CN106329925A - 一种双向直流功率变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双向直流功率变换器，包括PWM调制电路、驱动电路、功率开关电路和反馈放大电路，功率开关电路包括第一NMOS管、第二NMOS管、第一二极管、第二二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电感、第二电感、第三电感、第一电容和电源，驱动电路的第一输出端和第二输出端输出的一对互补的驱动信号通过功率开关电路的第一输入端和第二输入端输入功率开关电路中，驱动第一NMOS管和第二NMOS管互补导通，此时第二电感作为消峰电感能够抵消第一NMOS管导通和闭合瞬间的浪涌电流作用，第三电感作为消峰电感能够抵消第二NMOS管导通和闭合瞬间的浪涌电流作用；优点是成本较低，有效抑制功率开关器件导通和关断瞬间所产生的浪涌电流。
Description
技术领域
本发明涉及一种变换器，尤其是涉及一种双向直流功率变换器。
背景技术
双向直流功率变换器是一种能够实现电能双向流动的功率转换器件，它的输入电压和输出电压极性不变，输入电流和输出电流的方向可以改变，在功能上等效为两个单向直流变换器，是典型的“一机两用”系统，广泛用于新能源汽车、风力发电和UPS后备电源系统。
现有的双向直流功率变换器主要由功率开关器件、驱动电路、滤波器、反馈电路和PWM调制电路构成。目前最常采用的功率开关器件包括功率场效应管(POWER MOSFET)、IGBT和GTR等，主要作用是进行高频率的开关动作使连续的输入电压变成离散化的脉冲信号；驱动电路包括图腾柱式、推挽式驱动放大电路等，主要作用是对功率开关器件控制极提供驱动信号，驱动功率开关器件导通或者关断；滤波器包括低通滤波器、输出谐振滤波；反馈电路主要对输出信号进行采集并反馈到PWM调制电路输入端；PWM调制电路主要通过反馈信号与参考输入信号的比较，形成PWM控制信号，送入驱动电路，以实现闭环控制。
双向直流功率变换器按照输入和输出极隔离方式不同划分，可分为非隔离式双向直流功率变换器和隔离式双向直流功率变换器。非隔离式双向直流功率变换器按照各部分连接关系不同可分为双向Buck\Boost变换器、双向Buck-Boost变换器、双向半桥变换器、双向Cuk变换器和双向SEPIC变换器等。以双向Buck\Boost变换器为例，双向BUCK\Boost电路包括两个功率开关器件，两个功率开关器件在处于Buck(降压)和Boost(升压)状态时分别导通，实现双向功率流动。非隔离式双向直流功率变换器优点是结构简单，容易控制，缺点是缺少输入输出间隔离，且功率开关器件开通和关断瞬间易产生较大的浪涌电流。隔离式双向直流变化器包括反激式双向DC\DC变换器、正激式双向DC\DC变换器、半桥式双向DC\DC变换器、全桥式双向DC\DC变换器。隔离式双向直流功率变换器与非隔离式双向直流功率变换器相比，除能够实现双向功率变换，还增加了变压器进行电气隔离，优点是输入输出极间工频干扰小，缺点是变压器造成的损耗增大，且开关瞬间的浪涌电流较大。由于双向直流功率变换器中的其他储能器件如电感和电容在理想状态下并不消耗能量，所以双向直流功率变换器的能量损耗主要来自于功率开关器件的开关损耗，通常占转换能量的5％-15％，由于功率开关器件极间寄生电容的影响，双向直流功率变换器在功率开关器件开关的瞬间会产生较大的浪涌电流，造成能量损耗增大，器件发热增多，更有可能直接将功率开关器件半导体沟道击穿，造成双向直流功率变换器永久损坏。
综上所述，无论是隔离式双向直流功率变换器还是非隔离式双向直流功率变换器都存在开关浪涌电流大的问题，因此，在设计双向直流功率变换器时，如何对开关浪涌电流进行有效抑制成为了一个重要的问题。目前，国内学者提出了两种抑制浪涌电流的解决方案：第一种是选用寄生参数小、浪涌电流耐受能力强的功率开关器件，虽然该解决方案可以一定程度上抑制浪涌电流，但是功率开关器件寄生电容作用作为固有寄生参数，无法从根本上消除，抑制效果有限，而且，寄生参数越小，浪涌电流耐受能力越强的功率开关器件的价格通常比较昂贵，由此会导致双向直流功率变换器的成本大幅增加，因此在实际应用中并不可取。
第二种是采用优化驱动电路的方式，尽可能缩短功率开关器件漏极和源极间半导体导电沟道夹断和导通过程的时间，以期对浪涌电流进行抑制，通常做法是在驱动电路中增加加速电路，该加速电路和功率开关器件的栅极连接，利用肖特基二极管和耗能电阻快速抽出功率开关器件栅极结电容中存储的电荷，以实现导电沟道的迅速关断和导通；该种解决方案从本质上是降低功率开关器件开关过程的上升时间和下降时间，能缩短浪涌电流的作用时间，对浪涌电流所造成的功率损耗进行间接抑制，但是该种解决方案中，功率开关器件在较短的开关过程中产生的浪涌电流会增大，对功率开关器件的冲击更加大，抑制效果比较差。
