CN109802572B - 一种功率路由器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种功率路由器及其控制方法，所述功率路由器包括双向开关、DC/DC变换器电路、控制器及MCU模块，所述DC/DC变换器电路的输入端和输出端分别与双向开关连接，所述MCU模块通过控制器与DC/DC变换器电路连接，两路及以上的DC/DC变换器电路并联连接；两路及以上的DC/DC变换器电路采用隔离变压器的多绕组进行多路输入和多路输出。采用本发明的技术方案，采用单级隔离拓扑实现了多端口的输入输出，能够满足随时随地充电，同时又能够保证安全可靠的充电，而且具有体积小、重量轻、安全、效率高、支持新能源接入的特点。

Description

一种功率路由器及其控制方法

技术领域

本发明属于电子设备技术领域，尤其涉及一种功率路由器及其控制方法。

背景技术

在这个科技信息高速发达的时代，手机、平板电脑、便携式计算机和相机等电子设备已经成为人们出行的必需品。不管身处何地，人们总是希望这些设备能够有充足的电量保证设备正常工作，来满足自己的工作、生活需求。因此，我们随身总是要携带各种电子设备的充电器，来满足不同电子设备的电压等级变换，这不仅增加了出行的负担，而且常规的电子设备充电器通常取电于单相电网插座，当我们外出时，这并不能随时随地的满足我们充电的需求。因此，我们迫切的需要这样一种设备，能够满足随时随地充电、同时又能够保证安全可靠充电。这就要求这种设备要具有体积小、重量轻、安全、效率高、支持新能源接入的特点。

目前已有的设备中，无法同时满足上述需求。比如，能够满足太阳能接入的便携式移动电源，这种设备采用非隔离拓扑，为了满足安全性的要求，只能支持低压输出，使得充电设备的种类受限，或者为了满足高压安全性要求，前级需要加入隔离拓扑级联，这样又会使得效率变低。因此我们需要的这种能源路由器要具有多个端口，可以灵活复用，输入输出电气隔离，可接入多个不同电压等级设备进行充电，支持新能源接入进行电能转换（如太阳能、风能及燃料电池等）。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种功率路由器及其控制方法，该功率路由器采用单级隔离拓扑就实现了多端口的功率路由器的功能，而且具有高效隔离的效果。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种功率路由器，其包括双向开关、DC/DC变换器电路、控制器及MCU模块，所述DC/DC变换器电路的输入端和输出端分别与双向开关连接，所述MCU模块通过控制器与DC/DC变换器电路连接，两路及以上的DC/DC变换器电路并联连接；两路及以上的DC/DC变换器电路采用隔离变压器的多绕组进行多路输入和多路输出。

其中，输入源可以是AC/DC源、各种电池以及风车、燃料电池、太阳能电池帆板等新能源。输出负载可以是常用的电子类设备、可充电电池等。由于可以采用新能源作为输入源，因此可随时地通过功率路由器实现设备充电功能。

作为本发明的进一步改进，所述DC/DC变换器电路为双向全桥式DC/DC变换器电路。

作为本发明的进一步改进，所述DC/DC变换器电路包括电容C1、电容C2、钳位电容、电感L1、开关管Q1~Q4、钳位管Q5、开关管Q6~Q9、隔离变压器，所述隔离变压器包括第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端，所述电容C1的两端分别与开关管Q8的D极、开关管Q9的D极、开关管Q6的S极、开关管Q7的S极连接，所述开关管Q9的S极与开关管Q6的D极连接后与隔离变压器的第一输入端连接，所述开关管Q8的S极与开关管Q7的D极连接后与隔离变压器的第二输入端连接；所述电容C1的两端与双向开关连接后构成功率路由器的一个输入Vin端；

所述电容C2的一端与电感L1的一端连接，所述电容C2的另一端与开关管Q5的D极、开关管Q2的S极、开关管Q1的S极连接，所述电感L1的另一端与钳位电容的一端、开关管Q3的D极、开关管Q4的D极连接，所述开关管Q4的S极与开关管Q1的D极连接后与隔离变压器的第一输出端连接，所述开关管Q3的S极与开关管Q2的D极连接后与隔离变压器的第二输出端连接，所述钳位电容的另一端与开关管Q5的S极连接，所述电容C2的两端与双向开关连接后构成功率路由器的一个输出Vout端。

其中，开关管Q1~Q4、钳位管Q5、开关管Q6~Q9 的选型以满足电路中电压电流最大值的要求，并留有一定的裕量。为了尽量提高效率，可选用寄生结电容和导通内阻尽量小的MOS管。

作为本发明的进一步改进，所述开关管Q1~Q4、开关管Q6~Q9为MOS晶体管。

进一步的，每路DC/DC变换器电路共用一个隔离变压器，利用变压器的多绕组特性，产生多路输出给不同的端口，可根据变压器的匝比及占空比关系，设定一个期望的输出电压范围。每个端口根据常用设备的电压种类分别定义成不同的电压等级，增加了实用性。

