CN103337841B - 基于双向buck变换器的双向限流器及双向限流方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于双向BUCK变换器的双向限流器及双向限流方法，包括双向BUCK变换器、电流检测电路和控制电路；所述双向BUCK变换器包括正向BUCK变换器和负向BUCK变换器；所述正向BUCK变换器和所述负向BUCK变换器反向串联；所述正向BUCK变换器和所述负向BUCK变换器共用相同电感L；所述电流检测电路的输入端与所述双向BUCK变换器的电流输入端连接，所述电流检测电路的输出端与所述控制电路的输入端连接；所述控制电路的控制输出端口与所述双向BUCK变换器连接。具有结构简单和成本低的优点。
Description
技术领域
本发明属于电子电路设计技术领域，具体涉及一种基于双向BUCK变换器的双向限流器及双向限流方法。
背景技术
随着电力电子设备的广泛应用，在电能传输过程中，存在大量能量双向流动的应用场合，例如：太阳能光伏发电系统、电动车能量管理系统、通信用备用电源系统等。现有技术中，需要独立安装两个限流器，从而实现双向限流的功能，所以，具有结构复杂和成本高的不足。
随着电力电子设备的广泛应用，在电能传输过程中存在大量能量可能双向流动的应用场合，本发明公开一种基于双向BUCK的双向限流器，利用电力电子的技术和控制方式可以有效地限制双向电流，有效地保护系统。该限流器可应用于但不仅限于带电池和负载的电源系统，可有效地限制电池的充电电流和放电电流，使系统能保持以限流电流传送能量。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于双向BUCK变换器的双向限流器及双向限流方法，具有结构简单和成本低的优点。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种包括双向BUCK变换器、电流检测电路和控制电路；所述双向BUCK变换器包括正向BUCK变换器和负向BUCK变换器；所述正向BUCK变换器和所述负向BUCK变换器反向串联；所述正向BUCK变换器和所述负向BUCK变换器共用相同电感L；所述电流检测电路的输入端与所述双向BUCK变换器的电流输入端连接，所述电流检测电路的输出端与所述控制电路的输入端连接；所述控制电路的控制输出端口与所述双向BUCK变换器连接。
优选的，所述电流检测电路包括第一电流检测电路和/或第二电流检测电路；所述控制电路包括第一控制输出端口和第二控制输出端口；所述双向BUCK变换器包括第一电源端和第二电源端；所述第一电源端正极和所述第二电源端正极相连接形成正极线路，所述第一电源端负极和所述第二电源端负极相连接形成负极线路；所述电感L串联在所述正极线路；或所述电感L串联在所述负极线路；或所述电感L拆分为第一电感L1和第二电感L2，所述第一电感L1串联在所述正极线路，所述第二电感L2串联在所述负极线路。
优选的，所述正向BUCK变换器由第一电容C1、第一功率管Q1、第一续流二极管D1和所述电感L组成；所述第一电容C1并联在所述第一电源端的两端；所述第一功率管Q1和所述第一续流二极管D1串联后并联在所述第一电容C1的两端；其中，所述第一续流二极管D1的阴极与所述正极线路连接，连接点为P1；所述第一续流二极管D1的阳极与所述负极线路连接，连接点为P2；
所述负向BUCK变换器由第二电容C2、第二功率管Q2、第二续流二极管D2和所述电感L组成；所述第二电容C2并联在所述第二电源端的两端；所述第二功率管Q2和所述第二续流二极管D2串联后并联在所述第二电容C2的两端；其中，所述第二续流二极管D2的阴极与所述正极线路连接，连接点为P3；所述第二续流二极管D2的阳极与所述负极线路连接，连接点为P4；
所述电感L串联在线路P1P3上；或者，所述电感L串联在线路P2P4上；或者所述第一电感L1串联在线路P1P3上，所述第二电感L2串联在线路P2P4上。
优选的，所述第一功率管Q1和所述第一续流二极管D1串联方式为：所述第一功率管Q1的阳极和所述第一续流二极管D1的阴极串联。
优选的，所述第一功率管Q1和所述第一续流二极管D1串联方式为：所述第一功率管Q1的阴极和所述第一续流二极管D1的阳极串联。
优选的，所述第二功率管Q2和所述第二续流二极管D2串联方式为：所述第二功率管Q2的阳极和所述第二续流二极管D2的阴极串联。
优选的，所述第二功率管Q2和所述第二续流二极管D2串联方式为：所述第二功率管Q2的阴极和所述第二续流二极管D2的阳极串联。