鉴此，设计一种成本较低，浪涌电流抑制效果好的双向直流功率变换器具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种成本较低，浪涌电流抑制效果好的双向直流功率变换器。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种双向直流功率变换器，包括PWM调制电路、驱动电路、功率开关电路和反馈放大电路，所述的驱动电路具有输入端、第一输出端和第二输出端，所述的功率开关电路具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述的PWM调制电路的输出端和所述的驱动电路的输入端连接，所述的驱动电路的第一输出端和所述的功率开关电路的第一输入端连接，所述的驱动电路的第二输出端和所述的功率开关电路的第二输入端连接，所述的功率开关电路的输出端和所述的反馈放大电路的输入端连接，所述的反馈放大电路的输出端和所述的PWM调制电路的输入端连接，所述的功率开关电路包括第一NMOS管、第二NMOS管、第一二极管、第二二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电感、第二电感、第三电感、第一电容和电源；所述的第一二极管的负极和所述的第一电阻的一端连接且其连接端为所述的功率开关电路的第一输入端，所述的第二二极管的负极和所述的第二电阻的一端连接且其连接端为所述的功率开关电路的第二输入端，所述的第一二极管的正极、所述的第一电阻的另一端和所述的第一NMOS管的栅极连接，所述的第一NMOS管的漏极和所述的第二电感的一端连接，所述的第二电感的另一端和所述的电源的正极连接，所述的第一NMOS管的源极、所述的第二NMOS管的漏极和所述的第一电感的一端连接，所述的第二NMOS管的栅极、所述的第二二极管的正极和所述的第二电阻的另一端连接，所述的第二NMOS管的源极和所述的第三电感的一端连接，所述的第三电感的另一端、所述的第一电容的一端、所述的第三电阻的一端和所述的电源的负极均接地，所述的第一电感的另一端、所述的第一电容的另一端和所述的第三电阻的另一端连接且其连接端为所述的功率开关电路的输出端。
所述的反馈放大电路包括型号为LM741的第一芯片、第二电容、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一滑动变阻器和第二滑动变阻器，所述的第一芯片的第1脚和所述的第二滑动变阻器的一端连接，所述的第二滑动变阻器的滑动端接入5V电压，所述的第二滑动变阻器的另一端和所述的第一芯片的第5脚连接，所述的第一芯片的第2脚、所述的第七电阻的一端、所述的第九电阻的一端和所述的第二电容的一端连接，所述的第七电阻的另一端、所述的第二电容的另一端和所述的第一滑动变阻器的滑动端连接，所述的第一滑动变阻器的一端为所述的反馈放大电路的输入端，所述的第一滑动变阻器的另一端接地；所述的第一芯片的第3脚、所述的第六电阻的一端和所述的第八电阻的一端连接，所述的第六电阻的另一端、所述的第四电阻的一端和所述的第五电阻的一端连接，所述的第四电阻的另一端接入12V电压，所述的第五电阻的另一端和所述的第八电阻的另一端均接地，所述的第一芯片的第4脚接入-5V电压，所述的第一芯片的第7脚接入5V电压，所述的第一芯片的第6脚和所述的第九电阻的另一端连接且其连接端为所述的反馈放大电路的输出端。该电路中，功率开关电路的输出电压通过反馈放大电路的输入端输入，再经过第七电阻、第九电阻和第二电容构成的补偿网络输入第一芯片的第2脚，第四电阻接入的+12V电压经过第四电阻和第三电阻形成参考电压，该参考电压经过第六电阻和第八构成的补偿网络送入第二芯片的第3脚，第二芯片具有差动放大作用，其对第2脚和第3脚的输入电压差进行放大，由第6脚送出，形成反馈放大信号，送入PWM调制电路的输入端，形成反馈回路，保证PWM调制电路生成准确的PWM信号，电路结构简单，反馈精度高。
所述的PWM调制电路包括型号为NE555的第二芯片、型号为LM358的第三芯片、型号为LM311的第四芯片、第三二极管、第四二极管、第三电容、第四电容、第五电容、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻和第十六电阻；所述的第二芯片的第1脚接地，所述的第二芯片的第2脚、所述的第二芯片的第6脚、所述的第三二极管的正极、所述的第四二极管的负极和所述的第四电容的一端连接，所述的第四电容的另一端接地，所述的第三二极管的负极和所述的第十电阻的一端连接，所述的第十电阻的另一端和所述的第二芯片的第7脚连接，所述的第四二极管的正极和所述的第十一电阻的一端连接，所述的第十一电阻的另一端接入5V电压，所述的第二芯片的第3脚和所述的第十二电阻的一端连接，所述的第二芯片