本发明还提供了如上任意一项所述的功率路由器的控制方法，若接入的设备只有输入源，MCU模块下发指令给控制器，控制双向DC/DC变换器输出电压；若MCU模块检测输入端口电流小于设定值，则关断输入端的双向开关，使DC/DC变换器不工作；若同时有输入源和负载接入时，将负载接入对应电压类别的端口，通过控制Vin端占空比死区时间或Vout端占空比共通时间，从而得到期望的输出电压或输出电流值；若有两个输入源接入时，则保持一个输入源不工作，当另一个输入源突然断电时，作为UPS使用。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

采用本发明的技术方案，采用单级隔离拓扑实现了多端口的输入输出，能够满足随时随地充电，同时又能够保证安全可靠的充电，而且具有体积小、重量轻、安全、效率高、支持新能源接入的特点。

附图说明

图1是本发明一种功率路由器的整体架构图。

图2是本发明一种功率路由器的单输入输出双向全桥式DC/DC变换器电路图。

图3是本发明一种功率路由器的Boost模式下DC/DC变换器波形图。

图4是本发明一种功率路由器的 Buck模式下DC/DC变换器波形图。

具体实施方式

下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

如图1和图2所示，一种功率路由器，其包括n个双向开关、DC/DC变换器电路、控制器及MCU模块，所述DC/DC变换器电路的输入端和输出端分别与双向开关连接，所述MCU模块通过控制器与DC/DC变换器电路连接，两路及以上的DC/DC变换器电路并联连接；两路以上（n/2）的DC/DC变换器电路采用隔离变压器的多绕组进行多路输入和多路输出。即每路DC/DC变换器电路共用一个隔离变压器，利用变压器的多绕组特性，产生多路输出给不同的端口，可根据变压器的匝比及占空比关系，设定一个期望的输出电压范围。每个端口根据常用设备的电压种类分别定义成不同的电压等级，增加了实用性。其中多路输入的输入源包括AC/DC源、锂离子电池、风车、燃料电池、太阳能电池。

如图1和图2所示，所述DC/DC变换器电路为双向全桥式DC/DC变换器电路。下面介绍其中一路DC/DC变换器电路，其他DC/DC变换器电路的电路结构与此相同。所述DC/DC变换器电路包括电容C1、电容C2、钳位电容、电感L1、开关管Q1~Q4、钳位管Q5、开关管Q6~Q9、隔离变压器，所述隔离变压器包括第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端，所述电容C1的两端分别与开关管Q8的D极、开关管Q9的D极、开关管Q6的S极、开关管Q7的S极连接，所述开关管Q9的S极与开关管Q6的D极连接后与隔离变压器的第一输入端连接，所述开关管Q8的S极与开关管Q7的D极连接后与隔离变压器的第二输入端连接；所述电容C1的两端与双向开关连接后构成功率路由器的一个输入Vin端；

所述电容C2的一端与电感L1的一端连接，所述电容C2的另一端与开关管Q5的D极、开关管Q2的S极、开关管Q1的S极连接，所述电感L1的另一端与钳位电容的一端、开关管Q3的D极、开关管Q4的D极连接，所述开关管Q4的S极与开关管Q1的D极连接后与隔离变压器的第一输出端连接，所述开关管Q3的S极与开关管Q2的D极连接后与隔离变压器的第二输出端连接，所述钳位电容的另一端与开关管Q5的S极连接，所述电容C2的两端与双向开关连接后构成功率路由器的一个输出Vout端。所述开关管Q1~Q4、开关管Q6~Q9为MOS晶体管。

其中，开关管Q1~Q4、钳位管Q5、开关管Q6~Q9 的选型以满足电路中电压电流最大值的要求，并留有一定的裕量。为了尽量提高效率，可选用寄生结电容和导通内阻尽量小的MOS管。

MCU模块对电流、电压信息进行采集，可作过欠压、过流保护及开关机的功能，同时可在屏幕上显示当前端口的信息。该双向DC/DC变换器利用变压器的多绕组特性，产生多路输出给不同的端口，可根据变压器的匝比及占空比关系，设定一个期望的输出电压范围。每个端口根据常用设备的电压种类分别定义成不同的电压等级，增加了实用性。

下面对双向全桥式DC/DC变换器的工作模式进行介绍。

Boost Mode下工作（功率流动方向为Vout→Vin）：

从Vout到Vin以电流馈电全桥模式进行工作。对角开关管为相同占空比，调整Vout端开关管的共通时间来改变输出电压幅值。

如图3所示，以一组开关管Q1、Q3为例来描述有源钳位的工作。当开关管Q1、Q3关断时，在关断前流过FETs的电流开始转移，并开始流进钳位电容和钳位管Q5的体二极管。因为钳位电流经过钳位管Q5的体二极管，钳位管Q5可以在Tdelay1延时后以ZVS条件开通。在开关管Q1、Q3再次开通之前，钳位管Q5关断。由于钳位电流Iclamp的方向反向了，电流开始流经钳位管Q5的沟道，Iclamp立即降为0。因为流经漏感的电流不能立即改变，一小部分流过钳位管Q5的电流，开始流经开关管Q1、Q3的体二极管。这开始给开关管Q1、Q3的结电容Coss放电，使得Q1、Q3以ZVS条件或接近ZVS条件开通，因而减小了开通损耗。从钳位管Q5关断到开关管Q1、Q3开通的延时定义为Tdelay_2。

