太阳城集团

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一种隔离直流双向变换器.pdf

摘要
申请专利号:

CN201210002151.1

申请日:

2012.01.05

公开号:

太阳城集团CN102570831B

公开日:

2015.01.21

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H02M 3/335申请日:20120105|||公开
IPC分类号: H02M3/335; H02M7/797 主分类号: H02M3/335
申请人: 深圳市高斯宝电气技术有限公司
发明人: 阮世良
地址: 518000 广东省深圳市宝安区西乡街道宝田一路南侧凤凰岗第一工业区厂房A厂房05层东侧
优先权:
专利代理机构: 深圳市兴科达知识产权代理有限公司 44260 代理人: 王翀
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法律状态
申请(专利)号:

太阳城集团CN201210002151.1

授权太阳城集团号:

太阳城集团102570831B||||||

法律状态太阳城集团日:

2015.01.21|||2012.09.12|||2012.07.11

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

太阳城集团本发明公开了一种隔离直流双向变换器,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、变压器、隔离驱动单元、隔离单元、电感、电解电容,变压器包括一个原边绕组和两个副边绕组;当能量从高压端流向低压端时,DSP通过隔离驱动单元驱动第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管进行全桥变换,并驱动第五MOS管和第六MOS管进行同步整流;当能量从低压端流向高压端时,DSP驱动第五MOS管和第六MOS管进行推挽变换,并驱动第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管进行同步整流。本发明特别适合于高压端小电流到低压端大电流的双向变换。

权利要求书

1.一种隔离直流双向变换器,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、变压器、
隔离驱动单元、隔离单元、电感、电解电容,其中,变压器包括一个原边
绕组和两个副边绕组;
第一MOS管和第二MOS管的漏极分别接高压端,第一MOS管的源极和第三MOS
管的漏极连接,第二MOS管的源极和第四MOS管的漏极连接,第三MOS管
和第四MOS管的源极分别接地;DSP的其中一个驱动端通过隔离驱动单元
分别与第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管的栅极连接,
DSP的其中一个电压检测端通过隔离单元与高压端连接,另一个电压检测
端与低压端连接,DSP的电流检测端连接在第五MOS管的源极和地的连接
点之间;
变压器的原边绕组的其中一端与第二MOS管和第四MOS管的连接点连接,另一
端与第一MOS管和第三MOS管的连接点连接;电感的一端与两个副边绕组
的连接点连接,另一端分别接低压端和电解电容的正极,电解电容的负极
接地;DSP的另一个驱动端分别与第五MOS管和第六MOS管的栅极连接,
第五MOS管的漏极与其中一个副边绕组连接,第五MOS管和第六MOS管的
源极分别接地,第六MOS管的漏极与另一个副边绕组连接;
当能量从高压端流向低压端时,DSP通过隔离驱动单元驱动第一MOS管、第二
MOS管、第三MOS管、第四MOS管进行全桥移相变换,并驱动第五MOS管
和第六MOS管进行同步整流;当能量从低压端流向高压端时,DSP驱动第
五MOS管和第六MOS管进行推挽变换,并驱动第一MOS管、第二MOS管、
第三MOS管、第四MOS管进行同步整流。
2.根据权利要求1所述的隔离直流双向变换器,其特征在于:还包括第一二
极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管;
第一二极管的阴极与第一MOS管的漏极连接,阳极与第一MOS管的源极连接;
第二二极管的阴极与第二MOS管的漏极连接,阳极与第二MOS管的源极连
接;第三二极管的阴极与第三MOS管的漏极连接,阳极与第三MOS管的源
极连接;第四二极管的阴极与第四MOS管的漏极连接,阳极与第四MOS管
的源极连接。
3.根据权利要求1或2所述的隔离直流双向变换器,其特征在于:还包括第
五二极管和第六二极管;
第五二极管的阴极与第五MOS管的漏极连接,阳极与第五MOS管的源极连接;
第六二极管的阴极与第六MOS管的漏极连接,阳极与第六MOS管的源极连
接。
4.根据权利要求1或2所述的隔离直流双向变换器,其特征在于:所述隔离
单元或隔离驱动单元采用线性光耦隔离。

说明书

一种隔离直流双向变换器

[技术领域]

本发明涉及电源变换技术领域,尤其涉及一种隔离直流双向变换器。

[背景技术]

在新能源应用中,由于输入端的不稳定,通常会采用电池或超级电容进行
储能,这种情况下需要采用双向变换器。在双向变换器两边电压差别很大的场
合,如十倍以上情况下,采用不隔离的变换器模式效率较低,很不经济,特别
是在某些情况下,由于安全的原因,也是需要隔离,因此这种情况下需要采用
隔离的双向变换器。

在输出电压较低的大功率应用中,采用何种模式,在目前尚无完整的解决
方案;目前的双向变换器各有优缺点,但在一侧为高压小电流,另一侧为低压
大电流的应用场合,均不太适用,特别在某些新能源应用中,对于低压侧需要
恒流充电或者恒流放电的场合,目前存在的这些双向变换器都不适合。

[发明内容]