的第4脚接入5V电压，所述的第二芯片的第5脚和所述的第三电容的一端连接，所述的第三电容的另一端接地，所述的第二芯片的第8脚接入5V电压，所述的第三芯片的第1脚、所述的第五电容的一端和所述的第四芯片的第3脚连接，所述的第三芯片的第2脚、所述的第十二电阻的另一端和所述的第五电容的另一端连接，所述的第三芯片的第3脚、所述的第十三电阻的一端和所述的第十四电阻的一端连接，所述的第十三电阻的另一端和所述的第三芯片的第8脚均接入5V电压，所述的第十四电阻的另一端和所述的第三芯片的第4脚均接地，所述的第四芯片的第1脚接地，所述的第四芯片的第2脚为所述的PWM调制电路的输入端，所述的第四芯片的第4脚接入-5V电压，所述的第四芯片的第5脚和第8脚均接入5V电压，所述的第四芯片的第6脚和所述的第十五电阻的一端连接，所述的第十五电阻的另一端接入5V电压，所述的第四芯片的第7脚和所述的第十六电阻的一端连接且其连接端为所述的PWM调制电路的输出端，所述的第十六电阻的另一端接入5V电压。第二芯片的第3脚产生频率80KHz、幅值5V的方波经过第十三电阻送入第三芯片的第2脚，第三芯片的第1脚产生80KHz、峰值4.2V三角波送入第四芯片的第3脚、该三角波与PWM调制电路的输入端接入的输入电压比较形成脉冲宽度调制波，脉冲宽度调制波经由第四芯片的第7脚输出，实现PWM信号的生成和输出，电路结构简单，成本较低。
所述的驱动电路包括型号为IR2101的第五芯片、第十七电阻、第十八电阻、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第五二极管、型号为74HC14的触发器和两个二输入或非门，所述的二输入或非门具有第一输入端、第二输入端和输出端，两个所述的二输入或非门分别为第一二输入或非门和第二二输入或非门，所述的第五芯片的第1脚、所述的第八电容的一端和所述的第五二极管的正极连接且其连接端接入12V电压，所述的第八电容的另一端接地，所述的第五二极管的负极、所述的第五芯片的第8脚和所述的第九电容的一端连接，所述的第九电容的另一端和所述的第五芯片的第6脚连接，所述的第五芯片的第2脚和所述的第一二输入或非门的输出端连接，所述的第一二输入或非门的第一输入端、所述的第十七电阻的一端和所述的触发器的第2脚连接，所述的第一二输入或非门的第二输入端、所述的第十七电阻的另一端和所述的第六电容的一端连接，所述的第六电容的另一端接地，所述的第五芯片的第3脚和所述的第二二输入或非门的输出端连接，所述的第二二输入或非门的第一输入端、所述的触发器的第1脚和所述的第十八电阻的一端连接且其连接端为所述的驱动电路的输入端，所述的第二二输入或非门的第二输入端、所述的第十八电阻的另一端和所述的第七电容的一端连接，所述的第七电容的另一端接地，所述的第五芯片的第4脚接地，所述的第五芯片的第5脚为所述的驱动电路的第一输出端，所述的第五芯片的第7脚为所述的驱动电路的第二输出端。PWM调制模块输出的PWM信号通过驱动电路的输入端输入后分为两路，一路输入第二二输入或非门的第一输入端，经第二二输入或非门后输入到第五芯片的第3脚，由于第十八电阻和第七电容构成的RC延迟电路作用，第二二输入或非门的输出端的输出信号较其第一输入端输入信号存在延迟，另一路经触发器反相后送入第一二输入或非门的第一输入端，由于第十七电阻和第五电容构成的RC延迟电路作用，第一二输入或非门的输出端的输出信号较其第一输入端输入信号也存在延迟，由此形成死区延时功能，可防止第五芯片的第2脚和第3脚同时出现高电平，保证第五芯片的第5脚和第7脚产生带死区延迟的互补防波信号，频率80KHz，幅值12V，分别送入功率开关电路的第一输入端和第二输入端，生成准确的驱动信号准确的驱动功率开关电路，电路结构简单，成本较低，且驱动精度高。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过第一NMOS管、第二NMOS管、第一二极管、第二二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电感、第二电感、第三电感、第一电容和电源来构成双向直流功率变换器中的功率开关电路，第一二极管的负极和第一电阻的一端连接且其连接端为功率开关电路的第一输入端，第二二极管的负极和第二电阻的一端连接且其连接端为功率开关电路的第二输入端，第一二极管的正极、第一电阻的另一端和第一NMOS管的栅极连接，第一NMOS管的漏极和第二电感的一端连接，第二电感的另一端和电源的正极连接，第一NMOS管的源极、第二NMOS管的漏极和第一电感的一端连接，第二NMOS管的栅极、第二二极管的正极和第二电阻的另一端连接，第二NMOS管的源极和第三电感的一端连接，第三电感的另一端、第一电容的一端、第三电阻的一端和电源的负极均接地，第一电感的另一端、第一电容的另一端和第三电阻的另一端连接且