优选的，所述第一控制输出端口与所述正向BUCK变换器的第一功率管Q1门极连接，所述第二控制输出端口与所述负向BUCK变换器的第二功率管Q2门极连接。
本发明还提供一种应用上述基于双向BUCK变换器的双向限流器的双向限流方法，包括以下步骤：
当电流从所述第一电源端流向所述第二电源端时，所述第一电流检测电路实时检测所述第一电源端到所述正向BUCK变换器之间供电线路的电流值，并将检测到的电流值发送给所述控制电路；所述控制电路判断所述电流值是否小于设定限流点，如果小于，则控制所述第一功率管Q1常通，使所述电流从所述第一电源端流向所述第二电源端；如果不小于，则以电流为控制对象，所述控制电路控制所述第一功率管Q1时通时断，得到小于设定限流点的限流电流，然后使所述限流电流从所述第一电源端流向所述第二电源端；
当电流从所述第二电源端流向所述第一电源端时，所述第二电流检测电路实时检测所述第二电源端到所述负向BUCK变换器之间供电线路的电流值，并将检测到的电流值发送给所述控制电路；所述控制电路判断所述电流值是否小于设定限流点，如果小于，则控制所述第二功率管Q2常通，使所述电流从所述第二电源端流向所述第一电源端；如果不小于，则以电流为控制对象，所述控制电路控制所述第二功率管Q2时通时断，得到小于设定限流点的限流电流，然后使所述限流电流从所述第二电源端流向所述第一电源端。
优选的，所述控制电路控制所述第一功率管Q1时通时断或所述控制电路控制所述第二功率管Q2时通时断，具体控制方法为：PWM控制方式或PFM控制方式。
本发明的有益效果如下：
本发明提供一种基于双向BUCK变换器的双向限流器及双向限流方法，通过电流检测器和控制电路结合控制双向电流值，使双向电流值在不超过设定限流点的情况下流动，具有结构简单和成本低的优点。
附图说明
图1为本发明提供的双向Buck变换器的第一种电路原理图；
图2为本发明提供的双向Buck变换器的第二种电路原理图；
图3为本发明提供的双向Buck变换器的第三种电路原理图；
图4为本发明提供的双向Buck变换器的第四种电路原理图；
图5为本发明提供的双向Buck变换器的第五种电路原理图；
图6为本发明提供的双向Buck变换器的第六种电路原理图；
图7为本发明提供的双向Buck变换器的第七种电路原理图；
图8为本发明提供的双向Buck变换器的第八种电路原理图；
图9为本发明提供的双向Buck变换器的第九种电路原理图；
图10为本发明提供的双向限流器的一种具体电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明：
(一)双向Buck变换器
由于本发明提供的双向限流器是基于双向Buck变换器的，所以，首先介绍双向Buck变换器的电路原理：
本发明提供一种双向BUCK变换器，包括正向BUCK变换器和负向BUCK变换器；正向BUCK变换器和负向BUCK变换器反向串联；并且，正向BUCK变换器和负向BUCK变换器共用相同电感L。
具体的，双向BUCK变换器包括第一电源端和第二电源端；第一电源端正极和第二电源端正极相连接形成正极线路，第一电源端负极和第二电源端负极相连接形成负极线路；电感L可以有以下三种连接方式：(1)电感L串联在正极线路；(2)电感L串联在负极线路；(3)电感L拆分为第一电感L1和第二电感L2，第一电感L1串联在正极线路，第二电感L2串联在负极线路。如图2所示，即为在正级线路和负极线路分别串联电感的电路图。
以下对正向BUCK变换器和负向BUCK变换器分别详细介绍：
(1)正向BUCK变换器
正向BUCK变换器由第一电容C1、第一功率管Q1、第一续流二极管D1和电感L组成；第一电容C1并联在第一电源端的两端；第一功率管Q1和第一续流二极管D1串联后并联在第一电容C1的两端；其中，第一续流二极管D1的阴极与正极线路连接，连接点为P1；第一续流二极管D1的阳极与负极线路连接，连接点为P2；其中，第一功率管Q1和第一续流二极管D1串联方式包括以下两种：(1)串联A方式---第一功率管Q1的阳极和第一续流二极管D1的阴极串联。(2)串联B方式---第一功率管Q1的阴极和第一续流二极管D1的阳极串联。
(2)负向BUCK变换器
负向BUCK变换器由第二电容C2、第二功率管Q2、第二续流二极管D2和电感L组成；第二电容C2并联在第二电源端的两端；第二功率管Q2和第二续流二极管D2串联后并联在第二电容C2的两端；其中，第二续流二极管D2的阴极与正极线路连接，连接点为P3；第二续流二极管D2的阳极与负极线路连接，连接点为P4；其中，第二功率管Q2和第二续流二极管D2串联方式包括以下两种：(1)串联C方式---第二功率管Q2的阳极和第二续流二极管D2的阴极串联。(2)串联D方式---第二功率管Q2的阴极和第二续流二极管D2的阳极串联。
