关管S12、第十三开关管S13及第十四开关管S14；

第十二开关管S12、第十四开关管S14的源漏两端分别接C端口侧第一绕组n4的同名端及工作低压负端LV-；

第十一开关管S11、第十三开关管S13的源漏两端分别接C端口侧第二绕组n5的异名端及工作低压负端LV-；

所述C端口侧第一绕组n4的异名端及C端口侧第二绕组n5同名端均接工作低压正端LV+。

较佳的，第十三开关管S13同工作低压负端LV-之间接有第一电容C1；

第一二极管D1正端接C端口侧第二绕组n5的异名端，负端经第一电容C1接工作低压负端LV-；

第十四开关管S14同工作低压负端LV-之间接有第二电容C2；

第二二极管D2正端接C端口侧第一绕组n4的同名端，负端经第二电容C2接工作低压负端LV-。

较佳的，所述C端口电路还包括一输出电感Lo及一输出电容Co；

所述输出电感Lo，一端接工作低压正端LV+，另一端接在所述C端口侧第一绕组n4异名端及C端口侧第二绕组n5同名端；

所述输出电容Co两端分别接工作低压正端LV+及工作低压负端LV-。

较佳的，所述A端口电路包含第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3及第四开关管S4；

第一开关管S1和第二开关管S2组成第一桥臂，第三开关管S3和第四开关管S4组成第二桥臂。

较佳的，所述A端口电路还包含谐振电感Lr、谐振电容Cr及励磁电感Lm；

所述谐振电感Lr两端分别接在第一桥臂中点及A端口侧绕组n1的同名端；

所述谐振电容Cr两端分别接在第二桥臂中点及A端口侧绕组n1的异名端；

所述励磁电感Lm两端分别接在第二桥臂中点及A端口侧绕组n1的两端。

较佳的，所述B端口电路包含第五开关管S5、第六开关管S6、第七开关管S7、第八开关管S8、第九开关管S9及第十开关管S10；

第五开关管S5和第六开关管S6组成第三桥臂；

第七开关管S7和第八开关管S8组成第四桥臂；

第九开关管S9和第十开关管S10组成第五桥臂。

较佳的，所述B端口电路还包含隔直电容Ciso；

所述隔直电容Ciso两端分别接第三桥臂中点及第一B端口侧绕组n2同名端。

较佳的，所述B端口电路还包含漏感Ls；

所述漏感Ls两端分别接第五桥臂中点及第二B端口侧绕组n3异名端。

为解决上述技术问题，本发明提供的所述的车载三端口变换器的控制方法，由A端口或B端口向C端口传输功率时，

第十一开关管S11同第十三开关管S13互补导通；

第十二开关管S12同第十四开关管S14互补导通；

第十一开关管S11同第十二开关管S12的导通相位相差180°。

较佳的，由A端口或B端口向C端口传输功率时，A端口电路或B端口电路采用变频、移相或两者相结合的控制策略；

变频控制，表现为通过改变A端口电路或B端口电路中的开关管的频率来控制传输功率；

移相控制，表现为通过改变A端口电路或B端口电路中的每个桥臂中点输出电压的相移来控制传输功率。

较佳的，由A端口或B端口向C端口传输功率时，C端口电路采用变占空比控制策略，通过改变第十一开关管S11同第十二开关管S12的驱动占空比来控制传输功率。

较佳的，由A端口向B端口传递功率时：

A端口电路中，第一开关管S1和第四开关管S4以50％占空比同时导通，第二开关管S2和第三开关管S3同时导通，第一开关管S1和第二开关管S2互补导通，第三开关管S3和第四开关管S4互补导通，频率相同为fs；