其连接端为功率开关电路的输出端；驱动电路的第一输出端和第二输出端输出的一对互补的驱动信号通过功率开关电路的第一输入端和第二输入端输入功率开关电路中，驱动第一NMOS管和第二NMOS管互补导通，此时第二电感作为消峰电感能够抵消第一NMOS管导通和闭合瞬间的浪涌电流作用，第三电感作为消峰电感能够抵消第二NMOS管导通和闭合瞬间的浪涌电流作用，第一电感和第一电容构成低通滤波器，变换器正向工作时，电能通过为第一NMOS管和第二NMOS管从直流电源侧流入负载，负载获得稳定的直流输出电压，由于第一NMOS管和第二NMOS管内部含有反并联二极管，当负载处于向外馈送能量过程时，电流可以反方向通过第一NMOS管和第二NMOS管流入直流电源中，实现能量反向流动，由此，本发明的双向直流功率变换器在不对功率开关器件和驱动电路采取优化措施的情况下，通过在功率开关电路中设置的结构简单的第二电感和第三电感来抵消功率开关器件(第一NMOS管和第二NMOS管)导通和闭合瞬间的浪涌电流作用，成本较低，有效抑制变换器正向工作和反向工作过程中功率开关器件导通和关断瞬间所产生的浪涌电流，进而降低由于浪涌电流所导致的能量损耗，保护功率开关器件免受大电流冲击的损害，提高变换器的稳定性。
附图说明
图1为本发明的双向直流功率变换器的结构框图；
图2为本发明的双向直流功率变换器的功率开关电路的电路图；
图3为本发明的双向直流功率变换器的反馈放大电路的电路图；
图4为本发明的双向直流功率变换器的PWM调制电路的电路图；
图5为本发明的双向直流功率变换器的驱动电路的电路图；
图6为现有技术中的BUCK-BOOST双向直流功率变换器流过功率开关器件的电流波形图；
图7为本发明的双向直流功率变换器中流过功率开关器件的电流波形图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一：如图1和图2所示，一种双向直流功率变换器，包括PWM调制电路、驱动电路、功率开关电路和反馈放大电路，驱动电路具有输入端、第一输出端和第二输出端，功率开关电路具有第一输入端、第二输入端和输出端，PWM调制电路的输出端和驱动电路的输入端连接，驱动电路的第一输出端和功率开关电路的第一输入端连接，驱动电路的第二输出端和功率开关电路的第二输入端连接，功率开关电路的输出端和反馈放大电路的输入端连接，反馈放大电路的输出端和PWM调制电路的输入端连接，其特征在于功率开关电路包括第一NMOS管Q1、第二NMOS管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一电容C1和电源；第一二极管D1的负极和第一电阻R1的一端连接且其连接端为功率开关电路的第一输入端，第二二极管D2的负极和第二电阻R2的一端连接且其连接端为功率开关电路的第二输入端，第一二极管D1的正极、第一电阻R1的另一端和第一NMOS管Q1的栅极连接，第一NMOS管Q1的漏极和第二电感L2的一端连接，第二电感L2的另一端和电源的正极连接，第一NMOS管Q1的源极、第二NMOS管Q2的漏极和第一电感L1的一端连接，第二NMOS管Q2的栅极、第二二极管D2的正极和第二电阻R2的另一端连接，第二NMOS管Q2的源极和第三电感L3的一端连接，第三电感L3的另一端、第一电容C1的一端、第三电阻R3的一端和电源的负极均接地，第一电感L1的另一端、第一电容C1的另一端和第三电阻R3的另一端连接且其连接端为功率开关电路的输出端。
本实施例中，第一NMOS管Q1和第二NMOS管Q2的型号均为IRF540。
实施例二：如图1和图2所示，一种双向直流功率变换器，包括PWM调制电路、驱动电路、功率开关电路和反馈放大电路，驱动电路具有输入端、第一输出端和第二输出端，功率开关电路具有第一输入端、第二输入端和输出端，PWM调制电路的输出端和驱动电路的输入端连接，驱动电路的第一输出端和功率开关电路的第一输入端连接，驱动电路的第二输出端和功率开关电路的第二输入端连接，功率开关电路的输出端和反馈放大电路的输入端连接，反馈放大电路的输出端和PWM调制电路的输入端连接，其特征在于功率开关电路包括第一NMOS管Q1、第二NMOS管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一电容C1和电源；第一二极管D1的负极和第一电阻R1的一端连接且其连接端为功率开关电路的第一输入端，第二二极管D2的负极和第二电阻R2的一端连接且其连接端为功率开关电路的第二输入端，第一二极管D1的正极、第一电阻R1的另一端和第一NMOS管Q1的栅极连接，第一NMOS管Q1的漏极和第二电感L2的一端连接，第二电感L2的另一端和电源的正极连接，第一NMOS管Q1的源极、第二NMOS管Q2的漏极和第一电感L1的一端连接，第二NMOS管Q2的栅极、第二二极管D2的正极和第二电阻R2的另一端连接，第二NMOS管Q2的源极和第三电感L3的一端连接，第三电感L3的另一端、第一电容C1的一端、第三电阻R3的一端和电源的负极均接地，第一电感L1的另一端、第一电容C1的另一端和第三电阻R3的另一端连接且其连接端为功率开关电路的输出端。
