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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410842663.8(22)申请日 2014.12.30H02J 7/00(2006.01)H02M 1/44(2007.01)(71)申请人西安理工大学地址 710048 陕西省西安市金花南路5号(72)发明人张琦 何园 张鹏 刘昭 孙向东杨惠 安少亮(74)专利代理机构西安弘理专利事务所 61214代理人李娜(54) 发明名称一种针对蓄电池充电的Buck软开关电路及其控制方法(57) 摘要本发明公开了针对蓄电池充电的Buck软开关电路，包括由输入电压源Vh、输出电压源Vl、主电感Lm、主开关管S2、主二极管D1构成的Buck电。
2、路，主开关管S2的集电极与第一辅助开关管Sa2连接，主开关管S2的发射极与第一辅助开关管Sa2的发射极之间连接有谐振电容Cr，第一辅助开关管Sa2的发射极还与第二辅助开关管Sa3的集电极连接，第二辅助开关管Sa3的发射极连接有谐振电感Lr和第一辅助二极管Da1，谐振电感Lr和第一辅助二极管Da1串联后与主二极管D1并联。本发明还公开了针对蓄电池充电的Buck软开关电路的控制方法，三个脉冲序列分别驱动三个开关管，实现主开关管S2的零电压开通。本发明软开关电路减小开关损耗，电路可以在很宽的输入电压源和输出负载变化范围内实现软开关操作。(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12。
3、)发明专利申请权利要求书2页 说明书5页 附图5页(10)申请公布号 CN 104485718 A(43)申请公布日 2015.04.01CN 104485718 A1/2 页21.一种针对蓄电池充电的 Buck 软开关电路，其特征在于，包括依次串联的输入电压源Vh、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的两端并联有主二极管D1，主开关管S2的集电极与第一辅助开关管 Sa2的集电极连接，主开关管 S2的发射极与第一辅助开关管 Sa2的发射极之间连接有谐振电容Cr，第一辅助开关管Sa2的发射极还与第二辅助开关。
4、管Sa3的集电极连接，第二辅助开关管 Sa3的发射极连接有谐振电感 Lr和第一辅助二极管 Da1，谐振电感 Lr和第一辅助二极管Da1串联后与主二极管 D1并联。2.根据权利要求 1 所述的一种针对蓄电池充电的 Buck 软开关电路，其特征在于，所述主开关管S2、第一辅助开关管Sa2、第二辅助开关管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。3.一种针对蓄电池充电的 Buck 软开关电路的控制方法，其特征在于，采用针对蓄电池充电的 Buck 软开关电路，其结构为 ：包括依次串联的输入电压源 Vh、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。
5、输出电压源Vl的负极连接，主电感Lm、输出电压源Vl的两端并联有主二极管D1，主开关管 S2的集电极与第一辅助开关管 Sa2的集电极连接，主开关管 S2的发射极与第一辅助开关管 Sa2的发射极之间连接有谐振电容 Cr，第一辅助开关管 Sa2的发射极还与第二辅助开关管 Sa3的集电极连接，第二辅助开关管 Sa3的发射极连接有谐振电感 Lr和第一辅助二极管Da1，谐振电感 Lr和第一辅助二极管 Da1串联后与主二极管 D1并联 ；所述主开关管S2、第一辅助开关管Sa2、第二辅助开关管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。；具体按照以下步骤实施 ：步骤1、分别产生用于。
6、驱动主开关管S2、第一辅助开关管Sa2、第二辅助开关管Sa3的第一脉冲序列 Vs_s2、第二脉冲序列 Vs_sa2、第三脉冲序列 Vs_sa3 ；步骤 2、步骤 1 中产生的第一脉冲序列 Vs_s2、第二脉冲序列 Vs_sa2、第三脉冲序列 Vs_sa3通过驱动电路分别驱动主开关管S2、第一辅助开关管Sa2、第二辅助开关管Sa3，即实现了软开关。4.根据权利要求3所述的一种针对蓄电池充电的Buck软开关电路的控制方法，其特征在于，所述步骤1中第一脉冲序列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 T1 后生成的信号与基础 PWM。
7、 波 Vs_buck 进行逻辑与，产生的脉冲序列为第一脉冲序列 Vs_s2。5.根据权利要求4所述的一种针对蓄电池充电的Buck软开关电路的控制方法，其特征在于，所述 T1 3s。6.根据权利要求4所述的一种针对蓄电池充电的Buck软开关电路的控制方法，其特征在于，所述步骤 1 中第二脉冲序列 Vs_sa2 的产生方法为 ：将第一脉冲序列 Vs_s2 延迟 T3生成的信号与第一脉冲序列 Vs_s2 进行逻辑与得到信号 s1，将信号 s1 延迟 T4 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，将第一脉。
