一种DC-DC变换器及其控制方法

摘要

本发明涉及一种DC‑DC变换器及其控制方法，该DC‑DC变换器包括控制电路、BOOST升压主电路和软开关辅助电路，所述控制电路的输出端分别与所述BOOST升压主电路的输入端和所述软开关辅助电路的输入端电连接，所述BOOST升压主电路的输出端与所述软开关辅助电路的输入端和输出端电连接，所述控制电路用于控制所述BOOST升压主电路零电压开通和关断，并控制所述软开关辅助电路零电流开通和关断。本发明的技术方案降低了功率器件的开关损耗，并削弱了电压尖峰和电流尖峰，同时装置占用空间小。

权利要求

1.一种DC‑DC变换器，其特征在于，包括控制电路、BOOST升压主电路和软开关辅助电路，所述控制电路的输出端分别与所述BOOST升压主电路的输入端和所述软开关辅助电路的输入端电连接，所述BOOST升压主电路的输出端与所述软开关辅助电路的输入端和输出端电连接，所述控制电路用于控制所述BOOST升压主电路零电压开通和关断，并控制所述软开关辅助电路零电流开通和关断；

其中，所述BOOST升压主电路包括燃料电池、储能电感、主二极管、主MOSFET管、电容和负载，所述燃料电池的正极分别与所述控制电路的第一输入端和所述储能电感的一端电连接，所述储能电感的另一端分别与所述主MOSFET管的漏极和所述主二极管的正极电连接，所述主MOSFET管的漏极与所述软开关辅助电路的第一输入端电连接，所述主MOSFET管的栅极与所述控制电路的第一输出端电连接，所述主MOSFET管的源极与所述燃料电池的负极电连接，所述主二极管的负极分别与所述控制电路的第二输入端和所述负载的正极电连接，所述负载的正极与所述软开关辅助电路的输出端电连接，所述负载的负极与所述燃料电池的负极电连接，所述燃料电池的负极还与所述软开关辅助电路的第二输入端电连接，所述电容与所述负载并联；

所述软开关辅助电路包括辅助MOSFET管、变压器、励磁电感、漏感、第一辅助二极管和第二辅助二极管，所述辅助MOSFET管的栅极与所述控制电路的第二输出端电连接，所述辅助MOSFET管的源极与所述燃料电池的负极电连接，所述辅助MOSFET管的源极为所述软开关辅助电路的所述第二输入端，所述辅助MOSFET管的漏极分别与所述励磁电感的一端和所述第二辅助二极管的正极电连接，所述励磁电感的另一端通过所述漏感与所述主MOSFET管的漏极电连接，所述励磁电感的另一端为所述软开关辅助电路的所述第一输入端，所述励磁电感与所述变压器的初级线圈并联，所述变压器的次级线圈的一端与所述第一辅助二极管的正极电连接，所述变压器的次级线圈的另一端与所述第二辅助二极管的正极电连接，所述第二辅助二极管的负极与所述第一辅助二极管的负极电连接，所述第一辅助二极管的负极与所述负载的正极电连接，所述第一辅助二极管的负极为所述软开关辅助电路的所述输出端。

2.一种DC‑DC变换器控制方法，其特征在于，基于如权利要求1所述的DC‑DC变换器，包括：

获取燃料电池侧的第一电压和负载侧的第二电压；

根据所述第一电压和所述第二电压输出控制信号，根据所述控制信号控制主MOSFET管零电压开通或关断，并控制辅助MOSFET管零电流开通或关断。

3.根据权利要求2所述的DC‑DC变换器控制方法，其特征在于，所述控制信号包括控制所述主MOSFET管的第一驱动信号和控制所述辅助MOSFET管的第二驱动信号，所述第一驱动信号比所述第二驱动信号提前0.01‑1us开始输出，且所述第一驱动信号在所述第二驱动信号开始输出0.01‑5us后关断。

4.根据权利要求3所述的DC‑DC变换器控制方法，其特征在于，所述根据所述控制信号控制主MOSFET管零电压开通或关断，并控制辅助MOSFET管零电流开通或关断包括：当所述第一驱动信号和所述第二驱动信号均为低电平时，所述主MOSFET管和所述辅助MOSFET管关断，主二极管导通，储能电感中的电能通过所述主二极管为所述负载供电。