本发明提供了一种隔离直流双向变换器,特别适合于高压端小电流到低压
端大电流的双向变换。

本发明的技术方案是:

一种隔离直流双向变换器,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、变压器、隔离驱动单元、隔离单
元、电感、电解电容,其中,变压器包括一个原边绕组和两个副边绕组;

第一MOS管和第二MOS管的漏极分别接高压端,第一MOS管的源极和第三
MOS管的漏极连接,第二MOS管的源极和第四MOS管的漏极连接,第三MOS管和
第四MOS管的源极分别接地,DSP的其中一个驱动端通过隔离驱动单元分别与第
一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管的栅极连接,DSP的其中一个
电压检测端通过隔离单元与高压端连接,另一个电压检测端与低压端连接,DSP
的电流检测端连接在第五MOS管的源极和地的连接点之间;

变压器的原边绕组的其中一端与第二MOS管和第四MOS管的连接点连接,
另一端与第一MOS管和第三MOS管的连接点连接;电感的一端与两个副边绕组
的连接点连接,另一端分别接低压端和电解电容的正极,电解电容的负极接地;
DSP的另一个驱动端分别与第五MOS管和第六MOS管的栅极连接,第五MOS管的
漏极与其中一个副边绕组连接,第五MOS管和第六MOS管的源极分别接地,第
六MOS管的漏极与另一个副边绕组连接;

当能量从高压端流向低压端时,DSP通过隔离驱动单元驱动第一MOS管、第
二MOS管、第三MOS管、第四MOS管进行全桥移相变换,并驱动第五MOS管和
第六MOS管进行同步整流;当能量从低压端流向高压端时,DSP驱动第五MOS管
和第六MOS管进行推挽变换,并驱动第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、
第四MOS管进行同步整流。

本发明的双向变换器,DSP根据实际控制的需求,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管的驱动方式,可以
实现能量从低压端到高压端的流动,也可实现从高压端到低压端的流动,从而
实现能量的双向流动;该双向变换器通过变压器实现了低压端、高压端电压的
隔离,通过隔离驱动单元和隔离单元实现了直流隔离,而且由于低压端为中间
抽头的全波整流,可以处理较大的电流,因此本发明的双向变换器特别适合于
高压端小电流到低压端大电流的双向变换。

[附图说明]

图1是本发明隔离直流双向变换器在一实施例中的电路原理图;

图2是高压端V1到低压端V2变换的原理及波形图;

图3是低压端V2到高压端V1变换的原理及波形图。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明的具体实施例做一详细的阐述。

本发明的隔离直流双向变换器,能实现能量的双向流动,通过变压器实现
了低压端、高压端电压的隔离,通过隔离驱动单元和隔离单元实现了直流隔离,
特别适合于高压端小电流到低压端大电流的双向变换。

如图1所示,本发明的双向变换器,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、变压
器、隔离驱动单元、隔离单元、电感L2、电解电容C1,其中,变压器包括一个
原边绕组L1-A和两个副边绕组L1-B、L1-C;

第一MOS管Q1和第二MOS管Q2的漏极分别接高压端V1,第一MOS管Q1
的源极和第三MOS管Q3的漏极连接,第二MOS管Q2的源极和第四MOS管Q4的
漏极连接,第三MOS管Q3和第四MOS管Q4的源极分别接地,DSP的其中一个驱
动端通过隔离驱动单元分别与第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、
第四MOS管Q4的栅极连接,DSP的其中一个电压检测端通过隔离单元与高压端
V1连接,另一个电压检测端与低压端V2连接,DSP的电流检测端连接在第五MOS
管Q5的源极和地的连接点之间;

变压器的原边绕组L1-A的其中一端与第二MOS管Q2和第四MOS管Q4的连
接点连接,另一端与第一MOS管Q1和第三MOS管Q3的连接点连接;电感L2的
一端与两个副边绕组L1-B、L1-C的连接点连接,另一端分别接低压端V2和电
解电容C1的正极,电解电容C1的负极接地;DSP的另一个驱动端分别与第五
MOS管Q5和第六MOS管Q6的栅极连接,第五MOS管Q5的漏极与其中一个副边
绕组L1-C连接,第五MOS管Q5和第六MOS管Q6的源极分别接地,第六MOS管
Q6的漏极与另一个副边绕组L1-B连接;

当能量从高压端流向低压端时,DSP通过隔离驱动单元驱动第一MOS管Q1、
第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4进行全桥移相变换,并驱动第
五MOS管Q5和第六MOS管Q6进行同步整流;当能量从低压端流向高压端时,
DSP驱动第五MOS管Q5和第六MOS管Q6进行推挽变换,并驱动第一MOS管Q1、
第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4进行同步整流。

具体实施时,本发明还可以包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极
管D3、第四二极管D4;第一二极管D1的阴极与第一MOS管Q1的漏极连接,阳
极与第一MOS管Q1的源极连接;第二二极管D2的阴极与第二MOS管Q2的漏极
连接,阳极与第二MOS管Q2的源极连接;第三二极管D3的阴极与第三MOS管
Q3的漏极连接,阳极与第三MOS管Q3的源极连接;第四二极管D4的阴极与第
四MOS管Q4的漏极连接,阳极与第四MOS管Q4的源极连接。在进行同步整流
时,可以分别利用与MOS管并联的二极管进行工作,此时可以不再驱动MOS管
工作。