电感L的三种连接形式为：(1)连接A形式---电感L可以串联在线路P1P3上；(2)连接B形式---电感L串联在线路P2P4上；(3)连接C形式--将电感L拆分为第一电感L1和第二电感L2，其中，第一电感L1串联在线路P1P3上，第二电感L2串联在线路P2P4上。
本发明中，第一功率管Q1和第一续流二极管D1的两种串联方式：串联A方式、串联B方式；第二功率管Q2和第二续流二极管D2的两种串联方式串联C方式、串联D方式；以及，电感L的三种连接形式：连接A形式、连接B形式和连接C形式；上式各种方式可以任意组合，例如：图1为：串联A方式+连接A形式+串联C方式；图2为：串联A方式+连接C形式+串联C方式；图3为：串联B方式+连接B形式+串联D方式；图4为：串联B方式+连接A形式+串联D方式；图5为：串联A方式+连接B形式+串联C方式；图6为：串联A方式+连接A形式+串联D方式；图7为：串联A方式+连接B形式+串联D方式；图8为：串联B方式+连接B形式+串联C方式；图9为：串联B方式+连接A形式+串联C方式。
本发明提供的双向Buck变换器，可用于同时控制正端电压、负端电压，正向电流和负向电流，有效地对系统进行电压和电流保护，而且，将正向BUCK变换器和负向BUCK变换器合并，并且，正向BUCK变换器和负向BUCK变换器共用同一个电感，因此，具有结构简单和成本低的优点。
(二)双向限流器
基于上述双向Buck变换器，本发明提供一种双向限流器，包括双向BUCK变换器、电流检测电路和控制电路；所述双向BUCK变换器包括正向BUCK变换器和负向BUCK变换器；所述正向BUCK变换器和所述负向BUCK变换器反向串联；所述正向BUCK变换器和所述负向BUCK变换器共用相同电感L；所述电流检测电路的输入端与所述双向BUCK变换器的电流输入端连接，所述电流检测电路的输出端与所述控制电路的输入端连接；所述控制电路的控制输出端口与所述双向BUCK变换器连接。
需要说明的是，本发明中，电流检测电路可以设置1个或2个或其他数量，图10示出的双向限流器中，以设置2个电流检测电路为例进行介绍，从而分别限制从左向右流向的电流，以及，从右向左流向的电流。但本领域普通技术人员可以理解，也可以只设置1个电流检测电路，例如，只设置电流检测电路1，限制从左向右流向的电流；或者，只设置电流检测电路2，限制从右向左流向的电流。本发明对设置的电流检测电路的数量并不限制，可以根据实际需要灵活设置。
具体的，电流检测电路包括第一电流检测电路和/或第二电流检测电路；所述控制电路包括第一控制输出端口和第二控制输出端口；所述第一控制输出端口与所述正向BUCK变换器的第一功率管Q1门极连接，所述第二控制输出端口与所述负向BUCK变换器的第二功率管Q2门极连接。本发明中，控制器可以为单片机、DSP控制器或CPU控制器等。
应用上述双向限流器，本发明还提供一种双向限流方法，包括以下步骤：
当电流从所述第一电源端流向所述第二电源端时，所述第一电流检测电路实时检测所述第一电源端到所述正向BUCK变换器之间供电线路的电流值，并将检测到的电流值发送给所述控制电路；所述控制电路判断所述电流值是否小于设定限流点，如果小于，则控制所述第一功率管Q1常通，使所述电流从所述第一电源端流向所述第二电源端；如果不小于，则以电流为控制对象，所述控制电路控制所述第一功率管Q1时通时断，得到小于设定限流点的限流电流，然后使所述限流电流从所述第一电源端流向所述第二电源端；
当电流从所述第二电源端流向所述第一电源端时，所述第二电流检测电路实时检测所述第二电源端到所述负向BUCK变换器之间供电线路的电流值，并将检测到的电流值发送给所述控制电路；所述控制电路判断所述电流值是否小于设定限流点，如果小于，则控制所述第二功率管Q2常通，使所述电流从所述第二电源端流向所述第一电源端；如果不小于，则以电流为控制对象，所述控制电路控制所述第二功率管Q2时通时断，得到小于设定限流点的限流电流，然后使所述限流电流从所述第二电源端流向所述第一电源端。其中，控制电路控制所述第一功率管Q1时通时断或所述控制电路控制所述第二功率管Q2时通时断，具体控制方法为：PWM控制方式或PFM控制方式。