5.根据权利要求4所述的DC‑DC变换器控制方法，其特征在于，所述根据所述控制信号控制主MOSFET管零电压开通或关断，并控制辅助MOSFET管零电流开通或关断还包括：当所述第二驱动信号为高电平时，所述辅助MOSFET管和第一辅助二极管零电流开通，所述辅助MOSFET管和所述第一辅助二极管中的电流由零开始逐步增加，且所述主二极管中的电流将逐步减小至零，实现所述主二极管零电流关断；

当所述主二极管零电流关断后，漏感与所述主MOSFET管的结电容产生谐振，所述主MOSFET管的结电容电压逐步降低至零。

6.根据权利要求4所述的DC‑DC变换器控制方法，其特征在于，所述根据所述控制信号控制主MOSFET管零电压开通或关断，并控制辅助MOSFET管零电流开通或关断还包括：当所述第一驱动信号为高电平，且所述主MOSFET管的结电容电压降低为零时，所述主MOSFET管零电压开通，所述主MOSFET管中的电流逐步增大，为所述储能电感充能；

所述主MOSFET管开通后，流经所述漏感和励磁电感的电流逐步减小至零。

7.根据权利要求5所述的DC‑DC变换器控制方法，其特征在于，所述根据所述控制信号控制主MOSFET管零电压开通或关断，并控制辅助MOSFET管零电流开通或关断还包括：当所述第二驱动信号为低电平时，所述辅助MOSFET管和所述第一辅助二极管零电流关断。

8.根据权利要求4所述的DC‑DC变换器控制方法，其特征在于，所述根据所述控制信号控制主MOSFET管零电压开通或关断，并控制辅助MOSFET管零电流开通或关断还包括：当所述第一驱动信号为低电平时，所述主MOSFET管零电压关断，所述BOOST升压主电路中的电流为所述主MOSFET管的结电容充电，所述主MOSFET管的结电容电压由零逐步增大至所述第一电压，当所述主MOSFET管的结电容电压达到所述第一电压时，所述主二极管开通，通过所述储能电感中的电流为负载供电，所述储能电感中的电流通过所述主二极管为负载供电。

说明书

一种DC‑DC变换器及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种DC‑DC变换器及其控制方法。

背景技术

[0002] 随着全球性的能源紧缺和人们对生活环境的日益关注，燃料电池电动汽车因其具有高能量转换率、零污染和燃料经济性好等优点受到广泛关注，正在高速发展。

[0003] 由于燃料电池的输出电压变化范围较大，难以直接为电动汽车的电驱系统等供电，因此需要加入DC‑DC变换器，例如氢燃料电池输出的电能，通过DC‑DC变换器转换后输送
给动力电池和电驱系统等。目前，常用的DC‑DC变换器为BOOST升压变换器，现有的BOOST升
压变换器常采用硬开关技术，使得功率器件开关损耗大、整机效率低，并且功率器件开关过
程中电压尖峰和电流尖峰较高，使得功率器件容易过压和过流，电磁干扰严重，同时硬开关
技术的开关频率不高，通常需要采用较大的磁性器件，进而会导致整机尺寸过大、比较笨
重。

发明内容

[0004] 针对上述现有技术的不足，本发明提供一种DC‑DC变换器及其控制方法。

[0005] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

[0006] 第一方面，本发明提供了一种DC‑DC变换器，包括控制电路、BOOST升压主电路和软开关辅助电路，所述控制电路的输出端分别与所述BOOST升压主电路的输入端和所述软开
关辅助电路的输入端电连接，所述BOOST升压主电路的输出端与所述软开关辅助电路的输
入端和输出端电连接，所述控制电路用于控制所述BOOST升压主电路零电压开通和关断，并
控制所述软开关辅助电路零电流开通和关断。

[0007] 第二方面，本发明提供了一种DC‑DC变换器控制方法，基于如权利要求1至3任一项所述的DC‑DC变换器，包括：

[0008] 获取燃料电池侧的第一电压和负载侧的第二电压；

[0009] 根据所述第一电压和所述第二电压输出控制信号，根据所述控制信号控制主MOSFET管零电压开通或关断，并控制辅助MOSFET管零电流开通或关断。

[0010] 本发明的DC‑DC变换器及其控制方法的有益效果是：在Boost升压主电路的基础上，增加软开关辅助电路，控制电路控制Boost升压主电路零电压开通或关断，并控制软开
关辅助电路零电流开通或关断，零电压开断和零电流开断使得电路中功率器件的电流或电
压先降到零，在缓慢上升，降低了开关过程中电压、电流交叠乘积产生的开关损耗。并且能
够实现功率器件的高频控制，降低功率器件开关过程中的电压尖峰和电流尖峰，同时占用
空间小。

