CN103916017A - 一种宽电压宽负载范围的直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽电压宽负载范围的直流变换器，属于电力电子变换器技术领域，包括DSP芯片、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管、第一变压器、第二电压器、驱动电路、第一采样电路、第二采样电路、第三采样电路、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电容及第四电容，本直流变换器以全桥拓扑为基础并增加部分设计电路和控制电路，克服了以往直流变换器采用全桥拓扑时的电压范围、负载范围窄的缺点，有效的拓宽了电压范围和负载范围，特别适用于电压、负载不断变化的领域，如新能源发电领域和电动汽车领域。

Description

一种宽电压宽负载范围的直流变换器

技术领域

本发明属于电力电子变换器技术领域，尤其涉及一种宽电压宽负载范围的直流变换器。

背景技术

随着非再生资源如煤炭、石油天然气的不断消耗，据估计这些非再生资源将在几十年后消耗殆尽；同时非再生资源在使用的过程中造成大量的污染，对大气、土壤等造成严重污染，这些环境污染对人类的健康构成的极大的威胁，特别是今年来频发的雾霾天气对出行、交通、健康造成了重大影响。

解决这种窘境的根本途径是减少非再生资源的使用，发展可再生能源，因此新能源发电和电动汽车应运而生。新能源发电利用风能、太阳能、地热、潮汐等资源进行发电，新能源发电的不足之处在于：由于风能、电能等这些资源的非持续性、变化较大，因此输出电压变化较大，从而影响系统的正常工作，同时使系统的效率降低。电动汽车由于使用清洁的能源-电力，大大减少了对燃油的消耗而且环境造成污染，从而备受青睐，但是对于制动能量的回收还不够充分，制动时反电动势的大小不断变化，致使能量的回收效率偏低，同时电动汽车负载也是经常变化的，也会使变换器的效率降低。现有直流变换器不能实现能量的双向流动或者电压范围、负载范围窄等缺点，都造成了能量的浪费，以及器件的发热，危机系统的安全。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种宽电压宽负载范围的直流变换器，该变换器可以有效的拓宽电压范围及负载范围。

为达到上述目的，本发明所述的宽电压宽负载范围的直流变换器包括DSP芯片、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管、第一变压器、第二变压器、驱动电路、第一采样电路、第二采样电路、第三采样电路、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电容及第四电容；

所述第一MOS管的漏极及第三MOS管的漏极均与低压侧相连接，第一MOS管的源极和第二MOS管的漏极连接，第三MOS管的源极和第四MOS管的漏极连接，第二MOS管的源极与第四MOS管的源极均接地；

所述第一变压器中初级绕组一端通过第一电感与第一MOS管的源极相连接，第一变压器中初级绕组的另一端与第二变压器中初级绕组的一端相连接，第二变压器中初级绕组的另一端与第四MOS管的漏极相连接，第一变压器中次级绕组的一端与第六MOS管的漏极相连接，第一变压器中次级绕组的另一端与第二变压器中次级绕组的一端、第一电容的一端以及第二电容的一端相连接，第二变压器中次级绕组的另一端与第八MOS管的漏极相连接，第一电容的另一端与第七MOS管的漏极相连接，第二电容的另一端接地；

所述第二电感的一端与第五MOS管的漏极及第七MOS管的漏极相连接，第二电感的另一端与高压侧相连接，第五MOS管的源极与第六MOS管的漏极相连接，第七MOS管的源极与第八MOS管的漏极相连接，第六MOS管的源极和第八MOS管的源极均接地；第三电容的正极与高压侧，第三电容的负极接地，第四电容的正极与低压侧相连接，第四电容的负极接地；

