CN106033931A - 双向dc-dc变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双向DC‑DC变换器及其控制方法，所述双向DC‑DC变换器包括：包括可充电电池和变压器的全桥变换器或推挽变换器；第一绕组；第二绕组；可控单向导电装置；整流滤波电路；相连的第一电容和第二电容；相连的第一开关管和第二开关管；以及开关装置。所述开关装置用于在放电模式中使得所述整流滤波电路与所述第一电容和第二电容构成放电路径，以及在充电模式中使得所述第一电容、第二电容、第一开关管和第二开关管构成对所述可充电电池进行充电的半桥逆变器。本发明的双向DC‑DC变换器成本低。

Description

双向DC-DC变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种双向DC-DC变换器及其控制方法。

背景技术

双向DC-DC变换器是一种能够根据实际需要调节能量双向传输的直流变换器。其在不间断电源系统、航空电源系统、蓄电池储能、电动汽车和混合能源动力汽车等场合得到了广泛应用。

现有技术采用图1、图2或图3所示的DC-DC变换器和充电器15(在图1-3中仅以方框示出)在不间断电源系统中实现可充电电池B和直流母线(图1-3中未示出)中的电能的双向传输。图1-3中的DC-DC变换器都包括整流滤波电路12、串联的电容C1和电容C2。区别在于图1、2和3分别还包括推挽变换器11、全桥变换器21和半桥变换器41。推挽变换器11、全桥变换器21和半桥变换器41都是现有技术中将直流转换为交流的经典电路，其具体结构在此不再赘述。

如图1-3所示，整流滤波电路12包括全桥整流电路和连接在全桥整流电路的输出端的滤波电感，整流滤波电路12的输入端连接至变压器Tr的二次侧，且输出端连接至串联的电容C1、C2的两端。电容C1、C2的中间节点连接至变压器Tr的二次侧的中心抽头。

推挽变换器11、全桥变换器21或半桥变换器41工作时将可充电电池B的直流电转换为升压的交流电输出；整流滤波电路12将交流电经过整流和滤波后输出至电容C1、C2上，从而实现了将可充电电池B中的直流电升压为所需的直流电。充电器15工作时利用电容C1、C2中的电能对可充电电池B进行充电。

但是，由DC-DC变换器和充电器15构成的双向DC-DC变换器所使用的元器件数目多、成本高。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是提供一种元器件数目少、成本低的双向DC-DC变换器。

本发明的一个实施例提供了一种双向DC-DC变换器，包括：

全桥变换器或推挽变换器，其包括可充电电池和变压器，所述变压器的一次侧包括第一端子和第二端子；

第一绕组，所述第一绕组的一个端子电连接至所述第一端子；

第二绕组，所述第二绕组的一个端子电连接至所述第二端子；

可控单向导电装置，用于在放电模式中断开所述可充电电池的负极与所述第一绕组的另一端子和第二绕组的另一端子的电连接，以及在充电模式中形成从所述可充电电池的负极到所述第一绕组的另一端子的单向导电路径以及从所述可充电电池的负极到所述第二绕组的另一端子的单向导电路径；

与所述变压器的二次侧相连的整流滤波电路；

相连的第一电容和第二电容；

相连的第一开关管和第二开关管；以及

开关装置，用于在放电模式中使得所述整流滤波电路与所述第一电容和第二电容构成放电路径，以及在充电模式中使得所述第一电容、第二电容、第一开关管和第二开关管构成对所述可充电电池进行充电的半桥逆变器。

优选的，所述可控单向导电装置包括第一二极管、第二二极管和充电开关，所述第一二极管的阳极和第二二极管的阳极相连接的节点通过所述充电开关连接至所述可充电电池的负极。

优选的，所述双向DC-DC变换器还包括与所述充电开关串联的电感。

优选的，所述双向DC-DC变换器还包括与所述第一开关管和第二开关管的节点电连接的电容，用于隔离所述半桥逆变器的输出端的直流分量。

优选的，所述开关装置可选择地使得所述整流滤波电路的输出端或由所述第一开关管和第二开关管构成的桥臂的两端连接至所述相连的第一电容和第二电容的两端。

优选的，所述开关装置可选择地使得所述变压器的二次侧连接至所述整流滤波电路的输入端或使得所述变压器的二次侧的部分绕组连接至所述半桥逆变器的输出端。

本发明的一个实施例提供了一种双向DC-DC变换器的控制方法，控制所述可控单向导电装置以断开所述可充电电池的负极与所述第一绕组的另一端子和第二绕组的另一端子的电连接，控制所述开关装置使得整流滤波电路与所述第一电容和第二电容构成放电路径，控制所述全桥变换器或推挽变换器工作。