附图说明

[0011] 图1为本发明实施例的一种DC‑DC变换器的结构示意图；

[0012] 图2为本发明实施例的一种DC‑DC变换器控制方法的流程示意图。

具体实施方式

[0013] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

[0014] 如图1所示，本发明实施例提供的一种DC‑DC变换器，包括控制电路、BOOST升压主电路和软开关辅助电路，所述控制电路的输出端分别与所述BOOST升压主电路的输入端和
所述软开关辅助电路的输入端电连接，所述BOOST升压主电路的输出端与所述软开关辅助
电路的输入端和输出端电连接，所述控制电路用于控制所述BOOST升压主电路零电压开通
和关断，并控制所述软开关辅助电路零电流开通和关断。

[0015] 具体地，本实施例中的燃料电池可为氢燃料电池，氢燃料电池是一种将氢燃料和氧气所具有的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。

[0016] 本实施例中，在Boost升压主电路的基础上，增加软开关辅助电路，控制电路控制Boost升压主电路零电压开通或关断，并控制软开关辅助电路零电流开通或关断，零电压开
断和零电流开断使得电路中功率器件的电流或电压先降到零，在缓慢上升，降低了开关过
程中电压、电流交叠乘积产生的开关损耗。并且能够实现功率器件的高频控制，降低功率器
件开关过程中的电压尖峰和电流尖峰，同时占用空间小。

[0017] 优选地，所述BOOST升压主电路包括燃料电池、储能电感、主二极管、主MOSFET管、电容和负载，所述燃料电池的正极分别与所述控制电路的第一输入端和所述储能电感的一
端电连接，所述储能电感的另一端分别与所述主MOSFET管的漏极和所述主二极管的正极电
连接，所述主MOSFET管的漏极与所述软开关辅助电路的第一输入端电连接，所述主MOSFET
管的栅极与所述控制电路的第一输出端电连接，所述主MOSFET管的源极与所述燃料电池的
负极电连接，所述主二极管的负极分别与所述控制电路的第二输入端和所述负载的正极电
连接，所述负载的正极与所述软开关辅助电路的输出端电连接，所述负载的负极与所述燃
料电池的负极电连接，所述燃料电池的负极还与所述软开关辅助电路的第二输入端电连
接，所述电容与所述负载并联。

[0018] 优选地，所述软开关辅助电路包括辅助MOSFET管、变压器、励磁电感、漏感、第一辅助二极管和第二辅助二极管，所述辅助MOSFET管的栅极与所述控制电路的第二输出端电连
接，所述辅助MOSFET管的源极为所述软开关辅助电路的所述第二输入端，所述辅助MOSFET
管的源极与所述燃料电池的负极电连接，所述辅助MOSFET管的漏极分别与所述励磁电感的
一端和所述第二辅助二极管的正极电连接，所述励磁电感的另一端通过所述漏感与所述主
MOSFET管的漏极电连接，所述励磁电感的另一端为所述软开关辅助电路的所述第一输入
端，所述励磁电感与所述变压器的初级线圈并联，所述变压器的次级线圈的一端与所述第
一辅助二极管的正极电连接，所述变压器的次级线圈的另一端与所述第二辅助二极管的正
极电连接，所述第二辅助二极管的负极与所述第一辅助二极管的负极电连接，所述第一辅
助二极管的负极与所述负载的正极电连接，所述第一辅助二极管的负极为所述软开关辅助
电路的所述输出端。

[0019] 具体地，通过控制电路分别控制BOOST升压主电路和软开关辅助电路，实现Boost升压主电路中功率器件零电压开通和关断，和软开关辅助电路中功率器件零电流开通和关
断，降低了电压尖峰、电流尖峰和功率器件的开关损耗，同时占用空间小。