所述第一采样电路的输入端与低压侧相连接，第二采样电路的输入端与第八MOS管的源极相连接，第三采样电路的输入端与高压侧相连接，第一采样电路的输出端、第二采样电路的输出端及第三采样电路的输出端均与DSP芯片的输入端相连接，DSP芯片上设有八个输出端，DSP芯片上的八个输出端通过驱动电路分别与第一MOS管的栅极、第二MOS管的栅极、第三MOS管的栅极、第四MOS管的栅极、第五MOS管的栅极、第六MOS管的栅极、第七MOS管的栅极及第八MOS管的栅极。

还包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五电容、第六电容、第七电容及第八电容；

所述第一MOS管的漏极与第一二极管的阴极及第五电容的一端相连接，第一MOS管的源极与第一二极管的阳极及第五电筒的另一端相连接；

所述第二MOS管的漏极与第二二极管的阴极及第六电容的一端相连接，第二MOS管的源极与第二二极管的阳极及第六电容的另一端相连接；

所述第三MOS管的漏极与第三二极管的阴极及第七电容的一端相连接，第三MOS管的源极与第三二极管的阳极及第七电容的另一端相连接；

所述第四MOS管的漏极与第四二极管的阴极及第八电容的一端相连接，第四MOS管的源极与第四二极管的阳极及第八电容的另一端相连接。

还包括第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管，第九电容、第十电容、第十一电容、第十二电容；

所述第五MOS管的漏极与第五二极管的阴极及第九电容的一端相连接，第五MOS管的源极与第五二极管的阳极及第九电容的另一端相连接；

所述第六MOS管的漏极与第六二极管的阴极及第十电容的一端相连接，第六MOS管的源极与第六二极管的阳极及第十电容的另一端相连接；

所述第七MOS管的漏极与第七二极管的阴极及第十一电容的一端相连接，第七MOS管的源极与第七二极管的阳极及第十一电容的另一端相连接；

所述第八MOS管的漏极与第八二极管的阴极及第十二电容的一端相连接，第八MOS管的源极与第八二极管的阳极及第十二电容的另一端相连接。

所述第三电容及第四电容均为电解电容。

本发明的一种宽电压宽负载范围的直流变换器，具有以下有益效果：

本发明所述的宽电压负载范围的直流变换器在工作过程中，通过第一采样电路采集低压侧的电流信息，通过第二采集电路采集第二MOS管的源极处、第四MOS管的源极处、第六MOS管的源极处及第八MOS管的源极处的电流信息，同时通过第三采样电路采集高压侧的电流信息，DSP芯片再根据采集到的各电流信息通过驱动电路来控制第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管及第八MOS管，从实现电压的调整，克服了以往直流变换器采用全桥拓扑时的电压范围、负载范围窄的缺点，有效的拓宽了电压范围和负载范围，特别适用于电压、负载不断变化的领域，同时在升压及降压的过程中具有较高的转换效率。