本实施例中，第一NMOS管Q1和第二NMOS管Q2的型号均为IRF540。
如图3所示，本实施例中，反馈放大电路包括型号为LM741的第一芯片、第二电容C2、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第一滑动变阻器RV1和第二滑动变阻器RV2，第一芯片的第1脚和第二滑动变阻器RV2的一端连接，第二滑动变阻器RV2的滑动端接入5V电压，第二滑动变阻器RV2的另一端和第一芯片的第5脚连接，第一芯片的第2脚、第七电阻R7的一端、第九电阻R9的一端和第二电容C2的一端连接，第七电阻R7的另一端、第二电容C2的另一端和第一滑动变阻器RV1的滑动端连接，第一滑动变阻器RV1的一端为反馈放大电路的输入端，第一滑动变阻器RV1的另一端接地；第一芯片的第3脚、第六电阻R6的一端和第八电阻R8的一端连接，第六电阻R6的另一端、第四电阻R4的一端和第五电阻R5的一端连接，第四电阻R4的另一端接入12V电压，第五电阻R5的另一端和第八电阻R8的另一端均接地，第一芯片的第4脚接入-5V电压，第一芯片的第7脚接入5V电压，第一芯片的第6脚和第九电阻R9的另一端连接且其连接端为反馈放大电路的输出端。
实施例三：如图1和图2所示，一种双向直流功率变换器，包括PWM调制电路、驱动电路、功率开关电路和反馈放大电路，驱动电路具有输入端、第一输出端和第二输出端，功率开关电路具有第一输入端、第二输入端和输出端，PWM调制电路的输出端和驱动电路的输入端连接，驱动电路的第一输出端和功率开关电路的第一输入端连接，驱动电路的第二输出端和功率开关电路的第二输入端连接，功率开关电路的输出端和反馈放大电路的输入端连接，反馈放大电路的输出端和PWM调制电路的输入端连接，其特征在于功率开关电路包括第一NMOS管Q1、第二NMOS管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一电容C1和电源；第一二极管D1的负极和第一电阻R1的一端连接且其连接端为功率开关电路的第一输入端，第二二极管D2的负极和第二电阻R2的一端连接且其连接端为功率开关电路的第二输入端，第一二极管D1的正极、第一电阻R1的另一端和第一NMOS管Q1的栅极连接，第一NMOS管Q1的漏极和第二电感L2的一端连接，第二电感L2的另一端和电源的正极连接，第一NMOS管Q1的源极、第二NMOS管Q2的漏极和第一电感L1的一端连接，第二NMOS管Q2的栅极、第二二极管D2的正极和第二电阻R2的另一端连接，第二NMOS管Q2的源极和第三电感L3的一端连接，第三电感L3的另一端、第一电容C1的一端、第三电阻R3的一端和电源的负极均接地，第一电感L1的另一端、第一电容C1的另一端和第三电阻R3的另一端连接且其连接端为功率开关电路的输出端。
本实施例中，第一NMOS管Q1和第二NMOS管Q2的型号均为IRF540。
如图3所示，本实施例中，反馈放大电路包括型号为LM741的第一芯片、第二电容C2、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第一滑动变阻器RV1和第二滑动变阻器RV2，第一芯片的第1脚和第二滑动变阻器RV2的一端连接，第二滑动变阻器RV2的滑动端接入5V电压，第二滑动变阻器RV2的另一端和第一芯片的第5脚连接，第一芯片的第2脚、第七电阻R7的一端、第九电阻R9的一端和第二电容C2的一端连接，第七电阻R7的另一端、第二电容C2的另一端和第一滑动变阻器RV1的滑动端连接，第一滑动变阻器RV1的一端为反馈放大电路的输入端，第一滑动变阻器RV1的另一端接地；第一芯片的第3脚、第六电阻R6的一端和第八电阻R8的一端连接，第六电阻R6的另一端、第四电阻R4的一端和第五电阻R5的一端连接，第四电阻R4的另一端接入12V电压，第五电阻R5的另一端和第八电阻R8的另一端均接地，第一芯片的第4脚接入-5V电压，第一芯片的第7脚接入5V电压，第一芯片的第6脚和第九电阻R9的另一端连接且其连接端为反馈放大电路的输出端。