本发明提供一种基于双向BUCK变换器的双向限流器及双向限流方法，通过电流检测器和控制电路结合控制双向电流值，使双向电流值在不超过设定限流点的情况下流动，具有结构简单和成本低的优点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种应用基于双向BUCK变换器的双向限流器的双向限流方法，其特征在于，基于双向BUCK变换器的双向限流器，包括双向BUCK变换器、电流检测电路和控制电路；所述双向BUCK变换器包括正向BUCK变换器和负向BUCK变换器；所述正向BUCK变换器和所述负向BUCK变换器反向串联；所述正向BUCK变换器和所述负向BUCK变换器共用相同电感L；所述电流检测电路的输入端与所述双向BUCK变换器的电流输入端连接，所述电流检测电路的输出端与所述控制电路的输入端连接；所述控制电路的控制输出端口与所述双向BUCK变换器连接；
所述电流检测电路包括第一电流检测电路和第二电流检测电路；所述控制电路包括第一控制输出端口和第二控制输出端口；所述双向BUCK变换器包括第一电源端和第二电源端；所述第一电源端正极和所述第二电源端正极相连接形成正极线路，所述第一电源端负极和所述第二电源端负极相连接形成负极线路；所述电感L拆分为第一电感L1和第二电感L2，所述第一电感L1串联在所述正极线路，所述第二电感L2串联在所述负极线路；
所述正向BUCK变换器由第一电容C1、第一功率管Q1、第一续流二极管D1和所述电感L组成；所述第一电容C1并联在所述第一电源端的两端；所述第一功率管Q1和所述第一续流二极管D1串联后并联在所述第一电容C1的两端；其中，所述第一续流二极管D1的阴极与所述正极线路连接，连接点为P1；所述第一续流二极管D1的阳极与所述负极线路连接，连接点为P2；
所述负向BUCK变换器由第二电容C2、第二功率管Q2、第二续流二极管D2和所述电感L组成；所述第二电容C2并联在所述第二电源端的两端；所述第二功率管Q2和所述第二续流二极管D2串联后并联在所述第二电容C2的两端；其中，所述第二续流二极管D2的阴极与所述正极线路连接，连接点为P3；所述第二续流二极管D2的阳极与所述负极线路连接，连接点为P4；
所述第一电感L1串联在线路P1P3上，所述第二电感L2串联在线路P2P4上；
方法包括以下步骤：
当电流从所述第一电源端流向所述第二电源端时，所述第一电流检测电路实时检测所述第一电源端到所述正向BUCK变换器之间供电线路的电流值，并将检测到的电流值发送给所述控制电路；所述控制电路判断所述电流值是否小于设定限流点，如果小于，则控制所述第一功率管Q1常通，使所述电流从所述第一电源端流向所述第二电源端；如果不小于，则以电流为控制对象，所述控制电路控制所述第一功率管Q1时通时断，得到小于设定限流点的限流电流，然后使所述限流电流从所述第一电源端流向所述第二电源端；
当电流从所述第二电源端流向所述第一电源端时，所述第二电流检测电路实时检测所述第二电源端到所述负向BUCK变换器之间供电线路的电流值，并将检测到的电流值发送给所述控制电路；所述控制电路判断所述电流值是否小于设定限流点，如果小于，则控制所述第二功率管Q2常通，使所述电流从所述第二电源端流向所述第一电源端；如果不小于，则以电流为控制对象，所述控制电路控制所述第二功率管Q2时通时断，得到小于设定限流点的限流电流，然后使所述限流电流从所述第二电源端流向所述第一电源端。
2.根据权利要求1所述的应用基于双向BUCK变换器的双向限流器的双向限流方法，其特征在于，所述控制电路控制所述第一功率管Q1时通时断或所述控制电路控制所述第二功率管Q2时通时断，具体控制方法为：PFM控制方式。
3.根据权利要求1所述的应用基于双向BUCK变换器的双向限流器的双向限流方法，其特征在于，所述第一功率管Q1和所述第一续流二极管D1串联方式为：所述第一功率管Q1的阳极和所述第一续流二极管D1的阴极串联。
4.根据权利要求1所述的应用基于双向BUCK变换器的双向限流器的双向限流方法，其特征在于，所述第一功率管Q1和所述第一续流二极管D1串联方式为：所述第一功率管Q1的阴极和所述第一续流二极管D1的阳极串联。
5.根据权利要求1所述的应用基于双向BUCK变换器的双向限流器的双向限流方法，其特征在于，所述第二功率管Q2和所述第二续流二极管D2串联方式为：所述第二功率管Q2的阳极和所述第二续流二极管D2的阴极串联。
6.根据权利要求1所述的应用基于双向BUCK变换器的双向限流器的双向限流方法，其特征在于，所述第二功率管Q2和所述第二续流二极管D2串联方式为：所述第二功率管Q2的阴极和所述第二续流二极管D2的阳极串联。
7.根据权利要求1所述的应用基于双向BUCK变换器的双向限流器的双向限流方法，其特征在于，所述第一控制输出端口与所述正向BUCK变换器的第一功率管Q1门极连接，所述第二控制输出端口与所述负向BUCK变换器的第二功率管Q2门极连接。
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