附图说明

图1为本发明的电路图；

图2为本发明在电路工作过程中的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施做详细的阐述。

如图1所示，本发明所述的宽电压宽负载范围的直流变换器包括DSP芯片、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、第七MOS管Q7、第八MOS管Q8、第一变压器T1、第二变压器T2、驱动电路、第一采样电路、第二采样电路、第三采样电路、第一电感Lr、第二电感Lf、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C_f及第四电容Cb；所述第一MOS管Q1的漏极及第三MOS管Q3的漏极均与低压侧V1相连接，第一MOS管Q1的源极和第二MOS管Q2的漏极连接，第三MOS管Q3的源极和第四MOS管Q4的漏极连接，第二MOS管Q2的源极与第四MOS管Q4的源极均接地；所述第一变压器T1中初级绕组的一端通过第一电感Lr与第一MOS管Q1的源极相连接，第一变压器T1中初级绕组的另一端与第二变压器T2中初级绕组的一端相连接，第二变压器T2中初级绕组的另一端与第四MOS管Q4的漏极相连接，第一变压器T1中次级绕组的一端与第六MOS管Q6的漏极相连接，第一变压器T1中次级绕组的另一端与第二变压器T2中次级绕组的一端、第一电容C1的一端以及第二电容C2的一端相连接，第二变压器T2中次级绕组的另一端与第八MOS管Q8的漏极相连接，第一电容C1的另一端与第七MOS管Q7的漏极相连接，第二电容C2的另一端接地；所述第二电感Lf的一端与第五MOS管Q5的漏极及第七MOS管Q7的漏极相连接，第二电感Lf的另一端与高压侧V2相连接，第五MOS管Q5的源极与第六MOS管Q6的漏极相连接，第七MOS管Q7的源极与第八MOS管Q8的漏极相连接，第六MOS管Q6的源极和第八MOS管Q8的源极均接地；第三电容C_f的正极与高压侧V2，第三电容C_f的负极接地，第四电容Cb的正极与低压侧V1相连接，第四电容Cb的负极接地；所述第一采样电路的输入端与低压侧V1相连接，第二采样电路的输入端与第八MOS管Q8的源极相连接，第三采样电路的输入端与高压侧V2相连接，第一采样电路的输出端、第二采样电路的输出端及第三采样电路的输出端均与DSP芯片的输入端相连接，DSP芯片上设有八个输出端，DSP芯片上的八个输出端通过驱动电路分别与第一MOS管Q1的栅极、第二MOS管Q2的栅极、第三MOS管Q3的栅极、第四MOS管Q4的栅极、第五MOS管Q5的栅极、第六MOS管Q6的栅极、第七MOS管Q7的栅极及第八MOS管Q8的栅极。

另外，本发明还包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五电容C3、第六电容C4、第七电容C5、第八电容C6、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8，第九电容C7、第十电容C8、第十一电容C9及第十二电容C10；

所述第一MOS管Q1的漏极与第一二极管D1的阴极及第五电容C3的一端相连接，第一MOS管Q1的源极与第一二极管D1的阳极及第五电筒C3的另一端相连接；所述第二MOS管Q2的漏极与第二二极管D2的阴极及第六电容C4的一端相连接，第二MOS管Q2的源极与第二二极管D2的阳极及第六电容C4的另一端相连接；所述第三MOS管Q3的漏极与第三二极管D3的阴极及第七电容C5的一端相连接，第三MOS管Q3的源极与第三二极管D3的阳极及第七电容C5的另一端相连接；所述第四MOS管Q4的漏极与第四二极管D4的阴极及第八电容C6的一端相连接，第四MOS管Q4的源极与第四二极管D4的阳极及第八电容C6的另一端相连接。

所述第五MOS管Q5的漏极与第五二极管D5的阴极及第九电容C7的一端相连接，第五MOS管Q5的源极与第五二极管D5的阳极及第九电容C7的另一端相连接；所述第六MOS管Q6的漏极与第六二极管D6的阴极及第十电容C8的一端相连接，第六MOS管Q6的源极与第六二极管D6的阳极及第十电容C8的另一端相连接；所述第七MOS管Q7的漏极与第七二极管D7的阴极及第十一电容C9的一端相连接，第七MOS管Q7的源极与第七二极管D7的阳极及第十一电容C9的另一端相连接；所述第八MOS管Q8的漏极与第八二极管D8的阴极及第十二电容C10的一端相连接，第八MOS管Q8的源极与第八二极管D8的阳极及第十二电容C10的另一端相连接，第三电容C_f及第四电容Cb均为电解电容。

所述DSP芯片通过第一采样电路、第二采样电路、第三采样电路及驱动电路对整个电路进行检测及控制的过程中，DSP芯片对采集的数据按照预先编好的程序进行运算，调节各MOS管的占空比，从而调节各MOS管的输出电压，当电路出现故障等异常情况时实现对电路的保护。

下面，以放电模式即功率由低压侧到高压侧流动为例，对其控制原理进行详细说明，电路工作波形如图2所示：

t₀-t₁：t=t₀时，第一电感L_r的电流为负，第一MOS管Q1零电压开通，t₀-t₁期间，V_AB=V₁/2，V_DE=V₂/2，V_FE=-V₂/2，由于V_CB电压等于副边电压之和乘以匝比n，因此V_CB=0，第一电感L_r给第五电容C3充电，第一电感L_r的电流减小，第一电容C1向第二电容C2放电。

t₁-t₂：V_AB仍然等于V₁/2，V_CB=0，第一电感L_r的电流为正并增大，第一电感L_r储能，第五MOS管Q5零电压开通，第二电容C2反过来向第一电容C1放电。

t₂-t₃：t=t₂时，第五MOS管Q5零电压开通，V_DE变为正的V₂/2，V_CB=V₂大于V₁，第一电感L_r为第一电容C1充电。

t₃-t₄：t=t₃时，第一电感L_r的电流变负，第一电感L_r储能，能量从第一电容C1传到第四电容C_b，第六MOS管Q6零电压开通，t₃-t₄这段时间应该足够长，以使完成能量由低压侧向高压侧的传递。

t₄-t₅：t=t₄，第六MOS管Q6零电压开通。V_DE=-V₂/2，V_CB=0，第一电感L_r为第四电容C_b充电，第一电感L_r的电流减小，第一电容C1向第二电容C2放电。

t₅-t₆：第一电感L_r的电流为正，储存的能量用于使第四MOS管Q4零电压开通，第二电容C2反过来向第一电容C1放电。

t₆-t₇：t=t₆时，第四MOS管Q4零电压开通，V_AB等于-V₁/2。

t₇-t₈：第八电容C6放电，第一电感L_r储能，第一电感L_r的电流为负，为第七MOS管Q7零电压开通提供条件，关断，V_CB=0，第一电容C1向第二电容C2放电。

以此类似，在放电模式下，电路具有同样的工作过程。

系统设计目标是能够根据实际需求或自动判断电路工作状态，选择工作模式，该电路拓扑配合控制电路，有效的拓宽了电压范围和负载范围。

系统采用高性能的DSP芯片进行控制，采样电路对高压端、低压端的电压、电流进行采样，采样数据进入DSP芯片后首先进行模数转换，然后根据事先编好的算法对数据进行处理，从而调节PWM的占空比，PWM经驱动电路后对开关管进行控制，对输出进行调节，如果采样数据异常，说明电路发生了故障，此时能够封锁所有开关管，实现对电路的保护。

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做的修改、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)

1.一种宽电压宽负载范围的直流变换器，其特征在于，包括DSP芯片、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)、第七MOS管(Q7)、第八MOS管(Q8)、第一变压器(T1)、第二变压器(T2)、驱动电路、第一采样电路、第二采样电路、第三采样电路、第一电感(Lr)、第二电感(Lf)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C_f)及第四电容(Cb)；

所述第一MOS管(Q1)的漏极及第三MOS管(Q3)的漏极均与低压侧(V1)相连接，第一MOS管(Q1)的源极和第二MOS管(Q2)的漏极连接，第三MOS管(Q3)的源极和第四MOS管(Q4)的漏极连接，第二MOS管(Q2)的源极与第四MOS管(Q4)的源极均接地；

所述第一变压器(T1)中初级绕组的一端通过第一电感(Lr)与第一MOS管(Q1)的源极相连接，第一变压器(T1)中初级绕组的另一端与第二变压器(T2)中初级绕组的一端相连接，第二变压器(T2)中初级绕组的另一端与第四MOS管(Q4)的漏极相连接，第一变压器(T1)中次级绕组的一端与第六MOS管(Q6)的漏极相连接，第一变压器(T1)中次级绕组的另一端与第二变压器(T2)中次级绕组的一端、第一电容(C1)的一端以及第二电容(C2)的一端相连接，第二变压器(T2)中次级绕组的另一端与第八MOS管(Q8)的漏极相连接，第一电容(C1)的另一端与第七MOS管(Q7)的漏极相连接，第二电容(C2)的另一端接地；

所述第二电感(Lf)的一端与第五MOS管(Q5)的漏极及第七MOS管(Q7)的漏极相连接，第二电感(Lf)的另一端与高压侧(V2)相连接，第五MOS管(Q5)的源极与第六MOS管(Q6)的漏极相连接，第七MOS管(Q7)的源极与第八MOS管(Q8)的漏极相连接，第六MOS管(Q6)的源极和第八MOS管(Q8)的源极均接地；第三电容(C_f)的正极与高压侧(V2)，第三电容(C_f)的负极接地，第四电容(Cb)的正极与低压侧(V1)相连接，第四电容(Cb)的负极接地；

所述第一采样电路的输入端与低压侧(V1)相连接，第二采样电路的输入端与第八MOS管(Q8)的源极相连接，第三采样电路的输入端与高压侧(V2)相连接，第一采样电路的输出端、第二采样电路的输出端及第三采样电路的输出端均与DSP芯片的输入端相连接，DSP芯片上设有八个输出端，DSP芯片上的八个输出端通过驱动电路分别与第一MOS管(Q1)的栅极、第二MOS管(Q2)的栅极、第三MOS管(Q3)的栅极、第四MOS管(Q4)的栅极、第五MOS管(Q5)的栅极、第六MOS管(Q6)的栅极、第七MOS管(Q7)的栅极及第八MOS管(Q8)的栅极。

2.根据权利要求1所述的宽电压宽负载范围的直流变换器，其特征在于，还包括第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五电容(C3)、第六电容(C4)、第七电容(C5)及第八电容(C6)；

所述第一MOS管(Q1)的漏极与第一二极管(D1)的阴极及第五电容(C3)的一端相连接，第一MOS管(Q1)的源极与第一二极管(D1)的阳极及第五电筒(C3)的另一端相连接；

所述第二MOS管(Q2)的漏极与第二二极管(D2)的阴极及第六电容(C4)的一端相连接，第二MOS管(Q2)的源极与第二二极管(D2)的阳极及第六电容(C4)的另一端相连接；

所述第三MOS管(Q3)的漏极与第三二极管(D3)的阴极及第七电容(C5)的一端相连接，第三MOS管(Q3)的源极与第三二极管(D3)的阳极及第七电容(C5)的另一端相连接；

所述第四MOS管(Q4)的漏极与第四二极管(D4)的阴极及第八电容(C6)的一端相连接，第四MOS管(Q4)的源极与第四二极管(D4)的阳极及第八电容(C6)的另一端相连接。

3.根据权利要求2所述的宽电压宽负载范围的直流变换器，其特征在于，还包括第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、第七二极管(D7)、第八二极管(D8)，第九电容(C7)、第十电容(C8)、第十一电容(C9)、第十二电容(C10)；

所述第五MOS管(Q5)的漏极与第五二极管(D5)的阴极及第九电容(C7)的一端相连接，第五MOS管(Q5)的源极与第五二极管(D5)的阳极及第九电容(C7)的另一端相连接；

所述第六MOS管(Q6)的漏极与第六二极管(D6)的阴极及第十电容(C8)的一端相连接，第六MOS管(Q6)的源极与第六二极管(D6)的阳极及第十电容(C8)的另一端相连接；

所述第七MOS管(Q7)的漏极与第七二极管(D7)的阴极及第十一电容(C9)的一端相连接，第七MOS管(Q7)的源极与第七二极管(D7)的阳极及第十一电容(C9)的另一端相连接；

所述第八MOS管(Q8)的漏极与第八二极管(D8)的阴极及第十二电容(C10)的一端相连接，第八MOS管(Q8)的源极与第八二极管(D8)的阳极及第十二电容(C10)的另一端相连接。

4.根据权利要求1所述的宽电压宽负载范围的直流变换器，其特征在于，所述第三电容(C_f)及第四电容(Cb)均为电解电容。