本发明的另一个实施例提供了一种双向DC-DC变换器的控制方法，控制所述可控单向导电装置形成从所述可充电电池的负极到所述第一绕组的另一端子的单向导电路径以及从所述可充电电池的负极到所述第二绕组的另一端子的单向导电路径，控制所述开关装置使得所述第一电容、第二电容、第一开关管和第二开关管构成对所述可充电电池进行充电的半桥逆变器，控制所述半桥逆变器工作。

本发明的一个实施例提供了另一种双向DC-DC变换器，包括：

半桥变换器，其包括可充电电池、第一充电电容、第二充电电容、两个开关管和变压器，所述变压器的一次侧包括与所述两个开关管的节点电连接的第一端子和与所述第一充电电容和第二充电电容的节点电连接的第二端子；

绕组，所述绕组的一个端子连接至所述第一端子；

可控单向导电装置，用于在放电模式中断开所述绕组的另一端子与所述可充电电池的正极和负极的电连接，以及在充电模式中形成从所述绕组的另一端子到所述可充电电池的正极的单向导电路径以及从所述可充电电池的负极到所述绕组的另一端子的单向导电路径；

与所述变压器的二次侧相连的整流滤波电路；

相连的第一电容和第二电容；

相连的第一开关管和第二开关管；以及

开关装置，用于在放电模式中使得所述整流滤波电路与所述第一电容和第二电容构成放电路径，以及在充电模式中使得所述第一电容、第二电容、第一开关管和第二开关管构成对所述可充电电池进行充电的半桥逆变器。

优选的，所述可控单向导电装置包括第一二极管、第二二极管和充电开关，所述第一二极管的阳极和第二二极管的阴极相连接的节点通过所述充电开关连接至所述绕组的另一端子，所述可充电电池的正极和负极分别连接至所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极。

优选的，所述双向DC-DC变换器还包括与所述充电开关串联的电感。

优选的，所述双向DC-DC变换器还包括与所述第一开关管和第二开关管的节点电连接的电容，用于隔离所述半桥逆变器的输出端的直流分量。

优选的，所述开关装置可选择地使得所述整流滤波电路的输出端或由所述第一开关管和第二开关管构成的桥臂的两端连接至所述相连的第一电容和第二电容的两端。

优选的，所述开关装置可选择地使得所述变压器的二次侧连接至所述整流滤波电路的输入端或使得所述变压器的二次侧的部分绕组连接至所述半桥逆变器的输出端。

本发明的一个实施例提供了一种双向DC-DC变换器的控制方法，控制所述可控单向导电装置以断开所述绕组的另一端子与所述可充电电池的正极和负极的电连接，控制所述开关装置使得整流滤波电路与所述第一电容和第二电容构成放电路径，控制所述半桥变换器工作。

本发明的又一个实施例提供了一种双向DC-DC变换器的控制方法，控制所述可控单向导电装置形成从所述绕组的另一端子到所述可充电电池的正极的单向导电路径以及从所述可充电电池的负极到所述绕组的另一端子的单向导电路径，控制所述开关装置使得所述第一电容、第二电容、第一开关管和第二开关管构成对所述可充电电池进行充电的半桥逆变器，控制所述半桥逆变器工作。

本发明的另一个实施例提供了一种双向DC-DC变换器，包括：

全桥变换器，其包括可充电电池和变压器，所述变压器的一次侧包括第一端子和第二端子；

绕组，所述绕组的一个端子连接至所述第一端子；

可控单向导电装置，用于在放电模式中断开所述绕组的另一端子与所述可充电电池的正极和负极的电连接，以及在充电模式中形成从所述绕组的另一端子到所述可充电电池的正极的单向导电路径以及从所述可充电电池的负极到所述绕组的另一端子的单向导电路径；

与所述变压器的二次侧相连的整流滤波电路；

相连的第一电容和第二电容；

相连的第一开关管和第二开关管；以及

开关装置，用于在放电模式中使得所述整流滤波电路与所述第一电容和第二电容构成放电路径，以及在充电模式中使得所述第一电容、第二电容、第一开关管和第二开关管构成对所述可充电电池进行充电的半桥逆变器。

优选的，所述可控单向导电装置包括第一二极管、第二二极管和充电开关，所述第一二极管的阳极和第二二极管的阴极相连接的节点通过所述充电开关连接至所述绕组的另一端子，所述可充电电池的正极和负极分别连接至所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极。

