说明书一种用于双向DC/DC变换器的软开关电路及控制方法
技术领域
本发明属于电动汽车系统、不间断电源系统技术领域，具体涉及一种用 于双向DC/DC变换器的软开关电路，本发明还涉及用于双向DC/DC变换器 的软开关电路的控制方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，电动汽车成功解决了环境污染、能源短缺等 问题。蓄电池作为关键部分，能够将汽车在制动过程中的能量加以回收利用。 随着车辆加减速次数及蓄电池充放电次数的增大，严重缩短了蓄电池的寿 命。超级电容作为辅助电源，具有充电迅速、效率高、寿命长等优点，能够 满足汽车在启动过程中的功率需求。但由于超级电容本身特性使得汽车行驶 里程短。因此针对蓄电池以及超级电容的混合动力汽车的充放电技术在许多 国家中得到了足够的重视，陆续开展了广泛的研究。
目前，为了促进混合动力电动汽车商业化发展，汽车行业在蓄电池、超 级电容等储能设备上加强了研究。双向DC/DC变换器能够实现对储能设备 的充放电，传统的Buck-Boost电路有如下缺点：电路输出侧纹波大，导致电 路效率降低甚至能够烧毁设备；二极管反向恢复时间长，它能够产生大的电 流尖峰，造成电路损坏使电路的可靠性降低；开关管在开通与关断过程中， 管子上的电流与电压同时上升或下降并且随着开关频率的增大，产生很大的 开关损耗；电磁干扰严重，随着频率的提高，电路中的di/dt和dv/dt增大， 从而产生电磁干扰(EMI)，影响周围的设备工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于双向DC/DC变换器的软开关电路，解决 了现有Buck-Boost电路中开关管的开关损耗大的问题。
本发明的另一目的是提供用于双向DC/DC变换器的软开关电路的控制 方法。
本发明所采用的第一种技术方案是，包括依次串联的输入电压源Vh、 第二主开关管S2、主电感Lm、输出电压源Vl，输入电压源Vh的负极与输出 电压源Vl的负极连接，主电感Lm、输出电压源Vl的两端并联有第一主开关 管S1，第二主开关管S2的集电极与第二辅助开关管Sa2的集电极连接，第二 主开关管S2的发射极与第二辅助开关管Sa2的发射极之间连接有谐振电容 Cr，第二辅助开关管Sa2的发射极还与第三辅助开关管Sa3的集电极连接，第 三辅助开关管Sa3的发射极连接有谐振电感Lr的一端和第一辅助开关管Sa1的集电极，谐振电感Lr的另一端与第一主开关管S1的集电极连接，第一辅 助开关管Sa1的发射极与第一主开关管S1的发射极连接。
本发明第一种技术方案的特点还在于，
第一主开关管S1、第二主开关管S2、第一辅助开关管Sa1、第二辅助开 关管Sa2、第三辅助开关管Sa3均为携带反并联二极管或具有反并联二极管特 性的可关断功率开关器件。
本发明所采用的第二种技术方案是，一种用于双向DC/DC变换器的软 开关电路的控制方法，
具体按照以下步骤实施：
步骤1、分别产生用于驱动第一主开关管S1、第二主开关管S2、第一辅 助开关管Sa1、第二辅助开关管Sa2、第三辅助开关管Sa3的第一脉冲序列 Vs_s1、第二脉冲序列Vs_s2、第三脉冲序列Vs_sa1、第四脉冲序列Vs_sa2、 第五脉冲序列Vs_sa3；
步骤2、步骤1中的产生的第一脉冲序列Vs_s1、第三脉冲序列Vs_sa1 通过驱动电路分别驱动第一主开关管S1、第一辅助开关管Sa1，即实现了Boost 模式下的软开关；
步骤1中的产生的第二脉冲序列Vs_s2、第四脉冲序列Vs_sa2、第五脉 冲序列Vs_sa3通过驱动电路分别驱动第二主开关管S2、第二辅助开关管Sa2、 第三辅助开关管Sa3，即实现了Buck模式下的软开关。