Buck Mode下工作（功率流动方向为Vin→Vout）：

从Vin到Vout以电压馈电全桥模式进行工作。同一桥臂占空比互补，对角开关管为相同占空比。通过Vin端开关管调整死区时间来改变输出电压幅值。波形图如图4所示。

应用单绕组双向全桥式DC/DC变换器的控制逻辑，当变压器为多绕组时，根据常用设备的电压等级，设置对应端口变压器绕组的匝数，来得到对应的输出电压。当设备进行充电时，根据设备的电压等级，插入对应的功率路由器端口进行充电。

如上所述的功率路由器的控制方法，包括以下内容：端口设备接入后，若接入的设备只有输入源，MCU模块下发指令给控制器，控制双向DC/DC变换器输出电压；若MCU模块检测输入端口电流小于设定值，则关断输入端的双向开关，使DC/DC变换器不工作；若同时有输入源和负载接入时，将负载接入对应电压类别的端口，通过控制Vin端占空比死区时间或Vout端占空比共通时间，从而得到期望的输出电压或输出电流值；若有两个输入源接入时，则保持一个输入源不工作，当另一个输入源突然断电时，可做UPS功能。该方式可以实现输入源与输出负载之间的电气隔离，提高了电气安全性，并且通过使用变压器的绕组耦合方式，仅通过一个双向DC/DC变换器就可以实现多个端口同时输出，大大减少了使用器件数量，体积更小。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种功率路由器，其特征在于：其包括双向开关、双向DC/DC变换器电路、控制器及MCU模块，所述双向DC/DC变换器电路的输入端和输出端分别与双向开关连接，所述MCU模块通过控制器与双向DC/DC变换器电路连接；两路及以上的双向DC/DC变换器电路采用隔离变压器的多绕组进行多路输入和多路输出；每路双向DC/DC变换器电路共用一个隔离变压器，利用变压器的多绕组特性，产生多路输出给不同的端口；

所述双向DC/DC变换器电路包括电容C1、电容C2、钳位电容、电感L1、开关管Q1~Q4、钳位管Q5、开关管Q6~Q9、隔离变压器，所述隔离变压器包括第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端，所述电容C1的两端分别与开关管Q8的D极、开关管Q9的D极、开关管Q6的S极、开关管Q7的S极连接，所述开关管Q9的S极与开关管Q6的D极连接后与隔离变压器的第一输入端连接，所述开关管Q8的S极与开关管Q7的D极连接后与隔离变压器的第二输入端连接；所述电容C1的两端与双向开关连接后构成功率路由器的一个输入Vin端；

所述电容C2的一端与电感L1的一端连接，所述电容C2的另一端与开关管Q5的D极、开关管Q2的S极、开关管Q1的S极连接，所述电感L1的另一端与钳位电容的一端、开关管Q3的D极、开关管Q4的D极连接，所述开关管Q4的S极与开关管Q1的D极连接后与隔离变压器的第一输出端连接，所述开关管Q3的S极与开关管Q2的D极连接后与隔离变压器的第二输出端连接，所述钳位电容的另一端与开关管Q5的S极连接，所述电容C2的两端与双向开关连接后构成功率路由器的一个输出Vout端；

若接入的设备只有输入源，MCU模块下发指令给控制器，控制双向DC/DC变换器输出电压；若MCU模块检测输入端口电流小于设定值，则关断输入端的双向开关，使双向DC/DC变换器不工作；若同时有输入源和负载接入时，将负载接入对应电压类别的端口，通过控制Vin端占空比死区时间或Vout端占空比共通时间，从而得到期望的输出电压或输出电流值；若有两个输入源接入时，则保持一个输入源不工作，当另一个输入源突然断电时，作为UPS使用。

2.根据权利要求1所述的功率路由器，其特征在于：所述DC/DC变换器电路为双向全桥式DC/DC变换器电路。

3.根据权利要求1所述的功率路由器，其特征在于：所述开关管Q1~Q4、开关管Q6~Q9为MOS晶体管。

4.根据权利要求1所述的功率路由器，其特征在于：多路输入的输入源包括AC/DC源、锂离子电池、风车、燃料电池、太阳能电池。

5.如权利要求1~4任意一项所述的功率路由器的控制方法，其特征在于：若接入的设备只有输入源，MCU模块下发指令给控制器，控制双向DC/DC变换器输出电压；若MCU模块检测输入端口电流小于设定值，则关断输入端的双向开关，使DC/DC变换器不工作；若同时有输入源和负载接入时，将负载接入对应电压类别的端口，通过控制Vin端占空比死区时间或Vout端占空比共通时间，从而得到期望的输出电压或输出电流值；若有两个输入源接入时，则保持一个输入源不工作，当另一个输入源突然断电时，作为UPS使用。

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