另外,基于同样的道理,本发明还可以包括第五二极管D5和第六二极管D6;
第五二极管D5的阴极与第五MOS管Q5的漏极连接,阳极与第五MOS管Q5的源
极连接;第六二极管D6的阴极与第六MOS管Q6的漏极连接,阳极与第六MOS
管Q6的源极连接。

其中,从高压端V1到低压端V2的变换是一个全桥变换器,输出侧为中间
抽头的全桥整流,从低压端V2到高压端V1的变换是电流型推挽模式,输出侧
为全桥整流;从高压端V1到低压端V2的变换中,MOS管Q1、Q2、Q3、Q4工作
在开关状态,MOS管Q5、Q6可以直接工作在同步整流状态,也可简单的利用其
体二极管或并联的二极管工作,此时不需要驱动MOS管Q5、Q6;从低压端V2到
高压端V1的变换中,MOS管Q5、Q6工作在开关管状态,MOS管Q1、Q2、Q3、Q4
可以利用其体二极管或并联的二极管工作(此时无需驱动)在同步整流状态。

其控制原理说明如下:

高压端V1到低压端V2的变换是PWM全桥控制,原理如图2所示,分析如
下:

t0时刻,MOS管Q1、Q3同时导通,t1时刻,MOS管Q1、Q3同时关断;此
太阳城集团内,输出电感L2的电流线性上升,变压器输出通过MOS管Q5整流输出;

t1时刻到t2时刻,MOS管Q1、Q2、Q3、Q4全部关断,输出电感L2中电流
线性下降,变压器副边绕组均有电流流过,电流通过MOS管Q5、Q6续流,这两
个MOS管中电流相等;

t2时刻,MOS管Q2、Q4同时开通,进入另一个能量传递过程,输出电感L2
中的电流线性上升,变压器输出通过MOS管Q6整流输出;此状态直到t3时刻
MOS管Q2、Q4关断为止;

t3时刻,MOS管Q2、Q4关断,变压器副边绕组进入续流阶段,输出电感L2
中电流线性下降,变压器副边绕组均有电流流过,电流通过MOS管Q5、Q6续流,
这两个MOS管中电流相等;

直到t0’时刻,MOS管Q1、Q3重新开通,t0到t0’时刻为一个周期,从该
t0’时刻又是一个新周期开始,其后工作按t0到t0’时刻内的原理进行。

低压端V2到高压端V1的变换是电流型推挽模式,控制原理如图3所示,
分析如下:

假设在t0时刻,MOS管Q5导通,MOS管Q6关断,此时电感L2中电流线性
减小,变压器原边输出通过MOS管Q1、Q3整流后输出到高压端V1;

t1时刻,MOS管Q6开通,MOS管Q5继续开通,此时变压器相当于短路,及
低压端V2的电压通过电感L2及MOS管Q5、Q6到地,因此电感L2中电流会线
性上升;

t2时刻,MOS管Q6继续开通,MOS管Q5关断,此时变压器开始工作,变压
器原边绕组侧通过MOS管Q2、Q4整流后输出到低压端V1;

t3时刻,MOS管Q5开通,MOS管Q6继续开通,此时变压器相当于短路状态,
电感L2中电流线性上升;

直到t0’时刻,MOS管Q6关断,一个完整的开关周期结束,此时工作状态
又重新从t0时刻开始。

如图1所示实际为一个1KW隔离双向变换器,两边电压V1为800V,V2为
12V,采用DSP进行控制,检测低压端V2侧电压和电流,隔离后检测高压端V1
侧电压,DSP设置在低压端V1侧,故低压端V1侧的隔离驱动不需要隔离;隔离
单元和隔离驱动单元具体可以采用线性光耦隔离,如HCPL-T250。

系统设计的目标是:低压端V2输出为恒压恒流,即低压端输出电流过大时
将输出恒流,低压端输出的最大电流控制在80A,当电流小于80A时系统母线电
压为12V,12V母线接收外部能量时,系统启动从12V到800V的变换,并将系
统母线维持在12V,低压端最大的吸收电流控制在80A。

由于系统采用DSP控制,DSP检测低压端电压、电流,根据电流流向和电压
设定相应的驱动模式,当能量从高压端流向低压端时,通过隔离驱动MOS管Q1、
Q2、Q3、Q4进行全桥变换,根据相应控制,驱动MOS管Q5、Q6,使其工作在同
步整流状态(参见图2);当能量从低压端流向高压端时,驱动MOS管Q5、Q6工
作(参见图3),由于高压端电流较小,此时MOS管Q1、Q2、Q3、Q4不驱动,可
以利用与其并联的二极管进行整流;控制中向DSP里输入相关控制算法后,进
行各个MOS管的驱动控制,以满足系统要求。

以上所述的本发明实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何在
本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明
的权利要求保护范围之内。

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一种 隔离 直流 双向 变换器
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