本发明第二种技术方案的特点还在于，
第二脉冲序列Vs_s2的产生方法为：通过DSP产生基础PWM波 Vs_Buck，将基础PWM波Vs_Buck延迟ΔT1后生成的信号与基础PWM波 Vs_Buck进行逻辑与，产生的脉冲序列为第二脉冲序列Vs_s2；
第四脉冲序列Vs_sa2的产生方法为：将第二脉冲序列Vs_s2取反得到 信号s1，将第二脉冲序列Vs_s2延迟ΔT4生成的信号与第二脉冲序列Vs_s2 进行逻辑与得到信号s2，信号s1与信号s2逻辑或得到生成信号s3，第二脉 冲序列Vs_s2延迟ΔT3生成的信号与第二脉冲序列Vs_s2进行逻辑与再取反 后得到信号s4，信号s3与信号s4进行逻辑或，产生的脉冲序列为第四脉冲 序列Vs_sa2；
第五脉冲序列Vs_sa3的产生方法为：通过DSP产生基础PWM波 Vs_Buck，第二脉冲序列Vs_s2延迟ΔT2后取反所产生的信号与基础PWM 波Vs_Buck进行逻辑与，产生的脉冲序列为第五脉冲序列Vs_sa3。
ΔT1＝3μs，ΔT2＝2μs，ΔT3＝1μs，ΔT4＝5μs。
第二脉冲序列Vs_s2的产生方法为：通过DSP产生基础PWM波 Vs_Buck，将基础PWM波Vs_Buck延迟ΔT1后生成的信号与基础PWM波 Vs_Buck进行逻辑与，产生的脉冲序列为第二脉冲序列Vs_s2；
第四脉冲序列Vs_sa2的产生方法为：将第二脉冲序列Vs_s2延迟ΔT3 生成的信号与第二脉冲序列Vs_s2进行逻辑与得到信号s1，将信号s1延迟 ΔT4生成信号s2，将信号s2、信号s1进行逻辑与得到信号s3，将信号s3 与信号s1进行逻辑异或所生成的信号取反得到信号s4，将第二脉冲序列 Vs_s2取反的信号与信号s4进行逻辑或，产生的脉冲序列为第四脉冲序列 Vs_sa2；
第五脉冲序列Vs_sa3的产生方法为：通过DSP产生基础PWM波 Vs_Buck，第二脉冲序列Vs_s2延迟ΔT2后取反所产生的信号与基础PWM 波Vs_Buck进行逻辑与，产生的脉冲序列为第五脉冲序列Vs_sa3。
ΔT1＝3μs，ΔT2＝2μs，ΔT3＝2μs，ΔT4＝4μs。
本发明的有益效果是：
本发明中采用谐振电感Lr、谐振电容Cr并联谐振，使得Boost模式或 Buck模式下第一主开关管S1或第二主开关管S2零电压开通，降低了开关损 耗；同时本发明中Buck模式中为蓄电池充电中第二辅助开关管Sa2、第三辅 助开关管Sa3同时关断，通态电流较小，能够为蓄电池充电；本发明中Buck 模式中为超级电容充电中使得所有开关管均能实现软开通和软关断，极大的 降低了开关损耗，能够快速稳定的为超级电容充电。
附图说明
图1是本发明中用于双向DC/DC变化器的软开关电路的拓扑图；
图2是本发明中Boost模式下各时刻波形图；
图3是本发明中Boost模式下各时刻工作模式图；
图4是本发明中Buck模式下给蓄电池充电中的三个脉冲序列的产生原 理图；
图5是本发明中Buck模式下给蓄电池充电的各时刻波形图；
图6是本发明中Buck模式下给蓄电池充电的各时刻工作模式图；
图7是本发明中Buck模式下给超级电容充电中的第四脉冲序列Vs_sa2 的产生原理图；
图8是本发明中Buck模式下给超级电容充电的各时刻波形图；
图9是本发明中Buck模式下给超级电容充电的各时刻工作模式图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种用于双向DC/DC变换器的软开关电路，拓扑结构如图1所示，包 括依次串联的输入电压源Vh、第二主开关管S2(第二主开关管S2采用绝缘 栅极双极晶体管IGBT，第二主开关管S2的集电极和发射极之间反并联第二 体二极管D2)、主电感Lm、输出电压源Vl(也就是带充放电的对象，即蓄 电池或者超级电容，即本发明中给蓄电池或者超级电容充放电也就是给输出 电压源Vl进行充放电)，输入电压源Vh的负极与输出电压源Vl的负极连接， 主电感Lm、输出电压源Vl的两端并联有第一主开关管S1(第一主开关管S1采用绝缘栅极双极晶体管IGBT，第一主开关管S1的集电极和发射极之间反 并联第一体二极管D1)，第二主开关管S2的集电极与第二辅助开关管Sa2(第 二辅助开关管Sa2采用绝缘栅极双极晶体管IGBT，第二辅助开关管Sa2的集 电极和发射极之间反并联第二辅助体二极管Da2)的集电极连接，第二主开 关管S2的发射极与第二辅助开关管Sa2的发射极之间连接有谐振电容Cr，第 二辅助开关管Sa2的发射极还与第三辅助开关管Sa3(第三辅助开关管Sa3采 用绝缘栅极双极晶体管IGBT，第三辅助开关管Sa3的集电极和发射极之间反 并联第三辅助体二极管Da3)的集电极连接，第三辅助开关管Sa3的发射极连 接有谐振电感Lr的一端和第一辅助开关管Sa1(第一辅助开关管Sa1采用绝缘 栅极双极晶体管IGBT，第一辅助开关管Sa1的集电极和发射极之间反并联第 一辅助体二极管Da1)的集电极，谐振电感Lr的另一端与第一主开关管S1的集电极连接，第一辅助开关管Sa1的发射极与第一主开关管S1的发射极连 接。
一种用于双向DC/DC变换器的软开关电路的控制方法，具体按照以下 步骤实施：
①实现Boost模式下的软开关
步骤1、分别产生用于驱动第一主开关管S1、第一辅助开关管Sa1的第 一脉冲序列Vs_s1(第一脉冲序列Vs_s1为PWM波)、第三脉冲序列Vs_sa1 (第三脉冲序列Vs_sa1为PWM波)，(即关断第二主开关管S2、第二辅助 开关管Sa2、第三辅助开关管Sa3)，
步骤2、步骤1中的产生的第三脉冲序列Vs_sa1通过驱动电路驱动第一 辅助开关管Sa1，然后第一脉冲序列Vs_s1通过驱动电路驱动第一主开关管 S1，第一主开关管S1开通后关断第一辅助开关管Sa1，即实现了Boost模式 下的软开关。
如图2所示为本发明中Boost模式下各时刻波形图，包括第一主开关管 S1两端的电压与电流波形，第一辅助开关管Sa1两端的电压与电流波形，谐 振电感Lr两端的电压电流波形，谐振电容Cr两端的电流电压波形，第二体 二极管D2、第二辅助体二极管Da2、第三辅助体二极管Da3的电流波形。从 图中可以看到第一主开关管S1能够实现零电压开通，第一辅助开关管Sa1零电流开通。
如图3所示为本发明中Boost模式下各时刻工作模式图，分析图中开关 模态如下：
开关模态1([t1,t2])：
如图3(a)所示，t1时刻第一辅助开关管Sa1受控开通，第二体二极管 D2上的电流iD2开始向谐振电感Lr换流，谐振电感Lr上的电流线性上升，并 且此时输出电压源Vl向谐振电容Cr充电。当谐振电感Lr上的电流iLr＝iLm时，模态1结束。
开关模态2([t2,t3)～开关模态3([t3,t4])：
如图3(b)所示，当第二体二极管D2过零关断后，谐振电容Cr与谐振 电感Lr开始谐振，谐振电容Cr上的电压VCr逐渐下降，iLr持续增大，当VCr下降至零时，模态2结束，此时第一体二极管D1还未导通，当VCr<0V时， 模态3开始，如图3(c)所示，第一体二极管D1导通，第一主开关管S1两 端的电压钳位在-0.7V，即VS1＝0V。
开关模态4([t4,t5])：
如图3(d)所示，t4时刻第一主开关管S1零电压开通，iLm流入第一主 开关管S1，VCr持续下降。
开关模态5([t5,t6])：
如图3(e)所示，t5时刻，第一辅助开关管Sa1受控关断，谐振电感Lr向输入电压源Vh供电消耗能量,iLr逐渐减小，VCr反向增大,当VCr＝Vh时， 第二辅助体二极管Da2导通，直到iLr＝0A，此模态结束。
开关模态6([t6,t7])：
如图3(f)所示，t6时刻，第三辅助体二极管Da3过零关断，电路进入 Boost传统模式的导通状态，并且此时谐振电容Cr仍向输入电压源Vh提供 能量。
开关模态7([t7,t8])～开关模态0([t8,t0])：
如图3(g)所示，t7时刻，第一主开关管S1受控关断，谐振电容Cr快 速向输入电压源Vh端放电，当谐振电容Cr放电完毕，t8时刻第二体二极管 D2导通，电路进入模态0阶段，如图3(h)所示，直到第一辅助开关管Sa1导通电路进入下一个工作周期。
②实现Buck模式下给蓄电池充电的软开关
步骤1、分别产生用于驱动第二主开关管S2、第二辅助开关管Sa2、第三 辅助开关管Sa3的第二脉冲序列Vs_s2、第四脉冲序列Vs_sa2、第五脉冲序 列Vs_sa3：
第二脉冲序列Vs_s2的产生方法为：通过DSP产生基础PWM波 Vs_Buck，将基础PWM波Vs_Buck延迟ΔT1(ΔT1＝3μs)后生成的信号与 基础PWM波Vs_Buck进行逻辑与，产生的脉冲序列为第二脉冲序列Vs_s2， 如图4(a)所示；
第四脉冲序列Vs_sa2的产生方法为：将第二脉冲序列Vs_s2延迟ΔT3 (ΔT3＝2μs)生成的信号与第二脉冲序列Vs_s2进行逻辑与得到信号s1，将 信号s1延迟ΔT4(ΔT4＝4μs)生成信号s2，将信号s2、信号s1进行逻辑与 得到信号s3，将信号s3与信号s1进行逻辑异或所生成的信号取反得到信号 s4，将第二脉冲序列Vs_s2取反的信号与信号s4进行逻辑或，产生的脉冲序 列为第四脉冲序列Vs_sa2，如图4(b)所示；
第五脉冲序列Vs_sa3的产生方法为：通过DSP产生基础PWM波 Vs_Buck，第二脉冲序列Vs_s2延迟ΔT2(ΔT2＝2μs)后取反所产生的信号 与基础PWM波Vs_Buck进行逻辑与，产生的脉冲序列为第五脉冲序列 Vs_sa3，如图4(c)所示。
步骤2、步骤1中的产生的第二脉冲序列Vs_s2、第四脉冲序列Vs_sa2、 第五脉冲序列Vs_sa3通过驱动电路分别驱动第二主开关管S2、第二辅助开 关管Sa2、第三辅助开关管Sa3，即关断第一主开关管S1、第一辅助开关管Sa1， 即实现了Buck模式下为蓄电池充电的软开关。
如图5所示为本发明中Buck模式下给蓄电池充电的各时刻波形图，包 括第二主开关管S2两端的电压与电流波形，谐振电感Lr两端的电压电流波 形，谐振电容Cr两端的电流电压波形，第二辅助开关管Sa2、第三辅助开关 管Sa3的电流波形。从图中可以看到第三辅助开关管Sa3零电流开通，第二辅 助开关管Sa2零电压开通。
如图6所示为本发明中Buck模式下给蓄电池充电的各时刻工作模式图， 分析图中开关模态如下：
开关模态1([t1,t2])：
在模态1开始之前，如图6(a)所示，第二主开关管S2、第三辅助开 关管Sa3是关断的，第二辅助开关管Sa2是导通的。谐振电容Cr被反向充电， VCr＝-Vh。当开通第三辅助开关管Sa3模态1开始，如图6(b)所示，第二 辅助开关管Sa2、第三辅助开关管Sa3零电流开通，第二辅助开关管Sa2、第 三辅助开关管Sa3上的电流线性上升，公式(1)描述了电流上升时间t1，当 iSa2＝iSa3＝iLm，模态1结束。
△t1＝t2-t1＝Lr·iL/vh (1)
开关模态2([t2,t3])：
t2时刻谐振电感Lr与谐振电容Cr开始谐振，模态2开始，如图6(c) 所示。此时谐振电容Cr开始放电，谐振电容Cr电流iCr流过谐振电感Lr，iLr可用公式(2)表示。公式(3)描述了iLr持续增加直到iCr达到最大值iCrmax。 随着谐振电容Cr的放电，第二主开关管S2两端的电压降为0V，模式2结束。
iLr＝iL+iCr (2)
i Lr = i L + c du dt - - - ( 3 ) ]]>
开关模态3([t3,t4])～开关模态4([t4,t5])：
在t3时刻，谐振电容Cr完全放电并且第二主开关管S2上并联的第二体 二极管D2导通，模态3开始，如图6(d)所示。流过第二体二极管D2、第 二辅助开关管Sa2、第三辅助开关管Sa3、谐振电感Lr的谐振电流iLr保持最 大值iLrmax。由于第二体二极管D2的非线性导通，iLr并不向谐振电容Cr充电， 第二主开关管S2两端电压为零，满足零电压导通的条件。Δt3＝(t4-t3)是在t4时刻零电压条件下导通第二主开关管S2所用的时间裕量。在t4时刻模态4 开始，它与模态3的状态相同。在这两种模式中，iLr不但流经第二辅助开关 管Sa2、第三辅助开关管Sa3、谐振电感Lr而且还为负载提供能量。此阶段谐 振电感Lr存在高饱和风险和更多的软开关导通损耗。因此能量传递路径在下 个模式改变。
开关模态5([t5,t6)]～开关模态6([t6,t7)]：
为了使软开关中无电流通过，在t5时刻同时关断第二辅助开关管Sa2、 第三辅助开关管Sa3，如图6(e)所示。iLr通过第一辅助体二极管Da1续流， 谐振电感Lr向电源和负载释放能量并且逐渐衰减。在模态5中，谐振电感 Lr能量释放到电源或负载，由于电感电流的惯性电流方向开始改变，进入到 模态6，如图6(f)。模态6中，谐振电感Lr向负载释放能量。
开关模态7([t7,t8])～开关模态8([t8,t9])：
t7时刻谐振电感Lr将能量完全释放，模态7开始，如图6(g)所示。 电路进入传统的Buck模式导通状态。t8时刻开通第二辅助开关管Sa2，模态 8开始。电源并没有向谐振电容Cr充电，因为此时第二主开关管S2是导通 的。模态8与模态7的状态相同。
开关模态9([t9,t10])～开关模态0([t10,t1])：
t9时刻关断第二主开关管S2，模态9开始，如图6(h)所示。电源开始 向谐振电容Cr充电，谐振电容Cr很快被充满，谐振电容Cr的充电时间可由 公式(4)描述，模态9结束。t10时刻，电路进入模态0阶段，如图6(a) 所示，第一体二极管D1续流，直到第三辅助开关管Sa3开通电路进入下一个 工作周期。
t = RC ln v h v t - - - ( 4 ) ]]>
③实现Buck模式下给超级电容充电的软开关
步骤1、分别产生用于驱动第二主开关管S2、第二辅助开关管Sa2、第 三辅助开关管Sa3的第二脉冲序列Vs_s2、第四脉冲序列Vs_sa2、第五脉冲 序列Vs_sa3：
其中第二脉冲序列Vs_s2、第五脉冲序列Vs_sa3的产生方法与给蓄电池 充电时的软开关中的产生方法一样；
第四脉冲序列Vs_sa2的产生方法为：将第二脉冲序列Vs_s2取反得到 信号s1，将第二脉冲序列Vs_s2延迟ΔT4(ΔT4＝5μs)生成的信号与第二脉 冲序列Vs_s2进行逻辑与得到信号s2，信号s1与信号s2逻辑或得到生成信 号s3，第二脉冲序列Vs_s2延迟ΔT3(ΔT3＝1μs)生成的信号与第二脉冲序 列Vs_s2进行逻辑与再取反后得到信号s4，信号s3与信号s4进行逻辑或， 产生的脉冲序列为第四脉冲序列Vs_sa2，如图7所示。
步骤2、步骤1中的产生的第二脉冲序列Vs_s2、第四脉冲序列Vs_sa2、 第五脉冲序列Vs_sa3通过驱动电路分别驱动第二主开关管S2、第二辅助开 关管Sa2、第三辅助开关管Sa3，即关断第一主开关管S1、第一辅助开关管Sa1， 即实现了Buck模式下为超级电容充电的软开关。
如图8所示为本发明中Buck模式下给超级电容充电的各时刻波形图， 包括主开关管S2两端的电压与电流波形，谐振电感Lr两端的电压电流波形， 谐振电容Cr两端的电流电压波形，第一辅助开关管Sa2、第二辅助开关管Sa3的电流波形。从图中可以看出主开关管S2、第一辅助开关管Sa2、第二辅助 开关管Sa3均能够实现软开通与软关断。
如图9所示为本发明中Buck模式下给超级电容充电的各时刻工作模式 图，分析图中开关模态如下：
开关模态0～开关模态4与Buck模式下给蓄电池充电的模态相同，这 里不再叙述。
开关模态5([t5,t6])：
在t5时刻关断第二辅助开关管Sa2，模态5开始，如图9(a)所示。由 于谐振电容Cr两端电压为零，输入电压源Vh开始向谐振电容Cr充电，谐振 电容Cr很快被充满电。同时iLr仍为负载提供能量，谐振电感Lr存在着高饱 和风险，因此能量传递路径将在下一个模式改变。
开关模态6([t6,t7])～开关模态7([t7,t8])：
t6时刻谐振电容Cr充满电，模态6开始，如图9(b)所示。iLr通过第 一辅助体二极管Da1续流，谐振电感Lr向电源和负载释放能量并且逐渐衰减。 在模态6中，谐振电感Lr能量释放到电源或负载，由于电感电流的惯性电流 方向开始改变，进入到模态7，如图9(c)所示。模态7中，谐振电感Lr向负载释放能量。
开关模态8([t8,t9])：
t8时刻关断第三辅助开关管Sa3，模态8开始，如图9(d)所示。谐振 电容Cr与谐振电感Lr开始谐振并且第二辅助开关管Sa2、第三辅助体二极管 Da3导通。谐振电容Cr的电流iCr流过谐振电感Lr，谐振电感Lr电流将反向 增大。随着谐振电容Cr的放电，谐振电容Cr与谐振电感Lr两端的电压逐渐 降为0V。
开关模态9([t9,t10])～开关模态10([t10,t11])：
当谐振电容Cr放完电，模态9开始，如图9(e)所示。由于电感电流 不能突变，谐振电感Lr上的电流将流过第二主开关管S2、第二辅助体二极 管Da2、第三辅助体二极管Da3。开通第二辅助开关管Sa2，模态10开始，电 路进入传统的Buck模式导通状态。这两个模式中iLr不但流经第二主开关管 S2、第二辅助体二极管Da2、第三辅助体二极管Da3，而且还为负载提供能量。 开关模态11([t11,t12])：
t11时刻断开第二主开关管S2，模态11开始，如图9(f)所示。电源开 始为谐振电容Cr反向充电，谐振电容Cr很快将被充满电。在为谐振电容Cr充电的期间，由于电感电流的惯性，谐振电感Lr也为谐振电容Cr充电。
开关模态12([t12,t13])～开关模态0([t13,t1])：
当谐振电容Cr被充满电，模态12开始，如图9(g)所示。由于此时谐 振电感Lr上仍有电能，电感电流不能突变的原因，谐振电感Lr不但向输入 电压源Vh放电，而且还为负载提供能量。与此同时第一体二极管D1开始续 流。当谐振电感Lr的电能释放完毕，电路进入模态0阶段，如图6(a)所 示，第一体二极管D1续流，直到第三辅助开关管Sa3开通电路进入下一个工 作周期。
本发明的用于双向DC/DC变换器的软开关电路，既可以实现Boost模 式下的软开关，还可以实现Buck模式下的软开关；在Buck模式下既可为蓄 电池充电，又可为超级电容充电。
本发明中采用谐振电感Lr、谐振电容Cr并联谐振，使得Boost模式或 Buck模式下第一主开关管S1或第二主开关管S2零电压开通，降低了开关损 耗。