CN102570831B - 一种隔离直流双向变换器 - Google Patents

一种隔离直流双向变换器 Download PDF

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Abstract

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。

Description

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；此时间内，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。

Claims (4)

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； 
高压端到低压端变换的一个控制周期分为4个时段： 
第一时段开始时，第一MOS管、第四MOS管同时导通，第二时段开始时，第一MOS管、第四MOS管同时关断；此时间内，电感的电流线性上升，变压器输出通过第五MOS管整流输出； 
在第二时段中，第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管全部关断，电感中电流线性下降，变压器副边绕组均有电流流过，电流通过第五MOS管、第六MOS管续流； 
第三时段开始时，第二MOS管、第三MOS管同时开通，进入另一个能量传递过程，电感中的电流线性上升，变压器输出通过第六MOS管整流输出；此状态直到t3时刻第二MOS管、第三MOS管关断为止； 
第四时段开始时，第二MOS管、第三MOS管关断，变压器副边绕组进入续流时段，电感中电流线性下降，变压器副边绕组均有电流流过，电流通过第五MOS管、第六MOS管续流，直到第一时段开始时，第一MOS管、第四MOS管重新开通； 
低压端到高压端的变换的一个控制周期分为4个阶段： 
第一阶段开始时，第五MOS管导通，第六MOS管关断，电感中电流线性减小，变压器原边输出通过第一MOS管、第四MOS管整流后输出到高压端； 
第二阶段开始时，第六MOS管开通，第五MOS管继续开通，此时变压器相当于短路，低压端的电压通过电感及第五MOS管、第六MOS管到地，电感中电流线性上升； 
第三阶段开始时，第六MOS管继续开通，第五MOS管关断，变压器开始工作，变压器原边绕组侧通过第二MOS管、第三MOS管整流后输出到高压端； 
第四阶段开始时，第五MOS管开通，第六MOS管继续开通，此时变压器相当于短路状态，电感中电流线性上升，直到第一阶段开始，第六MOS管关断，一个完整的开关周期结束。 
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。 
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