8、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二脉冲序列 Vs_sa2。7.根据权利要求6所述的一种针对蓄电池充电的Buck软开关电路的控制方法，其特征权 利 要 求 书CN 104485718 A2/2 页3在于，所述 T3 2s。8.根据权利要求6所述的一种针对蓄电池充电的Buck软开关电路的控制方法，其特征在于，所述 T4 4s。9.根据权利要求 4 所述的一种针对蓄电池充电的 Buck 软开关电路的控制方法，其特征在于，所述步骤 1 中第三脉冲序列 Vs_sa3 的产生方法为 ：通过 DSP 产生基础 PWM 波 Vs_buck，第一脉冲序列 Vs_s2 延。
9、迟 T2 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三脉冲序列 Vs_sa3。10.根据权利要求 9 所述的一种针对蓄电池充电的 Buck 软开关电路的控制方法，其特征在于，所述 T2 2s。权 利 要 求 书CN 104485718 A1/5 页4一种针对蓄电池充电的 Buck 软开关电路及其控制方法技术领域0001 本发明属于电动汽车系统、不间断电源系统技术领域，具体涉及一种针对蓄电池充电的 Buck 软开关电路，本发明还涉及针对蓄电池充电的 Buck 软开关电路的控制方法。背景技术0002 近年来，随着电力电子技术的发展，人们从电动车和微电网等能。
10、量转换设备中得到了环境和经济收益。在电动车和微电网中，蓄电池等储能设备的重要性越来越突出，因此针对蓄电池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。0003 目前，为了提高电动车的效率，汽车行业在电池、逆变器以及非隔离 DC/DC 变换器等设备上加强了研究。传统针对蓄电池充电的 Buck 电路有如下缺点 ：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。
11、(EMI)，影响周围的设备工作。发明内容0004 本发明的目的是提供一种针对蓄电池充电的 Buck 软开关电路，解决了现有车辆在减速、制动将能量存储到蓄电池时，功率受到限制、开关损耗大、电磁干扰严重的问题。0005 本发明的另一目的是提供针对蓄电池充电的 Buck 软开关电路的控制方法。0006 本发明所采用的第一种技术方案是，一种针对蓄电池充电的 Buck 软开关电路，包括依次串联的输入电压源 Vh、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的两端并联有主二极管 D1，主开关管S2的集电极与第一辅助开关管。
12、 Sa2的集电极连接，主开关管 S2的发射极与第一辅助开关管Sa2的发射极之间连接有谐振电容 Cr，第一辅助开关管 Sa2的发射极还与第二辅助开关管Sa3的集电极连接，第二辅助开关管 Sa3的发射极连接有谐振电感 Lr和第一辅助二极管 Da1，谐振电感 Lr和第一辅助二极管 Da1串联后与主二极管 D1并联。0007 本发明第一种技术方案的特点还在于，0008 主开关管S2、第一辅助开关管Sa2、第二辅助开关管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。0009 本发明所采用的第二种技术方案是，一种针对蓄电池充电的 Buck 软开关电路的控制方法，具体按照以下步骤实施。
13、 ：0010 步骤1、分别产生用于驱动主开关管S2、第一辅助开关管Sa2、第二辅助开关管Sa3的第一脉冲序列 Vs_s2、第二脉冲序列 Vs_sa2、第三脉冲序列 Vs_sa3 ；0011 步骤 2、步骤 1 中产生的第一脉冲序列 Vs_s2、第二脉冲序列 Vs_sa2、第三脉冲序列 Vs_sa3 通过驱动电路分别驱动主开关管 S2、第一辅助开关管 Sa2、第二辅助开关管 Sa3，即实现了软开关。说 明 书CN 104485718 A2/5 页50012 本发明第二种技术方案的特点还在于，0013 步骤 1 中第一脉冲序列 Vs_s2 的产生方法为 ：通过 DSP 产生基础 PWM 波 Vs_。
14、buck，将基础 PWM 波 Vs_buck 延迟 T1 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一脉冲序列 Vs_s2。0014 T1 3s。0015 步骤 1 中第二脉冲序列 Vs_sa2 的产生方法为 ：将第一脉冲序列 Vs_s2 延迟 T3生成的信号与第一脉冲序列 Vs_s2 进行逻辑与得到信号 s1，将信号 s1 延迟 T4 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，将第一脉冲序列 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二脉。