[0020] 如图2所示，本发明实施例提供的一种DC‑DC变换器控制方法，基于如上所述的DC‑DC变换器，包括：

[0021] 100，获取燃料电池侧的第一电压Vin和负载侧的第二电压V0；

[0022] 200，根据所述第一电压Vin和所述第二电压V0输出控制信号，根据所述控制信号控制主MOSFET管Qmain零电压开通或关断，并控制辅助MOSFET管Qaux零电流开通或关断。

[0023] 具体地，DC‑DC变换器对燃料电池输出的第一电压Vin进行升降压，输出为负载进行供电的第二电压V0。

[0024] 优选地，所述控制信号包括控制所述主MOSFET管Qmain的第一驱动信号Gmain和控制所述辅助MOSFET管Qaux的第二驱动信号Gaux，所述第一驱动信号Gmain比所述第二驱动
信号Gaux提前0.01‑1us开始输出，且所述第一驱动信号Gmain在所述第二驱动信号Gaux开
始输出0.01‑5us后关断。

[0025] 具体地，在DC‑DC变换器中增加软开关辅助电路，采取软开关辅助电路中辅助MOSFET管比Boost升压主电路中主MOSFET管先开通的控制方法，实现Boost升压主电路零电
压开通和关断，以及软开关辅助电路零电流开通和关断。

[0026] 优选地，根据所述控制信号控制主MOSFET管Qmain零电压开通或关断，并控制辅助MOSFET管Qaux零电流开通或关断包括：

[0027] 当所述第一驱动信号Gmain和所述第二驱动信号Gaux均为低电平时，所述主MOSFET管Qmain和所述辅助MOSFET管Qaux关断，电流为零，主二极管Dmain导通，储能电感
Lmain中的电能通过所述主二极管Dmain为所述负载供电。

[0028] 优选地，根据所述控制信号控制主MOSFET管Qmain零电压开通或关断，并控制辅助MOSFET管Qaux零电流开通或关断还包括：

[0029] 当所述第二驱动信号Gaux为高电平时，所述辅助MOSFET管Qaux和第一辅助二极管Daux1零电流开通，所述辅助MOSFET管Qaux和所述第一辅助二极管Daux1中的电流由零开始
逐步增加，且所述主二极管Dmain中的电流将逐步减小至零，实现所述主二极管Dmain零电
流关断；

[0030] 当所述主二极管Dmain零电流关断后，所述漏感Lr与所述主MOSFET管Qmain的结电容产生谐振，所述主MOSFET管Qmain的结电容电压将从等于第二电压V0逐步降低至零，为主
MOSFET管Qmain零电压开通做准备。

[0031] 优选地，根据所述控制信号控制主MOSFET管Qmain零电压开通或关断，并控制辅助MOSFET管Qaux零电流开通或关断还包括：

[0032] 当所述第一驱动信号Gmain为高电平，且所述主MOSFET管Qmain的结电容电压降低为零时，所述主MOSFET管Qmain零电压开通，所述主MOSFET管Qmain中的电流逐步增大，为所
述储能电感Lmain充能；

[0033] 所述主MOSFET管Qmain开通后，流经所述漏感Lr和所述励磁电感Lm的电流逐步减小至零，为辅助MOSFET管Qaux和第一辅助二极管Daux1零电流关断做准备。

[0034] 优选地，根据所述控制信号控制主MOSFET管Qmain零电压开通或关断，并控制辅助MOSFET管Qaux零电流开通或关断还包括：

[0035] 当所述第二驱动信号Gaux为低电平时，所述辅助MOSFET管Qaux和所述第一辅助二极管Daux1零电流关断。

[0036] 优选地，根据所述控制信号控制主MOSFET管Qmain零电压开通或关断，并控制辅助MOSFET管Qaux零电流开通或关断还包括：

[0037] 当所述第一驱动信号Gmain为低电平时，所述主MOSFET管Qmain零电压关断，所述BOOST升压主电路中的电流为所述主MOSFET管Qmain的结电容充电，所述主MOSFET管Qmain
的结电容电压由零逐步增大至所述第一电压Vin，当所述主MOSFET管Qmain的结电容电压达
到所述第一电压Vin时，所述主二极管Dmain开通，通过所述储能电感Lmain中的电流为负载
供电，所述储能电感Lmain中的电流通过所述主二极管Dmain为负载供电。

[0038] 循环上述过程，完成电流转换，持续为负载进行供电。

[0039] 需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。在本发明的描述
中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。应该理解这样
使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图
示或描述的那些以外的顺序实施。

[0040] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。