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一種隔離直流雙向變換器.pdf

摘要
申請專利號:

CN201210002151.1

申請日:

2012.01.05

公開號:

CN102570831B

公開日:

2015.01.21

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有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H02M 3/335申請日:20120105|||公開
IPC分類號: H02M3/335; H02M7/797 主分類號: H02M3/335
申請人: 深圳市高斯寶電氣技術有限公司
發明人: 阮世良
地址: 518000 廣東省深圳市寶安區西鄉街道寶田一路南側鳳凰崗第一工業區廠房A廠房05層東側
優先權:
專利代理機構: 深圳市興科達知識產權代理有限公司 44260 代理人: 王翀
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210002151.1

授權公告號:

102570831B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.21|||2012.09.12|||2012.07.11

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種隔離直流雙向變換器,其包括:DSP、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、變壓器、隔離驅動單元、隔離單元、電感、電解電容,變壓器包括一個原邊繞組和兩個副邊繞組;當能量從高壓端流向低壓端時,DSP通過隔離驅動單元驅動第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管進行全橋變換,并驅動第五MOS管和第六MOS管進行同步整流;當能量從低壓端流向高壓端時,DSP驅動第五MOS管和第六MOS管進行推挽變換,并驅動第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管進行同步整流。本發明特別適合于高壓端小電流到低壓端大電流的雙向變換。

權利要求書

1.一種隔離直流雙向變換器,其特征在于,包括:DSP、第一MOS管、第二
MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、變壓器、
隔離驅動單元、隔離單元、電感、電解電容,其中,變壓器包括一個原邊
繞組和兩個副邊繞組;
第一MOS管和第二MOS管的漏極分別接高壓端,第一MOS管的源極和第三MOS
管的漏極連接,第二MOS管的源極和第四MOS管的漏極連接,第三MOS管
和第四MOS管的源極分別接地;DSP的其中一個驅動端通過隔離驅動單元
分別與第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管的柵極連接,
DSP的其中一個電壓檢測端通過隔離單元與高壓端連接,另一個電壓檢測
端與低壓端連接,DSP的電流檢測端連接在第五MOS管的源極和地的連接
點之間;
變壓器的原邊繞組的其中一端與第二MOS管和第四MOS管的連接點連接,另一
端與第一MOS管和第三MOS管的連接點連接;電感的一端與兩個副邊繞組
的連接點連接,另一端分別接低壓端和電解電容的正極,電解電容的負極
接地;DSP的另一個驅動端分別與第五MOS管和第六MOS管的柵極連接,
第五MOS管的漏極與其中一個副邊繞組連接,第五MOS管和第六MOS管的
源極分別接地,第六MOS管的漏極與另一個副邊繞組連接;
當能量從高壓端流向低壓端時,DSP通過隔離驅動單元驅動第一MOS管、第二
MOS管、第三MOS管、第四MOS管進行全橋移相變換,并驅動第五MOS管
和第六MOS管進行同步整流;當能量從低壓端流向高壓端時,DSP驅動第
五MOS管和第六MOS管進行推挽變換,并驅動第一MOS管、第二MOS管、
第三MOS管、第四MOS管進行同步整流。
2.根據權利要求1所述的隔離直流雙向變換器,其特征在于:還包括第一二
極管、第二二極管、第三二極管、第四二極管;
第一二極管的陰極與第一MOS管的漏極連接,陽極與第一MOS管的源極連接;
第二二極管的陰極與第二MOS管的漏極連接,陽極與第二MOS管的源極連
接;第三二極管的陰極與第三MOS管的漏極連接,陽極與第三MOS管的源
極連接;第四二極管的陰極與第四MOS管的漏極連接,陽極與第四MOS管
的源極連接。
3.根據權利要求1或2所述的隔離直流雙向變換器,其特征在于:還包括第
五二極管和第六二極管;
第五二極管的陰極與第五MOS管的漏極連接,陽極與第五MOS管的源極連接;
第六二極管的陰極與第六MOS管的漏極連接,陽極與第六MOS管的源極連
接。
4.根據權利要求1或2所述的隔離直流雙向變換器,其特征在于:所述隔離
單元或隔離驅動單元采用線性光耦隔離。