15、冲序列 Vs_sa2。0016 T3 2s。0017 T4 4s。0018 步骤1中第三脉冲序列Vs_sa3的产生方法为 ：通过DSP产生基础PWM波Vs_buck，第一脉冲序列 Vs_s2 延迟 T2 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三脉冲序列 Vs_sa3。0019 T2 2s。0020 本发明的有益效果是 ：0021 本发明中第一辅助开关管 Sa2和第二辅助开关管 Sa3均实现了软开关，既适合电路断续模式又适合电流连续模式 ；0022 本发明中谐振电感 Lr、谐振电容 Cr并联谐振从而使主开关管 S2零电压开通，降低了开关损耗和噪声，减。
16、小了 EMI，提高了工作频率 ；0023 本发明中第一辅助开关管 Sa2、第二辅助开关管 Sa3同时关断，减小导通损耗 ；0024 本发明中第一辅助开关管 Sa2、第二辅助开关管 Sa3零电流开通。附图说明0025 图 1 是本发明一种针对蓄电池充电的 Buck 软开关电路的拓扑图 ；0026 图 2 是本发明中三个脉冲序列的产生原理图 ；0027 图 3 是本发明中各时刻的波形图 ；0028 图 4 是本发明中各时刻工作模式图。具体实施方式0029 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。0030 一种针对蓄电池充电的 Buck 软开关电路，拓扑结构如图 1 所示，包括依次串联的输入。
17、电压源 Vh、主开关管 S2( 主开关管 S2采用绝缘栅极双极晶体管 IGBT，主开关管 S2的集电极和发射极之间反并联第二辅助体二极管 D2)、主电感 Lm、输出电压源 Vl( 也就是蓄电池，即本发明中给蓄电池充电也就是给输出电压源 Vl进行充电 )，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的两端并联有主二极管 D1，主开关管 S2的集电极与第一辅助开关管 Sa2( 第一辅助开关管 Sa2采用绝缘栅极双极晶体管 IGBT，第一辅助开关管 Sa2的集电极和发射极之间反并联第三辅助体二极管 Da2) 连接，主开关管 S2的发说 明 书CN 1044857。
18、18 A3/5 页6射极与第一辅助开关管 Sa2的发射极之间连接有谐振电容 Cr，第一辅助开关管 Sa2的发射极还与第二辅助开关管 Sa3( 第二辅助开关管 Sa3采用绝缘栅极双极晶体管 IGBT，第二辅助开关管Sa3的集电极和发射极之间反并联第四辅助体二极管Da3)的集电极连接，第二辅助开关管Sa3的发射极连接有谐振电感Lr和第一辅助二极管Da1，谐振电感Lr和第一辅助二极管Da1串联后与主二极管 D1并联。0031 其中输入电压源 Vh、输出电压源 Vl、主电感 Lm、主开关管 S2、主二极管 D1构成一个传统的 Buck 电路，谐振电感 Lr、谐振电容 Cr、第一辅助开关管 Sa2、第二。
19、辅助开关管 Sa3构成一个 ZVT 谐振网络。0032 一种针对蓄电池充电的 Buck 软开关电路的控制方法，具体按照以下步骤实施 ：0033 步骤1、分别产生用于驱动主开关管S2、第一辅助开关管Sa2、第二辅助开关管Sa3的第一脉冲序列 Vs_s2、第二脉冲序列 Vs_sa2、第三脉冲序列 Vs_sa3 ：0034 第一脉冲序列 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 T1(T1 3s) 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一脉冲序列 Vs_s2，如图 2(a) 所示 ；。
20、0035 第二脉冲序列 Vs_sa2 的产生方法为 ：将第一脉冲序列 Vs_s2 延迟 T3(T32s)生成的信号与第一脉冲序列Vs_s2进行逻辑与得到信号s1，将信号s1延迟T4(T4 4s) 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，将第一脉冲序列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二脉冲序列 Vs_sa2，如图 2(b) 所示 ；0036 第三脉冲序列 Vs_sa3 的产生方法为 ：通过 DSP 产生基础 PWM 波 Vs_buck，第一脉冲序列 Vs_s2 延迟 T2。
21、(T2 2s) 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三脉冲序列 Vs_sa3，如图 2(c) 所示。0037 步骤 2、步骤 1 中产生的第一脉冲序列 Vs_s2、第二脉冲序列 Vs_sa2、第三脉冲序列 Vs_sa3 通过驱动电路分别驱动主开关管 S2、第一辅助开关管 Sa2、第二辅助开关管 Sa3，即实现了软开关，从而能够可靠稳定高效率的完成对蓄电池的充电。0038 图 3 是本发明中各时刻波形图，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 。
