CN108306512A - 一种新颖的软开关双向dc-dc变换器 - Google Patents

一种新颖的软开关双向dc-dc变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新颖的软开关双向DC‑DC变换器，控制器分别通过控制信号与第一、第二、第三MOS、第四MOS管的栅极相连，第一MOS管的源极与第三MOS管的漏极相连，第二MOS管的源极与第四MOS管的漏极相连；第一MOS管的漏极与第二MOS管的漏极相连并与电压V1相连，第二MOS管与LC谐振电路的另一端相连，LC谐振电路的电感和电容之间串联变压器的原边，变压器的副边的一端与第六MOS管的源极、第八MOS管的漏极相连，变压器的副边的另一端与第五MOS管的源极、第七MOS管的漏极相连，第五MOS管的漏极、第六MOS管的漏极相连并与电压V2相连；第七MOS管的源极、第八MOS管的源极相连并接地。应用本发明，可实现低成本，高效率，高灵活性的软开关双向变换器解决方案。

Description

一种新颖的软开关双向DC-DC变换器
技术领域
本发明属于DCDC变换电路技术领域，特别是涉及一种新颖的软开关双向DC-DC变换器。
背景技术
DC-DC变换器是将不可调的直流电压转变为可调或固定的直流电压，是一个用开关调节方式控制电能的变换电路，这种技术被广泛应用于各种开关电源、直流调速、燃料电池、太阳能供电和分布式电源系统中。上个世纪，随着功率开关器件的发展，变换器拓扑和变换技术已经取得了很大的成就，并且已经发展到一个相当高的水平。
在DC-DC变换器演化过程中，离不开各种直流变换技术，各种新技术的产生和发展很大程度上影响了变换器拓扑的演化。高功率密度、高效率、高性能、高可靠性以及低成本、小体积是DC-DC变换器的发展方向，各种变换技术也都围绕着提高变换器性能而相继被提出。
在大功率DC-DC应用场合，软开关具备效率高，输出功率大等特点，软开关拓扑应用也越来越普及。双向DC-DC变换器顾名思义是一种正向反向均可工作，可实现能量双向流动的变换器。若通过单向DC-DC变换器方案与逆变器组合具备双向功能的架构，需要的功率器件加倍，不仅会导致成本上升，整体体积也会更庞大，这一优势在大功率场合会体现得更加突出。
软开关是使用软开关技术的开关过程。理想的软开关过程是电流或电压先降到零，电压或电流再缓慢上升到断态值，所以开关损耗近似为零。软开关能够实现功率变换器件的高频化。软开关电路中增加了谐振电感Lr和谐振电容Cr，与滤波电感L、电容C相比，Lr和Cr的值小得多，同时开关增加了反并联二极管，而硬开关电路中不需要这个二极管。降压型零电压开关准谐振电路中，在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了开关过程中电压、电流的重叠，从而大大减小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限值了开关过程中电压和电流的变化率，使开关噪声减小。
双向DC-DC变换器在不同功率，拓扑应用场合已经出现应用。而在优势更为明显的大功率双向应用场合，尤其是大功率软开关拓扑应用方面，功率器件实现兼容的技术难度也更大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种新颖的软开关双向DC-DC变换器，可实现低成本，高效率，高灵活性的软开关双向变换器解决方案。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种新颖的软开关双向DC-DC变换器，包括：控制器、第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4、LC谐振电路、变压器T1、第五MOS管Q5、第六MOS管Q6、第七MOS管Q7、第八MOS管Q8；
所述控制器分别通过控制信号与所述第一MOS管Q1的栅极、所述第二MOS管Q2的栅极、所述第三MOS管Q3的栅极、所述第四MOS管Q4的栅极相连，所述第一MOS管Q1的源极与所述第三MOS管Q3的漏极相连，所述第二MOS管Q2的源极与所述第四MOS管Q4的漏极相连；所述第一MOS管Q1的漏极与所述第二MOS管Q2的漏极相连并与电压V1相连，所述第二MOS管Q2的源极与所述第四MOS管Q4的源极相连并接地；
所述第一MOS管Q1的源极与所述LC谐振电路的一端相连、所述第二MOS管Q2与所述LC谐振电路的另一端相连，所述LC谐振电路的电感和电容之间串联所述变压器T1的原边，所述变压器T1的副边的一端与所述第六MOS管Q6的源极、所述第八MOS管Q8的漏极相连，所述变压器T1的副边的另一端与所述第五MOS管Q5的源极、所述第七MOS管Q7的漏极相连，所述第五MOS管Q5的漏极、所述第六MOS管Q6的漏极相连并与电压V2相连；所述第七MOS管Q7的源极、所述第八MOS管Q8的源极相连并接地，
所述第五MOS管Q5的栅极、所述第六MOS管Q6的栅极、所述第七MOS管Q7的栅极、所述第八MOS管Q8的栅极分别于所述控制器的信号相连。
本发明的一种优选实施方式中，所述LC谐振电路包括第一电感和第二电感，所述第一电感与所述第二电感串联，且所述第二电感与第一继电器并联。
本发明的一种优选实施方式中，所述第一继电器的一端与工作电压相连，所述第一继电器的另一端与控制器相连。
本发明的一种优选实施方式中，所述LC谐振电路包括第一电容和第二电容，所述第一电容与所述第二电容并联，且所述第二电容与第二继电器串联。
本发明的一种优选实施方式中，所述第二继电器的一端与工作电压相连，所述第二继电器的另一端与控制器相连。