如图4所示，本实施例中，PWM调制电路包括型号为NE555的第二芯片、型号为LM358的第三芯片、型号为LM311的第四芯片、第三二极管D3、第四二极管D4、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15和第十六电阻R16；第二芯片的第1脚接地，第二芯片的第2脚、第二芯片的第6脚、第三二极管D3的正极、第四二极管D4的负极和第四电容C4的一端连接，第四电容C4的另一端接地，第三二极管D3的负极和第十电阻R10的一端连接，第十电阻R10的另一端和第二芯片的第7脚连接，第四二极管D4的正极和第十一电阻R11的一端连接，第十一电阻R11的另一端接入5V电压，第二芯片的第3脚和第十二电阻R12的一端连接，第二芯片的第4脚接入5V电压，第二芯片的第5脚和第三电容C3的一端连接，第三电容C3的另一端接地，第二芯片的第8脚接入5V电压，第三芯片的第1脚、第五电容C5的一端和第四芯片的第3脚连接，第三芯片的第2脚、第十二电阻R12的另一端和第五电容C5的另一端连接，第三芯片的第3脚、第十三电阻R13的一端和第十四电阻R14的一端连接，第十三电阻R13的另一端和第三芯片的第8脚均接入5V电压，第十四电阻R14的另一端和第三芯片的第4脚均接地，第四芯片的第1脚接地，第四芯片的第2脚为PWM调制电路的输入端，第四芯片的第4脚接入-5V电压，第四芯片的第5脚和第8脚均接入5V电压，第四芯片的第6脚和第十五电阻R15的一端连接，第十五电阻R15的另一端接入5V电压，第四芯片的第7脚和第十六电阻R16的一端连接且其连接端为PWM调制电路的输出端，第十六电阻R16的另一端接入5V电压。
实施例四：如图1和图2所示，一种双向直流功率变换器，包括PWM调制电路、驱动电路、功率开关电路和反馈放大电路，驱动电路具有输入端、第一输出端和第二输出端，功率开关电路具有第一输入端、第二输入端和输出端，PWM调制电路的输出端和驱动电路的输入端连接，驱动电路的第一输出端和功率开关电路的第一输入端连接，驱动电路的第二输出端和功率开关电路的第二输入端连接，功率开关电路的输出端和反馈放大电路的输入端连接，反馈放大电路的输出端和PWM调制电路的输入端连接，其特征在于功率开关电路包括第一NMOS管Q1、第二NMOS管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一电容C1和电源；第一二极管D1的负极和第一电阻R1的一端连接且其连接端为功率开关电路的第一输入端，第二二极管D2的负极和第二电阻R2的一端连接且其连接端为功率开关电路的第二输入端，第一二极管D1的正极、第一电阻R1的另一端和第一NMOS管Q1的栅极连接，第一NMOS管Q1的漏极和第二电感L2的一端连接，第二电感L2的另一端和电源的正极连接，第一NMOS管Q1的源极、第二NMOS管Q2的漏极和第一电感L1的一端连接，第二NMOS管Q2的栅极、第二二极管D2的正极和第二电阻R2的另一端连接，第二NMOS管Q2的源极和第三电感L3的一端连接，第三电感L3的另一端、第一电容C1的一端、第三电阻R3的一端和电源的负极均接地，第一电感L1的另一端、第一电容C1的另一端和第三电阻R3的另一端连接且其连接端为功率开关电路的输出端。
本实施例中，第一NMOS管Q1和第二NMOS管Q2的型号均为IRF540。
如图3所示，本实施例中，反馈放大电路包括型号为LM741的第一芯片、第二电容C2、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第一滑动变阻器RV1和第二滑动变阻器RV2，第一芯片的第1脚和第二滑动变阻器RV2的一端连接，第二滑动变阻器RV2的滑动端接入5V电压，第二滑动变阻器RV2的另一端和第一芯片的第5脚连接，第一芯片的第2脚、第七电阻R7的一端、第九电阻R9的一端和第二电容C2的一端连接，第七电阻R7的另一端、第二电容C2的另一端和第一滑动变阻器RV1的滑动端连接，第一滑动变阻器RV1的一端为反馈放大电路的输入端，第一滑动变阻器RV1的另一端接地；第一芯片的第3脚、第六电阻R6的一端和第八电阻R8的一端连接，第六电阻R6的另一端、第四电阻R4的一端和第五电阻R5的一端连接，第四电阻R4的另一端接入12V电压，第五电阻R5的另一端和第八电阻R8的另一端均接地，第一芯片的第4脚接入-5V电压，第一芯片的第7脚接入5V电压，第一芯片的第6脚和第九电阻R9的另一端连接且其连接端为反馈放大电路的输出端。
如图4所示，本实施例中，PWM调制电路包括型号为NE555的第二芯片、型号为LM358的第三芯片、型号为LM311的第四芯片、第三二极管D3、第四二极管D4、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15和第十六电阻R16；第二芯片的第1脚接地，第二芯片的第2脚、第二芯片的第6脚、第三二极管D3的正极、第四二极管D4的负极和第四电容C4的一端连接，第四电容C4的另一端接地，第三二极管D3的负极和第十电阻R10的一端连接，第十电阻R10的另一端和第二芯片的第7脚连接，第四二极管D4的正极和第十一电阻R11的一端连接，第十一电阻R11的另一端接入5V电压，第二芯片的第3脚和第十二电阻R12的一端连接，第二芯片的第4脚接入5V电压，第二芯片的第5脚和第三电容C3的一端