說明書

一種隔離直流雙向變換器

[技術領域]

本發明涉及電源變換技術領域,尤其涉及一種隔離直流雙向變換器。

[背景技術]

在新能源應用中,由于輸入端的不穩定,通常會采用電池或超級電容進行
儲能,這種情況下需要采用雙向變換器。在雙向變換器兩邊電壓差別很大的場
合,如十倍以上情況下,采用不隔離的變換器模式效率較低,很不經濟,特別
是在某些情況下,由于安全的原因,也是需要隔離,因此這種情況下需要采用
隔離的雙向變換器。

在輸出電壓較低的大功率應用中,采用何種模式,在目前尚無完整的解決
方案;目前的雙向變換器各有優缺點,但在一側為高壓小電流,另一側為低壓
大電流的應用場合,均不太適用,特別在某些新能源應用中,對于低壓側需要
恒流充電或者恒流放電的場合,目前存在的這些雙向變換器都不適合。

[發明內容]

本發明提供了一種隔離直流雙向變換器,特別適合于高壓端小電流到低壓
端大電流的雙向變換。

本發明的技術方案是:

一種隔離直流雙向變換器,包括:DSP、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS
管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、變壓器、隔離驅動單元、隔離單
元、電感、電解電容,其中,變壓器包括一個原邊繞組和兩個副邊繞組;

第一MOS管和第二MOS管的漏極分別接高壓端,第一MOS管的源極和第三
MOS管的漏極連接,第二MOS管的源極和第四MOS管的漏極連接,第三MOS管和
第四MOS管的源極分別接地,DSP的其中一個驅動端通過隔離驅動單元分別與第
一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管的柵極連接,DSP的其中一個
電壓檢測端通過隔離單元與高壓端連接,另一個電壓檢測端與低壓端連接,DSP
的電流檢測端連接在第五MOS管的源極和地的連接點之間;

變壓器的原邊繞組的其中一端與第二MOS管和第四MOS管的連接點連接,
另一端與第一MOS管和第三MOS管的連接點連接;電感的一端與兩個副邊繞組
的連接點連接,另一端分別接低壓端和電解電容的正極,電解電容的負極接地;
DSP的另一個驅動端分別與第五MOS管和第六MOS管的柵極連接,第五MOS管的
漏極與其中一個副邊繞組連接,第五MOS管和第六MOS管的源極分別接地,第
六MOS管的漏極與另一個副邊繞組連接;

當能量從高壓端流向低壓端時,DSP通過隔離驅動單元驅動第一MOS管、第
二MOS管、第三MOS管、第四MOS管進行全橋移相變換,并驅動第五MOS管和
第六MOS管進行同步整流;當能量從低壓端流向高壓端時,DSP驅動第五MOS管
和第六MOS管進行推挽變換,并驅動第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、
第四MOS管進行同步整流。

本發明的雙向變換器,DSP根據實際控制的需求,控制第一MOS管、第二
MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管的驅動方式,可以
實現能量從低壓端到高壓端的流動,也可實現從高壓端到低壓端的流動,從而
實現能量的雙向流動;該雙向變換器通過變壓器實現了低壓端、高壓端電壓的
隔離,通過隔離驅動單元和隔離單元實現了直流隔離,而且由于低壓端為中間
抽頭的全波整流,可以處理較大的電流,因此本發明的雙向變換器特別適合于
高壓端小電流到低壓端大電流的雙向變換。

[附圖說明]

圖1是本發明隔離直流雙向變換器在一實施例中的電路原理圖;

圖2是高壓端V1到低壓端V2變換的原理及波形圖;

圖3是低壓端V2到高壓端V1變換的原理及波形圖。

[具體實施方式]

下面結合附圖對本發明的具體實施例做一詳細的闡述。

本發明的隔離直流雙向變換器,能實現能量的雙向流動,通過變壓器實現
了低壓端、高壓端電壓的隔離,通過隔離驅動單元和隔離單元實現了直流隔離,
特別適合于高壓端小電流到低壓端大電流的雙向變換。