本发明提供的一种新颖的软开关双向DC-DC变换器，通过采用Q1，Q2，Q3，Q4为正向主开关MOS，Q5，Q6，Q7，Q8为正向同步整流MOS。先确定主变压器T1的参数，以及谐振电感(L1，L2)，谐振电容的(C1，C2)参数。然后进行反向设计，Q5，Q6，Q7，Q8为反向主开关MOS，Q1，Q2，Q3，Q4为反向同步整流MOS，根据设计需求，进行谐振腔参数调整，具体调整方式为通过继电器RLY1和RLY2的开关控制，进行谐振电感以及谐振电容参数的切换，以达到灵活设计谐振参数的目的。在进行功率能量传输前，会进行流向检测，确定工作模式为正向或者反向，然后根据对应继电器开关调节匹配的谐振参数，确认功率回路参数OK后，最后进行能量传输。。
附图说明
图1是本发明的一种新颖的软开关双向DC-DC变换器变换电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例：
参见图1所示，正向功率部分设计与单向全桥LLC设计相同，V1为正向输入电压，V2为正向输出电压。Q1，Q2，Q3，Q4为正向主开关MOS，Q5，Q6，Q7，Q8为正向同步整流MOS。先确定主变压器T1的参数，以及谐振电感(L1，L2)，谐振电容的(C1，C2)参数。然后进行反向设计，Q5，Q6，Q7，Q8为反向主开关MOS，Q1，Q2，Q3，Q4为反向同步整流MOS，根据设计需求，进行谐振腔参数调整，具体调整方式为通过继电器RLY1和RLY2的开关控制，进行谐振电感以及谐振电容参数的切换，以达到灵活设计谐振参数的目的。
在进行功率能量传输前，会进行流向检测，确定工作模式为正向或者反向，然后根据对应继电器开关调节匹配的谐振参数，确认功率回路参数OK后，最后进行能量传输。
以全桥LLC软开关为例，不限于此种软开关拓扑应用。在传统的单向全桥LLC拓扑架构基础上，正向全桥4个主开关MOS作为反向输出的同步整流管，正向的输出桥式整流管作为反向的主开关MOS使用，即通过检测功率流向，使用不同的控制方式，实现主开关MOS的驱动控制，以及输出同步整流MOS的控制方式。且主功率变换器也不需要新增，主变压器，谐振器件也可进行共用，功率器件成本基本保持不变。反向拓扑原理上与正向传统LLC谐振腔在输入侧不同，反向的谐振腔在输出侧。为了更加灵活实现正向，反向的谐振腔参数设计，采用器件参数灵活调制的方式实现功率能量转化输出，本解决方案不限于实施案例中架构方式，只要通过开关形态改变谐振参数，均适用于本专利权益范围。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施方式中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，这里所称得的存储介质，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种新颖的软开关双向DC-DC变换器，其特征在于，包括：控制器、第一MOS管(Q1)、第二MOS管(Q2)、第三MOS管(Q3)、第四MOS管(Q4)、LC谐振电路、变压器(T1)、第五MOS管(Q5)、第六MOS管(Q6)、第七MOS管(Q7)、第八MOS管(Q8)；
所述控制器分别通过控制信号与所述第一MOS管(Q1)的栅极、所述第二MOS管(Q2)的栅极、所述第三MOS管(Q3)的栅极、所述第四MOS管(Q4)的栅极相连，所述第一MOS管(Q1)的源极与所述第三MOS管(Q3)的漏极相连，所述第二MOS管(Q2)的源极与所述第四MOS管(Q4)的漏极相连；所述第一MOS管(Q1)的漏极与所述第二MOS管(Q2)的漏极相连并与电压V1相连，所述第二MOS管(Q2)的源极与所述第四MOS管(Q4)的源极相连并接地。
2.根据权利要求1所述的一种新颖的软开关双向DC-DC变换器，其特征在于，所述第一MOS管(Q1)的源极与所述LC谐振电路的一端相连、所述第二MOS管(Q2)与所述LC谐振电路的另一端相连，所述LC谐振电路的电感和电容之间串联所述变压器(T1)的原边，所述变压器(T1)的副边的一端与所述第六MOS管(Q6)的源极、所述第八MOS管(Q8)的漏极相连，所述变压器(T1)的副边的另一端与所述第五MOS管(Q5)的源极、所述第七MOS管(Q7)的漏极相连，所述第五MOS管(Q5)的漏极、所述第六MOS管(Q6)的漏极相连并与电压V2相连；所述第七MOS管(Q7)的源极、所述第八MOS管(Q8)的源极相连并接地。
3.根据权利要求1所述的一种新颖的软开关双向DC-DC变换器，其特征在于，所述第五MOS管(Q5)的栅极、所述第六MOS管(Q6)的栅极、所述第七MOS管(Q7)的栅极、所述第八MOS管(Q8)的栅极分别于所述控制器的信号相连。
4.根据权利要求1所述的一种新颖的软开关双向DC-DC变换器，其特征在于，所述LC谐振电路包括第一电感和第二电感，所述第一电感与所述第二电感串联，且所述第二电感与第一继电器并联。
5.根据权利要求4所述的一种新颖的软开关双向DC-DC变换器，其特征在于，所述第一继电器的一端与工作电压相连，所述第一继电器的另一端与控制器相连。
6.根据权利要求1所述的一种新颖的软开关双向DC-DC变换器，其特征在于，所述LC谐振电路包括第一电容和第二电容，所述第一电容与所述第二电容并联，且所述第二电容与第二继电器串联。
7.根据权利要求6所述的新型的一种新颖的软开关双向DC-DC变换器，其特征在于，所述第二继电器的一端与工作电压相连，所述第二继电器的另一端与控制器相连。
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