B端口电路中，第五开关管S5、第六开关管S6、第七开关管S7、第八开关管S8、第九开关管S9及第十开关管S10均以50％占空比导通，频率相同为fs；

第五开关管S5滞后于第一开关管S1第一时长Dt1导通；

第六开关管S6滞后于第二开关管S2第一时长Dt1导通。

第七开关管S7滞后于第二开关管S2第一时长Dt1导通；

第八开关管S8滞后于第一开关管S1第一时长Dt1导通；

第九开关管S9超前于第八开关管S8第二时长Dt2导通；

第十开关管S10超前于第七开关管S7第二时长Dt2导通；

Dt1及Dt2小于1/2fs。

较佳的，由B端口向A端口传递功率时：

B端口电路中，第五开关管S5和第八开关管S8以50％占空比同时导通，第六开关管S6和第七开关管S7同时导通，第六开关管S6和第五开关管S5互补导通，第七开关管S7和第八开关管S8互补导通，频率相同为fs；

第九开关管S9以50％占空比导通，频率为fs，且滞后于第八开关管S8第三时间Dt3导通；

第十开关管S10以50％占空比导通，频率为fs，且滞后于第七开关管S7第三时间Dt3导通；

A端口电路中，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3及第四开关管S4均以50％占空比导通，频率相同为fs；

第一开关管S1，滞后于第五开关管S5第四时间Dt4导通；

第二开关管S2，滞后于第六开关管S6第四时间Dt4导通；

第三开关管S3，滞后于第六开关管S6第四时间Dt4导通；

第四开关管S4，滞后于第五开关管S6第四时间Dt4导通；

Dt4及Dt3小于1/2fs。

本发明的车载三端口变换器及控制方法，使用两个分立的变压器，降低了变压器磁件设计的复杂度，更容易生产制造和质量管控；而且，由于低压侧开关管不需要跟随高压侧开关频率进行两倍频损耗设计，因此高压侧可以进行频率提升优化，该车载三端口变换器工作频率不再受低压MOS损耗限制，可以将两个变压器磁件同时做到最优设计，进一步提升整机的功率密度。另外，该车载三端口变换器，B端口用于连接车载高压动力电池，C端口用于连接车载低压工作电池，是控制结合拓扑，控制上在正向工作模式时，第九开关管S9、第十开关管S10采用超前于第八开关管S8、第七开关管S7驱动，可实现A端口向B、C端口同时传递功率时第八开关管S8、第七开关管S7上电流减小，从而降低第八开关管S8、第七开关管S7损耗，提升充电效率，整机充电效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对本发明所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是机械集成车载充配电单元产品电路框图；

图2是现有一种集成三端口车载充配电单元产品电路框图；

图3是本发明的车载三端口变换器一实施例电路图；

图4是本发明的车载三端口变换器一实施例的由A端口向B、C端口同时传递功率的控制时序；

图5是本发明的车载三端口变换器一实施例的由B端口向A、C端口同时传递功率的控制时序。

具体实施方式

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付出创造性劳动的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。

本申请中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例一

如图3所示，车载三端口变换器包括第一变压器T1、第二变压器T2、A端口电路、B端口电路及C端口电路；第一变压器T1、第二变压器T2相互独立；

第一变压器T1包括一个第一磁芯、一个A端口侧绕组n1及一个第一B端口侧绕组n2；

第二变压器T2包括一个第二磁芯、一个第二B端口侧绕组n3及C端口侧绕组；

所述A端口电路，其第一桥臂中点及第二桥臂中点分别接第一变压器T1的A端口侧绕组n1两端，其第一桥臂及第二桥臂的两端作为A端口，用于连接功率因数校正电路(PFC)母线；

所述B端口电路，其第三桥臂、第四桥臂及第五桥臂的两端作为B端口(高压端口)，用于输出动力高压(HV,高于100V)，为高压动力电池充电；

所述第一B端口侧绕组n2的两端分别接第三桥臂中点及第四桥臂中点；

所述第二B端口侧绕组n3的两端分别接第四桥臂中点及第五桥臂中点；

所述C端口电路，其整流滤波电路输入端接第二变压器T2的C端口侧绕组，输出端作为C端口(低压端口)输出工作低压(LV，低于50V)，用于为低压工作电池充电。

A端口电路中开关管可组成为全桥或半桥结构；A端口电路中的谐振网络可为LC、LLC、CLC、CLLC或CLLLC等，谐振电容和电感可根据需要分布在A端口电路或者B端口端口电路；C端口电路可采用全桥、全波或倍流电路结构。

实施例一的车载三端口变换器，使用两个分立的变压器，降低了变压器磁件设计的复杂度，更容易生产制造和质量管控；而且，由于低压侧开关管不需要跟随高压侧开关频率进行两倍频损耗设计，因此高压侧可以进行频率提升优化，该车载三端口变换器工作频率不再受低压MOS损耗限制，可以将两个变压器磁件同时做到最优设计，进一步提升整机的功率密度。另外，该车载三端口变换器，B端口用于连接车载高压动力电池，C端口用于连接车载低压工作电池，是控制结合拓扑，控制上在正向工作模式时，第九开关管S9、第十开关管S10采用超前于第八开关管S8、第七开关管S7驱动，可实现A端口向B、C端口同时传递功率时第八开关管S8、第七开关管S7上电流减小，从而降低第八开关管S8、第七开关管S7损耗，提升充电效率，整机充电效率高。

实施例二

基于实施例一的车载三端口变换器，所述C端口侧绕组包括一个C端口侧第一绕组n4和一个C端口侧第二绕组n5；

所述C端口电路包括第十一开关管S11、第十二开关管S12、第十三开关管S13及第十四开关管S14；

第十二开关管S12、第十四开关管S14的源漏两端分别接C端口侧第一绕组n4的同名端及工作低压负端LV-；

第十一开关管S11、第十三开关管S13的源漏两端分别接C端口侧第二绕组n5的异名端及工作低压负端LV-；

所述C端口侧第一绕组n4的异名端及C端口侧第二绕组n5同名端均接工作低压正端LV+。

较佳的，第十三开关管S13同工作低压负端LV-之间接有第一电容C1；

第一二极管D1正端接C端口侧第二绕组n5的异名端，负端经第一电容C1接工作低压负端LV-；

第十四开关管S14同工作低压负端LV-之间接有第二电容C2；

第二二极管D2正端接C端口侧第一绕组n4的同名端，负端经第二电容C2接工作低压负端LV-。

较佳的，所述C端口电路还包括一输出电感Lo及一输出电容Co；

所述输出电感Lo，一端接低压正端LV+，另一端接在所述C端口侧第一绕组n4异名端及C端口侧第二绕组n5同名端；

所述输出电容Co两端分别接工作低压正端LV+及工作低压负端LV-。

实施例二的车载三端口变换器，其C端口电路使用全波整流加上有源钳位电路，可通过第一电容C1、第二电容C2结合输入端同时给低压电池提供能量，从而提升B端口向C端口传递功率的效率，可进一步降低功率器件的电压应力和提升对车载低压电池的充电效率。

实施例三

基于实施例一或二的车载三端口变换器，所述A端口电路包含第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3及第四开关管S4；

第一开关管S1和第二开关管S2组成第一桥臂，第三开关管S3和第四开关管S4组成第二桥臂。

较佳的，所述A端口电路还包含谐振电感Lr、谐振电容Cr及励磁电感Lm；

所述谐振电感Lr两端分别接在第一桥臂中点及A端口侧绕组n1的同名端；

所述谐振电容Cr两端分别接在第二桥臂中点及A端口侧绕组n1的异名端；

所述励磁电感Lm两端分别接在第二桥臂中点及A端口侧绕组n1的两端。

谐振电感Lr、谐振电容Cr及励磁电感Lm组成谐振网络。

实施例四

基于实施例一、二或三的车载三端口变换器，所述B端口电路包含第五开关管S5、第六开关管S6、第七开关管S7、第八开关管S8、第九开关管S9及第十开关管S10；

第五开关管S5和第六开关管S6组成第三桥臂；

第七开关管S7和第八开关管S8组成第四桥臂；

第九开关管S9和第十开关管S10组成第五桥臂。

较佳的，所述B端口电路还包含隔直电容Ciso；

所述隔直电容Ciso两端分别接第三桥臂中点及第一B端口侧绕组n2同名端。

较佳的，所述B端口电路还包含漏感Ls；

所述漏感Ls两端分别接第五桥臂中点及第二B端口侧绕组n3异名端。

实施例五

基于实施例四的三端口电路拓扑的控制方法，由A端口或B端口向C端口传输功率时，如图4、图5所示：C端口电路中，第十一开关管S11同第十三开关管S13互补导通；

第十二开关管S12同第十四开关管S14互补导通；

第十一开关管S11同第十二开关管S12的导通相位相差180°。第十一开关管S11和第十二开关管S12做同步整流时序工作。

较佳的，由A端口或B端口向C端口传输功率时，A端口电路或B端口电路采用变频、移相或两者相结合的控制策略；

变频控制，表现为通过改变A端口电路或B端口电路中的开关管的频率来控制传输功率；

移相控制，表现为通过改变A端口电路或B端口电路中的每个桥臂中点输出电压的相移来控制传输功率。

较佳的，由A端口或B端口向C端口传输功率时，C端口电路采用变占空比控制策略，通过改变第十一开关管S11同第十二开关管S12的驱动占空比来控制传输功率。

实施例六

基于实施例五的三端口电路拓扑的控制方法，如图4所示，由A端口向B端口传递功率时：

A端口电路中，第一开关管S1和第四开关管S4以50％占空比同时导通，第二开关管S2和第三开关管S3同时导通，第一开关管S1和第二开关管S2互补导通，第三开关管S3和第四开关管S4互补导通，频率相同为fs；

B端口电路中，第五开关管S5、第六开关管S6、第七开关管S7、第八开关管S8、第九开关管S9及第十开关管S10均以50％占空比导通，频率相同为fs；

第五开关管S5滞后于第一开关管S1第一时长Dt1导通；

第六开关管S6滞后于第二开关管S2第一时长Dt1导通。

第七开关管S7滞后于第二开关管S2第一时长Dt1导通；

第八开关管S8滞后于第一开关管S1第一时长Dt1导通；

第九开关管S9超前于第八开关管S8第二时长Dt2导通；

第十开关管S10超前于第七开关管S7第二时长Dt2导通；

Dt1及Dt2小于1/2fs。

实施例六的三端口电路拓扑的控制方法，由A端口向B端口传递功率时，可以采用变频、移相或两者相结合的控制策略。A端口可以向B、C端口同时传递功率，也可以单独向B端口传递功率同时C端口空载。

实施例七

基于实施例五的三端口电路拓扑的控制方法，如图5所示，由B端口向A端口传递功率时：

B端口电路中，第五开关管S5和第八开关管S8以50％占空比同时导通，第六开关管S6和第七开关管S7同时导通，第六开关管S6和第五开关管S5互补导通，第七开关管S7和第八开关管S8互补导通，频率相同为fs；

第九开关管S9以50％占空比导通，频率为fs，且滞后于第八开关管S8第三时间Dt3导通；

第十开关管S10以50％占空比导通，频率为fs，且滞后于第七开关管S7第三时间Dt3导通；

A端口电路中，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3及第四开关管S4均以50％占空比导通，频率相同为fs；

第一开关管S1，滞后于第五开关管S5第四时间Dt4导通；

第二开关管S2，滞后于第六开关管S6第四时间Dt4导通；

第三开关管S3，滞后于第六开关管S6第四时间Dt4导通；

第四开关管S4，滞后于第五开关管S6第四时间Dt4导通；

Dt4及Dt3小于1/2fs。

实施例七的三端口电路拓扑的控制方法，由B端口向A端口传递功率时，可以采用变频、移相或两者相结合的控制策略。B端口可以向A、C端口同时传输功率，也可以单独向A端口传递功率同时C端口空载。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。