优选的，所述双向DC-DC变换器还包括与所述充电开关串联的电感。

优选的，所述双向DC-DC变换器还包括与所述第一开关管和第二开关管的节点电连接的电容，用于隔离所述半桥逆变器的输出端的直流分量。

优选的，所述开关装置可选择地使得所述整流滤波电路的输出端或由所述第一开关管和第二开关管构成的桥臂的两端连接至所述相连的第一电容和第二电容的两端。

优选的，所述开关装置可选择地使得所述变压器的二次侧连接至所述整流滤波电路的输入端或使得所述变压器的二次侧的部分绕组连接至所述半桥逆变器的输出端。

本发明的一个实施例提供了一种双向DC-DC变换器的控制方法，控制所述可控单向导电装置以断开所述绕组的另一端子与所述可充电电池的正极和负极的电连接，控制所述开关装置使得整流滤波电路与所述第一电容和第二电容构成放电路径，控制所述半桥变换器工作。

本发明的又一个实施例提供了一种双向DC-DC变换器的控制方法，控制所述可控单向导电装置形成从所述绕组的另一端子到所述可充电电池的正极的单向导电路径以及从所述可充电电池的负极到所述绕组的另一端子的单向导电路径，控制所述开关装置使得所述第一电容、第二电容、第一开关管和第二开关管构成对所述可充电电池进行充电的半桥逆变器，控制所述半桥逆变器工作。

本发明的双向DC-DC变换器使用元器件数量少，成本低。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1是现有技术中的第一个DC-DC变换器的电路图。

图2是现有技术中的第二个DC-DC变换器的电路图。

图3是现有技术中的第三个DC-DC变换器的电路图。

图4是根据本发明第一个实施例的双向DC-DC变换器的电路图。

图5是图4所示的双向DC-DC变换器在可充电电池放电模式下的等效电路图。

图6是图4所示的双向DC-DC变换器在可充电电池充电模式下的等效电路图。

图7是根据本发明第二个实施例的双向DC-DC变换器的电路图。

图8是图7所示的双向DC-DC变换器在可充电电池放电模式下的等效电路图。

图9是图7所示的双向DC-DC变换器在可充电电池充电模式下的等效电路图。

图10是根据本发明第三个实施例的双向DC-DC变换器的电路图。

图11是根据本发明第四个实施例的双向DC-DC变换器的电路图。

图12是根据本发明第五个实施例的双向DC-DC变换器的电路图。

图13是根据本发明第六个实施例的双向DC-DC变换器的电路图。

图14是图13所示的双向DC-DC变换器在可充电电池放电模式下的等效电路图。

图15是图13所示的双向DC-DC变换器在可充电电池充电模式下的等效电路图。

图16是根据本发明第七个实施例的双向DC-DC变换器的电路图。

图17是根据本发明第八个实施例的双向DC-DC变换器的电路图。

图18是根据本发明第九个实施例的双向DC-DC变换器的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。

图4是根据本发明第一个实施例的双向DC-DC变换器的电路图。其与图1中的DC-DC变换器类似，区别在于，双向DC-DC变换器10还包括金氧半场效晶体管T1、T2，可控单向导电装置14，绕组W11、W12，以及开关S12。

推挽电路11中的变压器Tr的一次侧包括端子1、端子2和中心抽头3。

可控单向导电装置14包括二极管D11、D12和充电开关S11。充电开关S11的一端电连接至可充电电池B的负极，另一端连接至二极管D11、D12的阳极。与二极管D11串联的绕组W11连接至端子1，与二极管D12串联的绕组W12连接至端子2。

开关S12为双刀双掷开关，其两个公共端子分别连接至串联的电容C1、C2的两端，开关S12可选择地使得整流滤波电路12的输出端或由金氧半场效晶体管T1、T2形成的一个桥臂连接至串联的电容C1、C2的两端。金氧半场效晶体管T1、T2相连接的节点连接至变压器Tr的二次侧的一端。

以下将分别结合图5和图6描述图4的可充电电池B的放电模式和充电模式。

在放电模式下，充电开关S11断开，且切换开关S12使得整流滤波电路12的输出端连接至串联的电容C1、C2的两端，形成的等效电路图如图5所示(与图1中的DC-DC变换器相同)。基于现有的控制方法使得推挽变换器11工作，最终实现了将可充电电池B中的直流电升压为所需的直流电。