22、Sa3的电流波形。从图中可以看出主开关管 S2零电压开通、第一辅助开关管 Sa2、第二辅助开关管 Sa3 零电流开通。0039 图 4 是各时刻工作模式图，分析图中开关模态如下 ：0040 开关模态 1(t1,t2) ：0041 在模态1开始之前，如图4(a)所示，主开关管S2、第二辅助开关管Sa3是关断的，第一辅助开关管 Sa2是导通的。谐振电容 Cr被反向充电，VCr -Vh。当开通第二辅助开关管Sa3模态 1 开始，如图 4(b) 所示，第一辅助开关管 Sa2、第二辅助开关管 Sa3零电流开通，第一辅助开关管 Sa2、第二辅助开关管 Sa3上的电流线性上升，公式 (1) 描述了电流上升时。
23、间 t1，当iSa2iSa3iLm，模态 1 结束。0042 t1 t2-t1 LriL/vh(1) 开关模态 2(t2,t3) ：0043 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 4(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。公式说 明 书CN 104485718 A4/5 页7(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，主开关管 S2两端的电压降为 0V，模式 2 结束。0044 iLriL+iCr(2)0045 0046 开关模态 3。
24、(t3,t4) 开关模态 4(t4,t5) ：0047 在 t3 时刻，谐振电容 Cr完全放电并且主开关管 S2上并联的第二辅助体二极管 D2导通，模态 3 开始，如图 4(d) 所示。流过第二辅助体二极管 D2、第一辅助开关管 Sa2、第二辅助开关管 Sa3、谐振电感 Lr的谐振电流 iLr保持最大值 iLrmax。由于第二辅助体二极管 D2 的非线性导通，iLr并不向谐振电容 Cr充电，主开关管 S2两端电压为零，满足零电压导通的条件。t3 (t4-t3) 是在 t4 时刻零电压条件下导通主开关管 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，i。
25、Lr不但流经第一辅助开关管Sa2、第二辅助开关管 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。0048 开关模态 5(t5,t6) 开关模态 6(t6,t7) ：0049 为了使软开关中无电流通过，在 t5 时刻同时关断第一辅助开关管 Sa2、第二辅助开关管 Sa3，如图 4(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 4(f)。模态 6。
26、 中，谐振电感 Lr 向负载释放能量。0050 开关模态 7(t7,t8) 开关模态 8(t8,t9) ：0051 t7 时刻谐振电感 Lr 将能量完全释放，模态 7 开始，如图 4(g) 所示。电路进入传统的 Buck 模式导通状态。t8 时刻开通第一辅助开关管 Sa2，模态 8 开始。电源并没有向谐振电容 Cr充电，因为此时主开关管 S2是导通的。模态 8 与模态 7 的状态相同。0052 开关模态 9(t9,t10) 开关模态 0(t10,t1) ：0053 t9 时刻关断主开关管 S2，模态 9 开始，如图 4(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。
27、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 4(a) 所示，主二极管 D1续流，直到第二辅助开关管 Sa3开通电路进入下一个工作周期。0054 0055 本发明一种针对蓄电池充电的 Buck 软开关电路，能够实现主开关管 S2的零电压开通 ；加入 Buck-ZVT 技术，能够减小开关损耗，提高工作频率 ；电路可以在很宽的输入电压和输出负载变化范围内实现软开关操作。0056 本发明中第一辅助开关管 Sa2和第二辅助开关管 Sa3均实现了软开关，既适合电路断续模式又适合电流连续模式 ；本发明中谐振电感 Lr、谐振电容 Cr并联谐振从而使主开关管S2零电压开通，降低了开关损耗和噪声，减小了 EMI，提高了工作频率 ；本发明中第一辅助开关管 Sa2、第二辅助开关管 Sa3同时关断，减小导通损耗 ；本发明中第一辅助开关管 Sa2、第二辅助开关管 Sa3零电流开通。说 明 书CN 104485718 A5/5 页80057 通过本发明的 Buck 软开关电路及结合其控制方法能够可靠稳定高效率的完成对蓄电池的充电。说 明 书CN 104485718 A1/5 页9图1图2说 明 书 附 图CN 104485718 A2/5 页10图3说 明 书 附 图CN 104485718 A。