连接，第三电容C3的另一端接地，第二芯片的第8脚接入5V电压，第三芯片的第1脚、第五电容C5的一端和第四芯片的第3脚连接，第三芯片的第2脚、第十二电阻R12的另一端和第五电容C5的另一端连接，第三芯片的第3脚、第十三电阻R13的一端和第十四电阻R14的一端连接，第十三电阻R13的另一端和第三芯片的第8脚均接入5V电压，第十四电阻R14的另一端和第三芯片的第4脚均接地，第四芯片的第1脚接地，第四芯片的第2脚为PWM调制电路的输入端，第四芯片的第4脚接入-5V电压，第四芯片的第5脚和第8脚均接入5V电压，第四芯片的第6脚和第十五电阻R15的一端连接，第十五电阻R15的另一端接入5V电压，第四芯片的第7脚和第十六电阻R16的一端连接且其连接端为PWM调制电路的输出端，第十六电阻R16的另一端接入5V电压。
如图5所示，本实施例中，驱动电路包括型号为IR2101的第五芯片、第十七电阻R17、第十八电阻R18、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第五二极管D5、型号为74HC14的触发器F1和两个型号均为4001的二输入或非门，二输入或非门具有第一输入端、第二输入端和输出端，两个二输入或非门分别为第一二输入或非门T1和第二二输入或非门T2，第五芯片的第1脚、第八电容C8的一端和第五二极管D5的正极连接且其连接端接入12V电压，第八电容C8的另一端接地，第五二极管D5的负极、第五芯片的第8脚和第九电容C9的一端连接，第九电容C9的另一端和第五芯片的第6脚连接，第五芯片的第2脚和第一二输入或非门T1的输出端连接，第一二输入或非门T1的第一输入端、第十七电阻R17的一端和触发器F1的第2脚连接，第一二输入或非门T1的第二输入端、第十七电阻R17的另一端和第六电容C6的一端连接，第六电容C6的另一端接地，第五芯片的第3脚和第二二输入或非门T2的输出端连接，第二二输入或非门T2的第一输入端、触发器F1的第1脚和第十八电阻R18的一端连接且其连接端为驱动电路的输入端，第二二输入或非门T2的第二输入端、第十八电阻R18的另一端和第七电容C7的一端连接，第七电容C7的另一端接地，第五芯片的第4脚接地，第五芯片的第5脚为驱动电路的第一输出端，第五芯片的第7脚为驱动电路的第二输出端。
将本发明的双向直流功率变换器和现有技术中的BUCK-BOOST双向直流功率变换器进行对比，现有技术中的BUCK-BOOST双向直流功率变换器流过功率开关器件的电流波形如图6所示，本发明的双向直流功率变换器中流过功率开关器件的电流波形如图7所示。分析图6和图7可知，本发明的双向直流功率变换器相对于现有技术中的BUCK-BOOST双向直流功率变换器，正向浪涌电流降低了90％，反向峰值电流降低了66％，浪涌电流抑制效果明显。
Claims (4)
1.一种双向直流功率变换器，包括PWM调制电路、驱动电路、功率开关电路和反馈放大电路，所述的驱动电路具有输入端、第一输出端和第二输出端，所述的功率开关电路具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述的PWM调制电路的输出端和所述的驱动电路的输入端连接，所述的驱动电路的第一输出端和所述的功率开关电路的第一输入端连接，所述的驱动电路的第二输出端和所述的功率开关电路的第二输入端连接，所述的功率开关电路的输出端和所述的反馈放大电路的输入端连接，所述的反馈放大电路的输出端和所述的PWM调制电路的输入端连接，其特征在于所述的功率开关电路包括第一NMOS管、第二NMOS管、第一二极管、第二二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电感、第二电感、第三电感、第一电容和电源；所述的第一二极管的负极和所述的第一电阻的一端连接且其连接端为所述的功率开关电路的第一输入端，所述的第二二极管的负极和所述的第二电阻的一端连接且其连接端为所述的功率开关电路的第二输入端，所述的第一二极管的正极、所述的第一电阻的另一端和所述的第一NMOS管的栅极连接，所述的第一NMOS管的漏极和所述的第二电感的一端连接，所述的第二电感的另一端和所述的电源的正极连接，所述的第一NMOS管的源极、所述的第二NMOS管的漏极和所述的第一电感的一端连接，所述的第二NMOS管的栅极、所述的第二二极管的正极和所述的第二电阻的另一端连接，所述的第二NMOS管的源极和所述的第三电感的一端连接，所述的第三电感的另一端、所述的第一电容的一端、所述的第三电阻的一端和所述的电源的负极均接地，所述的第一电感的另一端、所述的第一电容的另一端和所述的第三电阻的另一端连接且其连接端为所述的功率开关电路的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种双向直流功率变换器，其特征在于所述的反