如圖1所示,本發明的雙向變換器,包括:DSP、第一MOS管Q1、第二MOS
管Q2、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4、第五MOS管Q5、第六MOS管Q6、變壓
器、隔離驅動單元、隔離單元、電感L2、電解電容C1,其中,變壓器包括一個
原邊繞組L1-A和兩個副邊繞組L1-B、L1-C;

第一MOS管Q1和第二MOS管Q2的漏極分別接高壓端V1,第一MOS管Q1
的源極和第三MOS管Q3的漏極連接,第二MOS管Q2的源極和第四MOS管Q4的
漏極連接,第三MOS管Q3和第四MOS管Q4的源極分別接地,DSP的其中一個驅
動端通過隔離驅動單元分別與第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、
第四MOS管Q4的柵極連接,DSP的其中一個電壓檢測端通過隔離單元與高壓端
V1連接,另一個電壓檢測端與低壓端V2連接,DSP的電流檢測端連接在第五MOS
管Q5的源極和地的連接點之間;

變壓器的原邊繞組L1-A的其中一端與第二MOS管Q2和第四MOS管Q4的連
接點連接,另一端與第一MOS管Q1和第三MOS管Q3的連接點連接;電感L2的
一端與兩個副邊繞組L1-B、L1-C的連接點連接,另一端分別接低壓端V2和電
解電容C1的正極,電解電容C1的負極接地;DSP的另一個驅動端分別與第五
MOS管Q5和第六MOS管Q6的柵極連接,第五MOS管Q5的漏極與其中一個副邊
繞組L1-C連接,第五MOS管Q5和第六MOS管Q6的源極分別接地,第六MOS管
Q6的漏極與另一個副邊繞組L1-B連接;

當能量從高壓端流向低壓端時,DSP通過隔離驅動單元驅動第一MOS管Q1、
第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4進行全橋移相變換,并驅動第
五MOS管Q5和第六MOS管Q6進行同步整流;當能量從低壓端流向高壓端時,
DSP驅動第五MOS管Q5和第六MOS管Q6進行推挽變換,并驅動第一MOS管Q1、
第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4進行同步整流。

具體實施時,本發明還可以包括第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極
管D3、第四二極管D4;第一二極管D1的陰極與第一MOS管Q1的漏極連接,陽
極與第一MOS管Q1的源極連接;第二二極管D2的陰極與第二MOS管Q2的漏極
連接,陽極與第二MOS管Q2的源極連接;第三二極管D3的陰極與第三MOS管
Q3的漏極連接,陽極與第三MOS管Q3的源極連接;第四二極管D4的陰極與第
四MOS管Q4的漏極連接,陽極與第四MOS管Q4的源極連接。在進行同步整流
時,可以分別利用與MOS管并聯的二極管進行工作,此時可以不再驅動MOS管
工作。

另外,基于同樣的道理,本發明還可以包括第五二極管D5和第六二極管D6;
第五二極管D5的陰極與第五MOS管Q5的漏極連接,陽極與第五MOS管Q5的源
極連接;第六二極管D6的陰極與第六MOS管Q6的漏極連接,陽極與第六MOS
管Q6的源極連接。

其中,從高壓端V1到低壓端V2的變換是一個全橋變換器,輸出側為中間
抽頭的全橋整流,從低壓端V2到高壓端V1的變換是電流型推挽模式,輸出側
為全橋整流;從高壓端V1到低壓端V2的變換中,MOS管Q1、Q2、Q3、Q4工作
在開關狀態,MOS管Q5、Q6可以直接工作在同步整流狀態,也可簡單的利用其
體二極管或并聯的二極管工作,此時不需要驅動MOS管Q5、Q6;從低壓端V2到
高壓端V1的變換中,MOS管Q5、Q6工作在開關管狀態,MOS管Q1、Q2、Q3、Q4
可以利用其體二極管或并聯的二極管工作(此時無需驅動)在同步整流狀態。

其控制原理說明如下:

高壓端V1到低壓端V2的變換是PWM全橋控制,原理如圖2所示,分析如
下:

t0時刻,MOS管Q1、Q3同時導通,t1時刻,MOS管Q1、Q3同時關斷;此
時間內,輸出電感L2的電流線性上升,變壓器輸出通過MOS管Q5整流輸出;

t1時刻到t2時刻,MOS管Q1、Q2、Q3、Q4全部關斷,輸出電感L2中電流
線性下降,變壓器副邊繞組均有電流流過,電流通過MOS管Q5、Q6續流,這兩
個MOS管中電流相等;

t2時刻,MOS管Q2、Q4同時開通,進入另一個能量傳遞過程,輸出電感L2
中的電流線性上升,變壓器輸出通過MOS管Q6整流輸出;此狀態直到t3時刻
MOS管Q2、Q4關斷為止;

t3時刻,MOS管Q2、Q4關斷,變壓器副邊繞組進入續流階段,輸出電感L2
中電流線性下降,變壓器副邊繞組均有電流流過,電流通過MOS管Q5、Q6續流,
這兩個MOS管中電流相等;

直到t0’時刻,MOS管Q1、Q3重新開通,t0到t0’時刻為一個周期,從該
t0’時刻又是一個新周期開始,其后工作按t0到t0’時刻內的原理進行。

低壓端V2到高壓端V1的變換是電流型推挽模式,控制原理如圖3所示,
分析如下:

假設在t0時刻,MOS管Q5導通,MOS管Q6關斷,此時電感L2中電流線性
減小,變壓器原邊輸出通過MOS管Q1、Q3整流后輸出到高壓端V1;

t1時刻,MOS管Q6開通,MOS管Q5繼續開通,此時變壓器相當于短路,及
低壓端V2的電壓通過電感L2及MOS管Q5、Q6到地,因此電感L2中電流會線
性上升;

t2時刻,MOS管Q6繼續開通,MOS管Q5關斷,此時變壓器開始工作,變壓
器原邊繞組側通過MOS管Q2、Q4整流后輸出到低壓端V1;

t3時刻,MOS管Q5開通,MOS管Q6繼續開通,此時變壓器相當于短路狀態,
電感L2中電流線性上升;

直到t0’時刻,MOS管Q6關斷,一個完整的開關周期結束,此時工作狀態
又重新從t0時刻開始。

如圖1所示實際為一個1KW隔離雙向變換器,兩邊電壓V1為800V,V2為
12V,采用DSP進行控制,檢測低壓端V2側電壓和電流,隔離后檢測高壓端V1
側電壓,DSP設置在低壓端V1側,故低壓端V1側的隔離驅動不需要隔離;隔離
單元和隔離驅動單元具體可以采用線性光耦隔離,如HCPL-T250。

系統設計的目標是:低壓端V2輸出為恒壓恒流,即低壓端輸出電流過大時
將輸出恒流,低壓端輸出的最大電流控制在80A,當電流小于80A時系統母線電
壓為12V,12V母線接收外部能量時,系統啟動從12V到800V的變換,并將系
統母線維持在12V,低壓端最大的吸收電流控制在80A。

由于系統采用DSP控制,DSP檢測低壓端電壓、電流,根據電流流向和電壓
設定相應的驅動模式,當能量從高壓端流向低壓端時,通過隔離驅動MOS管Q1、
Q2、Q3、Q4進行全橋變換,根據相應控制,驅動MOS管Q5、Q6,使其工作在同
步整流狀態(參見圖2);當能量從低壓端流向高壓端時,驅動MOS管Q5、Q6工
作(參見圖3),由于高壓端電流較小,此時MOS管Q1、Q2、Q3、Q4不驅動,可
以利用與其并聯的二極管進行整流;控制中向DSP里輸入相關控制算法后,進
行各個MOS管的驅動控制,以滿足系統要求。

以上所述的本發明實施方式,并不構成對本發明保護范圍的限定。任何在
本發明的精神和原則之內所作的修改、等同替換和改進等,均應包含在本發明
的權利要求保護范圍之內。

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一種 隔離 直流 雙向 變換器
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