在充电模式中，充电开关S11闭合，且切换开关S12以使得变压器Tr的二次侧的部分绕组连接至由金氧半场效晶体管T1、T2和电容C1、C2构成的半桥逆变器13的输出端，形成的等效电路图如图6所示。半桥逆变器13也是现有技术中用于将直流转换为交流的经典电路，其具体连接关系在此不再赘述。如图6所示，绕组W11、W12与变压器Tr(参见图4和图5)形成了新的变压器Tr1。其中变压器Tr的二次侧的部分绕组作为变压器Tr1的一次侧，绕组W11的端子4和绕组W12的端子5作为变压器Tr1的二次侧的两个端子。

为了实现对可充电电池B进行充电，本领域的技术人员可知通过设计绕组W11、W12的匝数，以满足如下条件：端子4和中心抽头3之间的电压的最大值大于可充电电池B的电压，并且端子5和中心抽头3之间的电压的最大值大于可充电电池B的电压。因而形成一个充电回路是：可充电电池B的负极-充电开关S11-二极管D11-端子4-中心抽头3-可充电电池B的正极；以及另一个充电回路是：可充电电池B的负极-充电开关S11-二极管D12-端子5-中心抽头3-可充电电池B的正极。

基于现有的控制方法使得半桥逆变器13工作，将电容C1、C2上的直流电转换为交流电输出。通过上述两个充电回路交替对可充电电池B进行充电。

图7是根据本发明第二个实施例的双向DC-DC变换器的电路图。其与图2中的DC-DC变换器类似，区别在于，双向DC-DC变换器20还包括金氧半场效晶体管T1、T2，可控单向导电装置24，绕组W21、W22，以及开关S22。

在本实施例中，全桥变换器21中与可充电电池B的正极连接的两个金氧半场效晶体管分别与充电二极管D23和充电二极管D24反向并联连接。充电二极管D23、D24可以是独立的二极管，也可以是相应的金氧半场效晶体管的寄生二极管。

可控单向导电装置24包括二极管D21、D22和充电开关S21。充电开关S21的一端电连接至可充电电池B的负极，另一端连接至二极管D21、D22的阳极。与二极管D21串联的绕组W21连接至端子1，与二极管D22串联的绕组W22连接至端子2。

整流滤波电路12的输出端与串联的电容C1和电容C2电连接。金氧半场效晶体管T1、T2和电容C1、C2构成了半桥逆变器13，其具体连接关系在此不再赘述。

开关S22为双刀双掷开关，其两个公共端子分别连接至全桥变换器21的输出端(即变压器Tr的二次侧)，开关S22可选择地使得变压器Tr的二次侧连接至整流滤波电路12的输入端或变压器Tr的二次侧的部分绕组连接至半桥逆变器13的输出端。

以下将分别结合图8和图9描述图7的可充电电池B的放电模式和充电模式。

在放电模式下，充电开关S21断开，切换开关S22以使得变压器Tr的二次侧连接至整流滤波电路12的输入端，并且金氧半场效晶体管T1和金氧半场效晶体管T2不工作，形成了如图8所示的等效电路图(与图2中的DC-DC变换器相同)。基于现有的控制方法使得全桥变换器21工作，将可充电电池B的直流电转换为升压的交流电输出。最终实现将可充电电池B中的直流电升压为所需的直流电。

在充电模式中，充电开关S21导通，切换开关S22以使得半桥逆变器13的输出端连接至变压器Tr的二次侧的部分绕组、且使得变压器Tr的二次侧与整流滤波电路12的输入端断开连接，形成的等效电路图如图9所示。绕组W21、绕组W22和变压器Tr(参见图7和图8)形成了新的变压器Tr2。其中变压器Tr的二次侧的部分绕组作为变压器Tr2的一次侧，绕组W21的端子6和绕组W22的端子7作为变压器Tr2的二次侧的两个端子。

为了实现对可充电电池B进行充电，本领域的技术人员可知通过设计绕组W21、W22的匝数，以满足如下条件：端子6和端子2之间的电压最大值大于可充电电池B的电压，且端子1和端子7之间的电压最大值大于可充电电池B的电压。因而形成一个充电回路是：可充电电池B的负极-充电开关S21-二极管D21-端子6、2-二极管D23-可充电电池B的正极；以及另一个充电回路是：可充电电池B的负极-充电开关S21-二极管D22-端子7、1-二极管D24-可充电电池B的正极。

基于现有的控制方法使得半桥逆变器13工作，将电容C1、C2上的直流电转换为交流电输出。通过上述两个充电回路交替对可充电电池B进行充电。

结合图5和图8可知，在放电模式下，通过切换开关S12、S22的结果都是使得整流滤波电路12的输入端连接至变压器Tr的二次侧，且输出端连接至串联的电容C1、C2的两端，即使得整流滤波电路12与电容C1、电容C2构成放电路径。结合图6和图9可知，在充电模式下，通过切换开关S12、S22的结果都是使得变压器Tr的二次侧的部分绕组连接至半桥逆变器13的输出端。因此本发明的开关S12、S22包括满足上述功能的所有开关，并不限于图4和图7所示的双刀双掷开关或同时动作的两个单刀双掷开关。

图10是根据本发明第三个实施例的双向DC-DC变换器的电路图。其与图7基本相同，区别在于，双向DC-DC变换器30还包括与充电开关S21串联的电感L，以及与金氧半场效晶体管T1、T2的节点电连接的电容C；双向DC-DC变换器30中的全桥变换器31包括四个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，其中与可充电电池B的正极连接的两个IGBT分别与充电二极管D31、充电二极管D32反向并联连接。

双向DC-DC变换器30的充放电模式与双向DC-DC变换器20相同，在此不再赘述。在充电模式中，电容C用于隔离半桥逆变器13的输出端的直流分量，防止变压器Tr磁偏置；且电感L对可充电电池B的充电电流进行滤波，避免充电电流瞬间过高，有效保护线路中的元件。在实际应用中，可以根据需求在双向DC-DC变换器10、20中增加电容C和/或电感L。

图11是根据本发明第四个实施例的双向DC-DC变换器的电路图。其与图10基本相同，区别在于，双向DC-DC变换器30’中的可控单向导电装置24’包括双刀开关S21’、二极管D21和二极管D22。双刀开关S21’的公共端连接至电感L，其两个切换端分别连接至二极管D21、D22的阳极。双刀开关S21’与图10中的充电开关S21的作用相同，在此不再赘述。

图12是根据本发明第五个实施例的双向DC-DC变换器的电路图。其与图10基本相同，区别在于，双向DC-DC变换器30”中的可控单向导电装置24”包括晶闸管D21”、D22”。晶闸管D21”、D22”的阳极连接至电感L的一端，晶闸管D21”、D22”的阴极分别连接至端子6、端子7。在放电模式下，控制晶闸管D21”、D22”截止。在充电模式下，控制晶闸管D21”、D22”导通。

在本发明的其他实施例中，可以将图4中的可控单向导电装置14替换为可控单向导电装置24’或可控单向导电装置24”。可以将图7中的可控单向导电装置24替换为可控单向导电装置24’或可控单向导电装置24”。

在放电模式下，通过控制可控单向导电装置14、24、24’、24”的结果都是断开可充电电池B的负极与端子6和端子7的电连接。在充电模式中，通过控制可控单向导电装置14、24、24’、24”的结果都是使得可充电电池B中的充电电流交替流向端子6和端子7。因此本发明的可控单向导电装置包括满足上述功能的所有单向导电装置。

图13是根据本发明第六个实施例的双向DC-DC变换器的电路图。其与图3中的DC-DC变换器类似，区别在于，双向DC-DC变换器40还包括金氧半场效晶体管T1、T2，可控单向导电装置44，绕组W41，以及开关S22。

从图13可看出，变压器Tr的二次侧的电路与图7完全相同，图7与图13的区别在于变压器Tr的一次侧的电路的结构。

半桥变换器41包括可充电电池B，充电电容C41、C42，两个金氧半场效晶体管，以及变压器Tr。变压器Tr的一次侧包括端子1和端子2，端子1连接至两个金氧半场效晶体管的节点，端子2连接至充电电容C41和充电电容C42的节点。

可控单向导电装置44包括二极管D41、D42和充电开关S41。绕组W41的一个端子连接至端子1，且另一端子8通过充电开关S41与二极管D41的阳极和二极管D42的阴极连接。可充电电池B的正极和负极分别连接至二极管D41的阴极和二极管D42的阳极。

以下将分别结合图14和图15描述图13的可充电电池B的放电模式和充电模式。

在放电模式下，充电开关S41断开，切换开关S22以使得变压器Tr的二次侧连接至整流滤波电路12的输入端，并且金氧半场效晶体管T1和金氧半场效晶体管T2不工作，形成了如图14所示的等效电路图(与图3中的DC-DC变换器相同)。基于现有的控制方法使得半桥变换器41工作，将可充电电池B的直流电转换为升压的交流电输出。最终实现将可充电电池B中的直流电升压为所需的直流电。

在充电模式中，充电开关S41导通，切换开关S22以使得半桥逆变器13的输出端连接至变压器Tr的二次侧的部分绕组、且使得变压器Tr的二次侧与整流滤波电路12的输入端断开连接，形成的等效电路图如图15所示。绕组W41和变压器Tr(参见图13和图14)形成了新的变压器Tr4。其中变压器Tr的二次侧的部分绕组作为变压器Tr4的一次侧，绕组W41的端子8和变压器Tr的一次侧的端子2作为变压器Tr4的二次侧的两个端子。

充电开关S41导通时，变压器Tr4的二次侧、二极管D41和充电电容C41构成了一充电回路；且二极管D42、变压器Tr4的二次侧和充电电容C42构成了另一充电回路。

基于现有的控制方法使得半桥逆变器13工作，将电容C1、C2上的直流电转换为交流电输出。变压器Tr4的二次侧通过上述两个充电回路交替对充电电容C41、C42进行充电。串联的充电电容C41、C42与可充电电池B并联连接，充电电容C41、C42同时对可充电电池B进行充电。为了实现交替对充电电容C41、C42进行充电，本领域的技术人员可知通过设计绕组W41的匝数，以满足：变压器Tr4的二次侧的电压(即变压器Tr4的端子8和端子2之间的电压)的最大值大于可充电电池B的电压的一半。

图16是根据本发明第七个实施例的双向DC-DC变换器的电路图。其与图13基本相同，区别在于，双向DC-DC变换器40’中的可控单向导电装置44’包括二极管D41、D42以及双刀开关S41’，双刀开关S41’的公共端连接至端子8，其两个切换端分别连接至二极管D41的阳极和二极管D42的阴极。

图17是是根据本发明第八个实施例的双向DC-DC变换器的电路图。其与图13基本相同，区别在于，双向DC-DC变换器40”中的可控单向导电装置44”包括晶闸管D41”、D42”。晶闸管D41”的阳极连接至端子8，其阴极连接至可充电电池B的阳极。晶闸管D42”的阳极连接至可充电电池B的阴极，其阴极连接至端子8。在放电模式下，控制晶闸管D41”、D42”截止。在充电模式下，控制晶闸管D41”、D42”导通。

图18是根据本发明第九个实施例的双向DC-DC变换器的电路图。双向DC-DC变换器50与图13的双向DC-DC变换器40基本相同，将双向DC-DC变换器40中的半桥变换器41替换为图7中的全桥变换器21即为双向DC-DC变换器50。

双向DC-DC变换器50与双向DC-DC变换器20的放电模式相同，在此不再赘述。

在充电模式中，充电开关S41导通，切换开关S22以使得半桥逆变器13的输出端连接至变压器Tr的二次侧的部分绕组、且使得变压器Tr的二次侧与整流滤波电路12的输入端断开连接。形成的一个充电回路是：端子2-端子8-充电开关S41-二极管D41-可充电电池B-连接在端子2和可充电电池B的负极之间的二极管；形成的另一个充电回路是：端子8-端子2-连接在端子2和可充电电池B的正极之间的二极管-可充电电池B-二极管D42-充电开关S41。基于现有的控制方法使得半桥逆变器13工作，将电容C1、C2上的直流电转换为交流电输出，并通过上述两个充电回路交替对可充电电池B进行充电。本领域的技术人员可知通过设计绕组W41的匝数，以满足：端子8和端子2之间的电压的最大值大于可充电电池B的电压。

在本发明的其他实施例中，可以将双向DC-DC变换器50中的全桥变换器21的金氧半场效晶体管全部替换为IGBT。其中与端子2连接的两个IGBT分别与二极管反向并联连接。

在本发明的其他实施例中，可以将双向DC-DC变换器50中的可控单向导电装置44替换为图16中的可控单向导电装置44’或图17中的可控单向导电装置44”。

根据图13-18可知，在放电模式下，可控单向导电装置44、44’和44”都是断开绕组W41的端子8和可充电电池B的正极和负极的电连接；在充电模式中，都是形成了从绕组W41的端子8到可充电电池B的正极的单向导电路径以及从可充电电池B的负极到绕组W41的端子8的单向导电路径。

在本发明的其他实施例中，可以将图13、16-18中的开关S22和半桥逆变器13替换为图4中的开关S12，金氧半场效晶体管T1、T2，以及电容C1、C2。

在本发明的另一个实施例中，双向DC-DC变换器40、50还包括与充电开关S41串联的电感。

在本发明的又一个实施例中，双向DC-DC变换器40、50还包括与金氧半场效晶体管T1、T2的节点电连接的电容。该电容用于隔离半桥逆变器13的输出端的直流分量，防止变压器Tr磁偏置。

在本发明的其他实施例中，图4中的开关S12，金氧半场效晶体管T1、T2，以及电容C1、C2与图7中的开关S22和半桥逆变器13可相互替换。

在本发明的其他实施例中，图4中的推挽变换器11、图7中的全桥变换器21和图10中的全桥变换器31可以相互替换。

在本发明的其他实施例中，还可以采用IGBT代替双向DC-DC变换器10、双向DC-DC变换器20或双向DC-DC变换器40中的金氧半场效晶体管。

本发明的双向DC-DC变换器与现有技术中需要采用单独的充电器相比，元器件数量减少，且成本降低。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (24)

1.一种双向DC-DC变换器，包括：

全桥变换器或推挽变换器，其包括可充电电池和变压器，所述变压器的一次侧包括第一端子和第二端子；

第一绕组，所述第一绕组的一个端子电连接至所述第一端子；

第二绕组，所述第二绕组的一个端子电连接至所述第二端子；

可控单向导电装置，用于在放电模式中断开所述可充电电池的负极与所述第一绕组的另一端子和第二绕组的另一端子的电连接，以及在充电模式中形成从所述可充电电池的负极到所述第一绕组的另一端子的单向导电路径以及从所述可充电电池的负极到所述第二绕组的另一端子的单向导电路径；

与所述变压器的二次侧相连的整流滤波电路；

相连的第一电容和第二电容；

相连的第一开关管和第二开关管；以及

开关装置，用于在放电模式中使得所述整流滤波电路与所述第一电容和第二电容构成放电路径，以及在充电模式中使得所述第一电容、第二电容、第一开关管和第二开关管构成对所述可充电电池进行充电的半桥逆变器。

2.根据权利要求1所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述可控单向导电装置包括第一二极管、第二二极管和充电开关，所述第一二极管的阳极和第二二极管的阳极相连接的节点通过所述充电开关连接至所述可充电电池的负极。

3.根据权利要求2所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述双向DC-DC变换器还包括与所述充电开关串联的电感。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述双向DC-DC变换器还包括与所述第一开关管和第二开关管的节点电连接的电容，用于隔离所述半桥逆变器的输出端的直流分量。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述开关装置可选择地使得所述整流滤波电路的输出端或由所述第一开关管和第二开关管构成的桥臂的两端连接至所述相连的第一电容和第二电容的两端。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述开关装置可选择地使得所述变压器的二次侧连接至所述整流滤波电路的输入端或使得所述变压器的二次侧的部分绕组连接至所述半桥逆变器的输出端。

7.一种用于权利要求1至6中任一项所述的双向DC-DC变换器的控制方法，其特征在于，控制所述可控单向导电装置以断开所述可充电电池的负极与所述第一绕组的另一端子和第二绕组的另一端子的电连接，控制所述开关装置使得整流滤波电路与所述第一电容和第二电容构成放电路径，控制所述全桥变换器或推挽变换器工作。

8.一种用于权利要求1至6中任一项所述的双向DC-DC变换器的控制方法，其特征在于，控制所述可控单向导电装置形成从所述可充电电池的负极到所述第一绕组的另一端子的单向导电路径以及从所述可充电电池的负极到所述第二绕组的另一端子的单向导电路径，控制所述开关装置使得所述第一电容、第二电容、第一开关管和第二开关管构成对所述可充电电池进行充电的半桥逆变器，控制所述半桥逆变器工作。

9.一种双向DC-DC变换器，包括：

半桥变换器，其包括可充电电池、第一充电电容、第二充电电容、两个开关管和变压器，所述变压器的一次侧包括与所述两个开关管的节点电连接的第一端子和与所述第一充电电容和第二充电电容的节点电连接的第二端子；

绕组，所述绕组的一个端子连接至所述第一端子；

可控单向导电装置，用于在放电模式中断开所述绕组的另一端子与所述可充电电池的正极和负极的电连接，以及在充电模式中形成从所述绕组的另一端子到所述可充电电池的正极的单向导电路径以及从所述可充电电池的负极到所述绕组的另一端子的单向导电路径；

与所述变压器的二次侧相连的整流滤波电路；

相连的第一电容和第二电容；

相连的第一开关管和第二开关管；以及

开关装置，用于在放电模式中使得所述整流滤波电路与所述第一电容和第二电容构成放电路径，以及在充电模式中使得所述第一电容、第二电容、第一开关管和第二开关管构成对所述可充电电池进行充电的半桥逆变器。

10.根据权利要求9所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述可控单向导电装置包括第一二极管、第二二极管和充电开关，所述第一二极管的阳极和第二二极管的阴极相连接的节点通过所述充电开关连接至所述绕组的另一端子，所述可充电电池的正极和负极分别连接至所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极。

11.根据权利要求10所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述双向DC-DC变换器还包括与所述充电开关串联的电感。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述双向DC-DC变换器还包括与所述第一开关管和第二开关管的节点电连接的电容，用于隔离所述半桥逆变器的输出端的直流分量。

13.根据权利要求9至11中任一项所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述开关装置可选择地使得所述整流滤波电路的输出端或由所述第一开关管和第二开关管构成的桥臂的两端连接至所述相连的第一电容和第二电容的两端。

14.根据权利要求9至11中任一项所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述开关装置可选择地使得所述变压器的二次侧连接至所述整流滤波电路的输入端或使得所述变压器的二次侧的部分绕组连接至所述半桥逆变器的输出端。

15.一种用于权利要求9至14中任一项所述的双向DC-DC变换器的控制方法，其特征在于，控制所述可控单向导电装置以断开所述绕组的另一端子与所述可充电电池的正极和负极的电连接，控制所述开关装置使得整流滤波电路与所述第一电容和第二电容构成放电路径，控制所述半桥变换器工作。

16.一种用于权利要求9至14中任一项所述的双向DC-DC变换器的控制方法，其特征在于，控制所述可控单向导电装置形成从所述绕组的另一端子到所述可充电电池的正极的单向导电路径以及从所述可充电电池的负极到所述绕组的另一端子的单向导电路径，控制所述开关装置使得所述第一电容、第二电容、第一开关管和第二开关管构成对所述可充电电池进行充电的半桥逆变器，控制所述半桥逆变器工作。

17.一种双向DC-DC变换器，包括：

全桥变换器，其包括可充电电池和变压器，所述变压器的一次侧包括第一端子和第二端子；

绕组，所述绕组的一个端子连接至所述第一端子；

可控单向导电装置，用于在放电模式中断开所述绕组的另一端子与所述可充电电池的正极和负极的电连接，以及在充电模式中形成从所述绕组的另一端子到所述可充电电池的正极的单向导电路径以及从所述可充电电池的负极到所述绕组的另一端子的单向导电路径；

与所述变压器的二次侧相连的整流滤波电路；

相连的第一电容和第二电容；

相连的第一开关管和第二开关管；以及

开关装置，用于在放电模式中使得所述整流滤波电路与所述第一电容和第二电容构成放电路径，以及在充电模式中使得所述第一电容、第二电容、第一开关管和第二开关管构成对所述可充电电池进行充电的半桥逆变器。

18.根据权利要求17所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述可控单向导电装置包括第一二极管、第二二极管和充电开关，所述第一二极管的阳极和第二二极管的阴极相连接的节点通过所述充电开关连接至所述绕组的另一端子，所述可充电电池的正极和负极分别连接至所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极。

19.根据权利要求18所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述双向DC-DC变换器还包括与所述充电开关串联的电感。

20.根据权利要求17至19中任一项所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述双向DC-DC变换器还包括与所述第一开关管和第二开关管的节点电连接的电容，用于隔离所述半桥逆变器的输出端的直流分量。

21.根据权利要求17至19中任一项所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述开关装置可选择地使得所述整流滤波电路的输出端或由所述第一开关管和第二开关管构成的桥臂的两端连接至所述相连的第一电容和第二电容的两端。

22.根据权利要求17至19中任一项所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述开关装置可选择地使得所述变压器的二次侧连接至所述整流滤波电路的输入端或使得所述变压器的二次侧的部分绕组连接至所述半桥逆变器的输出端。

23.根据权利要求17至22中任一项所述的双向DC-DC变换器的控制方法，其特征在于，控制所述可控单向导电装置以断开所述绕组的另一端子与所述可充电电池的正极和负极的电连接，控制所述开关装置使得整流滤波电路与所述第一电容和第二电容构成放电路径，控制所述半桥变换器工作。

24.根据权利要求17至22中任一项所述的双向DC-DC变换器的控制方法，其特征在于，控制所述可控单向导电装置形成从所述绕组的另一端子到所述可充电电池的正极的单向导电路径以及从所述可充电电池的负极到所述绕组的另一端子的单向导电路径，控制所述开关装置使得所述第一电容、第二电容、第一开关管和第二开关管构成对所述可充电电池进行充电的半桥逆变器，控制所述半桥逆变器工作。