馈放大电路包括型号为LM741的第一芯片、第二电容、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一滑动变阻器和第二滑动变阻器，所述的第一芯片的第1脚和所述的第二滑动变阻器的一端连接，所述的第二滑动变阻器的滑动端接入5V电压，所述的第二滑动变阻器的另一端和所述的第一芯片的第5脚连接，所述的第一芯片的第2脚、所述的第七电阻的一端、所述的第九电阻的一端和所述的第二电容的一端连接，所述的第七电阻的另一端、所述的第二电容的另一端和所述的第一滑动变阻器的滑动端连接，所述的第一滑动变阻器的一端为所述的反馈放大电路的输入端，所述的第一滑动变阻器的另一端接地；所述的第一芯片的第3脚、所述的第六电阻的一端和所述的第八电阻的一端连接，所述的第六电阻的另一端、所述的第四电阻的一端和所述的第五电阻的一端连接，所述的第四电阻的另一端接入12V电压，所述的第五电阻的另一端和所述的第八电阻的另一端均接地，所述的第一芯片的第4脚接入-5V电压，所述的第一芯片的第7脚接入5V电压，所述的第一芯片的第6脚和所述的第九电阻的另一端连接且其连接端为所述的反馈放大电路的输出端。
3.根据权利要求1所述的一种双向直流功率变换器，其特征在于所述的PWM调制电路包括型号为NE555的第二芯片、型号为LM358的第三芯片、型号为LM311的第四芯片、第三二极管、第四二极管、第三电容、第四电容、第五电容、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻和第十六电阻；所述的第二芯片的第1脚接地，所述的第二芯片的第2脚、所述的第二芯片的第6脚、所述的第三二极管的正极、所述的第四二极管的负极和所述的第四电容的一端连接，所述的第四电容的另一端接地，所述的第三二极管的负极和所述的第十电阻的一端连接，所述的第十电阻的另一端和所述的第二芯片的第7脚连接，所述的第四二极管的正极和所述的第十一电阻的一端连接，所述的第十一电阻的另一端接入5V电压，所述的第二芯片的第3脚和所述的第十二电阻的一端连接，所述的第二芯片的第4脚接入5V电压，所述的第二芯片的第5脚和所述的第三电容的一端连接，所述的第三电容的另一端接地，所述的第二芯片的第8脚接入5V电压，所述的第三芯片的第1脚、所述的第五电容的一端和所述的第四芯片的第3脚连接，所述的第三芯片的第2脚、所述的第十二电阻的另一端和所述的第五电容的另一端连接，所述的第三芯片的第3脚、所述的第十三电阻的一端和所述的第十四电阻的一端连接，所述的第十三电阻的另一端和所述的第三芯片的第8脚均接入5V电压，所述的第十四电阻的另一端和所述的第三芯片的第4脚均接地，所述的第四芯片的第1脚接地，所述的第四芯片的第2脚为所述的PWM调制电路的输入端，所述的第四芯片的第4脚接入-5V电压，所述的第四芯片的第5脚和第8脚均接入5V电压，所述的第四芯片的第6脚和所述的第十五电阻的一端连接，所述的第十五电阻的另一端接入5V电压，所述的第四芯片的第7脚和所述的第十六电阻的一端连接且其连接端为所述的PWM调制电路的输出端，所述的第十六电阻的另一端接入5V电压。
4.根据权利要求1所述的一种双向直流功率变换器，其特征在于所述的驱动电路包括型号为IR2101的第五芯片、第十七电阻、第十八电阻、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第五二极管、型号为74HC14的触发器和两个二输入或非门，所述的二输入或非门具有第一输入端、第二输入端和输出端，两个所述的二输入或非门分别为第一二输入或非门和第二二输入或非门，所述的第五芯片的第1脚、所述的第八电容的一端和所述的第五二极管的正极连接且其连接端接入12V电压，所述的第八电容的另一端接地，所述的第五二极管的负极、所述的第五芯片的第8脚和所述的第九电容的一端连接，所述的第九电容的另一端和所述的第五芯片的第6脚连接，所述的第五芯片的第2脚和所述的第一二输入或非门的输出端连接，所述的第一二输入或非门的第一输入端、所述的第十七电阻的一端和所述的触发器的第2脚连接，所述的第一二输入或非门的第二输入端、所述的第十七电阻的另一端和所述的第六电容的一端连接，所述的第六电容的另一端接地，所述的第五芯片的第3脚和所述的第二二输入或非门的输出端连接，所述的第二二输入或非门的第一输入端、所述的触发器的第1脚和所述的第十八电阻的一端连接且其连接端为所述的驱动电路的输入端，所述的第二二输入或非门的第二输入端、所述的第十八电阻的另一端和所述的第七电容的一端连接，所述的第七电容的另一端接地，所述的第五芯片的第4脚接地，所述的第五芯片的第5脚为所述的驱动电路的第一输出端，所述的第五芯片的第7脚为所述的驱动电路的第二输出端。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |