CN111146954A - 直流/直流变换器 - Google Patents

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CN111146954A CN202010127442.8A CN202010127442A CN111146954A CN 111146954 A CN111146954 A CN 111146954A CN 202010127442 A CN202010127442 A CN 202010127442A CN 111146954 A CN111146954 A CN 111146954A
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仰冬冬
孙浩
章进法
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Abstract

本公开提供一种直流/直流变换器，且包含滤波电路、第一侧开关电路、隔离变压电路、第二侧开关电路及耦合电路。滤波电路与低压侧电连接，包含滤波电容及滤波电感。第一侧开关电路、隔离变压电路及第二侧开关电路将滤波后的第一直流电压转换为第二直流电压至高压侧。耦合电路电连接于高压侧，包含耦合绕组及二极管，耦合绕组与滤波电感电磁耦合，二极管电连接于高压侧及耦合绕组之间，于第一侧开关电路截止时，耦合绕组经由电磁耦合接收滤波电感所存储的电能，并经由二极管传送至高压侧，二极管阻隔高压侧的电能传送至低压侧。

Description

直流/直流变换器
技术领域
本公开涉及一种变换器，特别涉及一种直流/直流变换器。
背景技术
传统直流/直流变换器中，一般仅将高压侧的电能转换并输出至低压侧，其中直流/直流变换器还具有滤波电路，与低压侧电连接，用以将低压侧所输出的电能进行滤波。然而，当直流/直流变换器的电能由低压侧传递至高压侧时，与滤波电路电连接的直流/直流变换器的开关电路在直流/直流变换器处于启动过程或关断过程时的存在模态是处于截止状态，因此滤波电路中的滤波电感所存储的电能无法经由开关电路进行转换与传递，从而转化至与滤波电路电连接的直流/直流变换器中的开关元件的电压上，如此一来，会在与滤波电路电连接的直流/直流变换器中的开关元件的两端形成较大的电压尖峰而容易造成损坏。
因此，如何发展一种克服上述缺点的直流/直流变换器，实为目前迫切的需求。
发明内容
本公开的目的为提供一种直流/直流变换器，其可使开关元件不易损坏，且可使与直流/直流变换器所连接的高压侧更快速地达到额定电能。
为达上述目的，本公开的一实施方式为提供一种直流/直流变换器，电连接于低压侧及高压侧之间，且包含滤波电路、第一侧开关电路、隔离变压电路、第二侧开关电路及耦合电路。滤波电路与低压侧电连接，滤波电路至少包含滤波电感。第一侧开关电路包含至少一开关元件，与滤波电路电连接，用以进行导通或截止的切换。隔离变压电路包括第一侧及第二侧，隔离变压电路之第一侧与第一侧开关电路电连接。第二侧开关电路电连接于隔离变压电路的第二侧及高压侧之间。耦合电路电连接于高压侧，且包含耦合绕组及耦合二极管，耦合绕组与滤波电感电磁耦合，耦合二极管的阴极电连接于高压侧，耦合二极管的阳极电连接于耦合绕组的一端。
附图说明
图1为本公开优选实施例的直流/直流变换器的模块结构示意图。
图2为图1所示的直流/直流变换器的细节电路结构示意图。
图3为图1所示的直流/直流变换器的另一实施例的细节电路结构示意图。
符号说明
LV： 低压侧
HV： 高压侧
1： 直流/直流变换器
2： 滤波电路
21： 滤波电容
211： 第一端
212： 第二端
22： 滤波电感
221： 第一端
222： 第二端
3： 第一侧开关电路
31： 第一开关元件
311： 第一端
312： 第二端
32： 第二开关元件
321： 第一端
322： 第二端
4： 开关箝位电路
41： 第一开关箝位电路
411： 第三开关元件
411a： 第一端
411b： 第二端
412： 第一电阻
412a： 第一端
412b： 第二端
413： 第二二极管
414： 第一箝位电容
414a： 第一端
414b： 第二端
42： 第二开关箝位电路
421： 第四开关元件
421a： 第一端
421b： 第二端
422： 第二电阻
422a： 第一端
422b： 第二端
423： 第三二极管
424： 第二箝位电容
424a： 第一端
424b： 第二端
5： 隔离变压电路
51： 第一级绕组
52： 第二级绕组
6： 第二侧开关电路
61a、61b： 第五开关元件
62a、62b： 第六开关元件
7： 耦合电路
71： 耦合绕组
72： 第一二极管
具体实施方式
体现本公开特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施方式上具有各种变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用于限制本公开。
请参阅图1及图2，其中图1为本公开优选实施例的直流/直流变换器的模块结构示意图，图2为图1所示的直流/直流变换器的细节电路结构示意图。本实施例的直流/直流变换器1电连接于低压侧LV及高压侧HV之间，其中低压侧LV的电压可为但不限为介于9-60V之间，也可以为48V，高压侧HV的电压可为但不限为介于200V-1000V之间，也可以为1000V，且本实施例的直流/直流变换器1可为单向变换器，即直流/直流变换器1可将低压侧LV所输出的电能转换而提供至高压侧HV。优选的，本实施例的直流/直流变换器1为双向变换器，即直流/直流变换器1不但可将低压侧LV所输出的电能转换而提供至高压侧HV，亦可将高压侧HV所输出的电能转换而提供至低压侧LV。
本实施例的直流/直流变换器1包含滤波电路2、第一侧开关电路3、隔离变压电路5、第二侧开关电路6以及耦合电路7。
滤波电路2与低压侧LV电连接，以于直流/直流变换器1将低压侧LV的电能转换而提供至高压侧HV时对低压侧LV的第一直流电压进行滤波，且滤波电路2至少包含滤波电感22。于一些实施例中，滤波电路2还包含滤波电容21。滤波电容21的第一端211电连接于低压侧LV的正极，滤波电容21的第二端212电连接于低压侧LV的负极。滤波电感22的第一端221与低压侧LV的正极电连接。
第一侧开关电路3与滤波电路2电连接而从滤波电路2接收滤波后的第一直流电压，且第一侧开关电路3可进行导通或截止的切换，以将滤波后的第一直流电压转换，进而输出第一交流电压。隔离变压电路5与第一侧开关电路3电连接，于第一侧开关电路3输出第一交流电压时，隔离变压电路5转换第一交流电压为第二交流电压。第二侧开关电路6电连接于隔离变压电路5及高压侧HV之间，第二侧开关电路6可进行导通或截止的切换，以于隔离变压电路5输出第二交流电压时，转换第二交流电压，以输出第二直流电压至高压侧HV。
耦合电路7的一端与高压侧HV电连接，且包含耦合绕组71及第一二极管72，耦合绕组71与滤波电路2的滤波电感22电磁耦合，其中第一二极管72可视为耦合二极管，且第一二极管72的阳极与耦合绕组71的一端电连接，第一二极管72的阴极与高压侧HV电连接，当直流/直流变换器1由低压侧LV向高压侧HV传递电能且处于启动过程或关断过程时，第一侧开关电路3存在截止的模态，耦合绕组71可因与滤波电感22的电磁耦合而接收滤波电感22上所存储的电能，并经由第一二极管72而传送至高压侧HV，另外，在一个实施例中，在直流/直流变换器1由低压侧LV向高压侧HV传递电能，直流/直流变换器1稳态工作，且第一侧开关电路3的至少一开关元件的占空比大于50％时，第一二极管72截止，阻隔高压侧HV的电能经由耦合绕组71及滤波电感22传送至低压侧LV。
由上可知，本公开的直流/直流变换器1包含耦合电路7，当直流/直流变换器1处于启动过程或关断过程时，第一侧开关电路3存在截止的模态，耦合电路7可经由电磁耦合而接收滤波电感22上所存储的电能，并经由第一二极管72传送至高压侧HV，因此，本公开的直流/直流变换器1可在启动过程或关断过程时，将存储于滤波电路2内的电能泄放至高压侧HV，故可避免本公开的第一侧开关电路3内的开关元件的两端出现电压尖峰，因跨压过大而造成损坏。此外，由于本公开的直流/直流变换器1不但可于第一侧开关电路3导通时，将第一直流电能经由滤波电路2、第一侧开关电路、隔离变压电路5及第二侧开关电路6转换而传送至高压侧HV，在第一侧开关电路3截止时，亦可经由耦合绕组71及第一二极管72将第一直流电能传送至高压侧HV，因此本公开的直流/直流变换器1可使高压侧HV更快速地达到额定电能。
在一实施例中，本公开的直流/直流变换器1稳态工作是指第一侧开关电路3中的至少一开关元件的占空比大于50％。应当理解的是本公开不限定于此。
直流/直流变换器1亦可将高压侧HV所输出的电能转换而提供至低压侧LV，即当高压侧HV输出一第三直流电压时，第二侧开关电路6转换第三直流电压为第三交流电压，隔离变压电路5则转换第三交流电压为第四交流电压，第一侧开关电路3便转换第四交流电压为第四直流电压，而滤波电路2对第四直流电压进行滤波，以输出至低压侧LV，并且第一二极管72截止，阻隔高压侧HV的电能经由耦合绕组71及滤波电感22传送至低压侧LV。
请继续参阅图1及图2，本实施例的第一侧开关电路3包含第一开关元件31及第二开关元件32，其中第一开关元件31及第二开关元件32分别可为但不限为金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极性晶体管(IGBT)氮化镓(GaN)器件或碳化硅(SiC)器件。第一开关元件31的第一端311、第二开关元件32的第一端321与滤波电容21的第二端212电连接，且第一开关元件31与第二开关元件32的导通方式为相位相差180度，另外，在直流/直流变换器1处于启动过程时，第一开关元件31及第二开关元件32的占空比分别由0逐渐上升至50％，当直流/直流变换器1进入稳态工作后，第一开关元件31及第二开关元件32的占空比大于或等于50％。
隔离变压电路5包含相互电磁耦合的第一级绕组51及第二级绕组52，第一级绕组51为中心抽头结构，第一级绕组51的中心抽头端与滤波电感22的第二端222电连接，第一级绕组51的第一端与第一开关元件31的第二端312电连接，第一级绕组51的第二端与第二开关元件32的第二端322电连接。
于一些实施例中，第二级绕组52及第一级绕组51之间的匝数比大于或等于耦合绕组71与滤波电感22之间的匝数比，而通过匝数比的设置，便可于直流/直流变换器1的启动过程中，即，第一开关元件31及与第二开关元件32的占空比分别由0逐渐上升至50％时，高压侧HV的电压小于耦合绕组71与第一二极管72电连接的一端的电压，使得第一二极管72导通，而能将耦合绕组71上的电能传送至高压侧HV。而当直流/直流变换器1进入稳态工作后，高压侧HV的电压可大于耦合绕组71与第一二极管72电连接的一端的电压，使得第一二极管72截止而阻隔高压侧HV的电能传送至耦合绕组71。
于本实施例中，第二侧开关电路6包含相互并联的第一桥臂及第二桥臂，其中第一桥臂的两端及第二桥臂的两端分别电连接于高压侧HV的正极与负极之间。第一桥臂是包含两个相互串联的第五开关元件61a及61b，两个第五开关元件61a及61b相连接的中心点与隔离变压电路5的第二级绕组52的第一端电连接。第二桥臂包含两个相互串联的第六开关元件62a及62b，两个第六开关元件62a及62b相连接的中心点与隔离变压电路5的第二级绕组52的第二端电连接。
直流/直流变换器1还包含至少一开关箝位电路4，例如图2所示为第一开关箝位电路41及第二开关箝位电路42，分别用以限制第一开关元件31的两端的电压及第二开关元件32的两端的电压。第一开关箝位电路41与第一开关元件31并联连接，且包含第三开关元件411、第一电阻412、第二二极管413及第一箝位电容414。第三开关元件411的第一端411a与第一开关元件31的第一端311电连接，第一电阻412的第一端412a与第三开关元件411的第二端411b电连接。第二二极管413可视为箝位二极管，且第二二极管413的阴极与第三开关元件411的第一端411a及第一开关元件31的第一端311电连接，第二二极管413的阳极与第一电阻412的第二端412b电连接。第一箝位电容414的第一端414a与第一电阻412的第二端412b及第二二极管413的阳极电连接，第一箝位电容414的第二端414b与第一开关元件31的第二端312电连接。第二开关箝位电路42与第二开关元件32并联连接，且包含第四开关元件421、第二电阻422、第三二极管423及第二箝位电容424，第四开关元件421的第一端421a与第二开关元件32的第一端321电连接，第二电阻422的第一端422a与第四开关元件421的第二端421b电连接。第三二极管423可视为箝位二极管，且第三二极管423的阴极与第四开关元件421的第一端421a及第二开关元件32的第一端321电连接，第三二极管423的阳极与第二电阻422的第二端422b电连接。第二箝位电容424的第一端424a与第二电阻422的第二端422b及第三二极管423的阳极电连接，第二箝位电容424的第二端424b与第二开关元件32的第二端322电连接。
于一些实施例中，如图3所示，第一开关箝位电路41不包含第一电阻，而仅包含第三开关元件411、第二二极管413及第一箝位电容414，其中第二二极管413的阳极与第三开关元件411的第二端411b电连接，第一箝位电容414的第一端414a与第三开关元件411的第二端411b及第二二极管413的阳极电连接。此外，第二开关箝位电路42不包含第二电阻，而仅包含第四开关元件421、第三二极管423及第二箝位电容424，其中第三二极管423的阴极与第四开关元件421的第二端421b电连接，第二箝位电容424的第一端424a与第四开关元件421的第二端421b及第三二极管423的阳极电连接。
综上所述，本公开的直流/直流变换器包含耦合电路，当直流/直流变换器处于启动过程或关断过程时，第一侧开关电路存在截止的模态，耦合电路经由电磁耦合而接收滤波电感上所存储的电能，并经由第一二极管传送至高压侧，因此，本公开的直流/直流变换器可在启动过程或关断过程中，将存储于滤波电路内的电能泄放至高压侧，故可避免本公开的第一侧开关电路内的开关元件的两端出现电压尖峰，因跨压过大而造成损坏。此外，由于本公开的直流/直流变换器不但可于第一侧开关电路导通时，将第一直流电能经由滤波电路、第一侧开关电路、隔离变压电路及第二侧开关电路转换而传送至高压侧，在第一侧开关电路截止时，亦可经由耦合绕组及第一二极管将第一直流电能传送至高压侧，因此本公开的直流/直流变换器可使高压侧更快速地达到额定电能。

Claims (13)

1.一种直流/直流变换器，电连接于一低压侧及一高压侧之间，且包含：
一滤波电路，与该低压侧电连接，该滤波电路至少包含一滤波电感；
一第一侧开关电路，包含至少一开关元件，与该滤波电路电连接，用以进行导通或截止的切换；
一隔离变压电路，包括一第一侧及一第二侧，该隔离变压电路的该第一侧与该第一侧开关电路电连接；
一第二侧开关电路，电连接于该隔离变压电路的该第二侧及该高压侧之间；以及
一耦合电路，电连接于该高压侧，且包含一耦合绕组及一耦合二极管，该耦合绕组与该滤波电感电磁耦合，该耦合二极管的阴极电连接于该高压侧，该耦合二极管的阳极电连接于该耦合绕组的一端。
2.如权利要求1所述的直流/直流变换器，其中该直流/直流变换器为双向直流/直流变换器。
3.如权利要求1所述的直流/直流变换器，其中该低压侧的电压为9-60V。
4.如权利要求1所述的直流/直流变换器，其中该高压侧的电压为200-1000V。
5.如权利要求1所述的直流/直流变换器，其中该第一侧开关电路包含一第一开关元件及一第二开关元件，该第一侧开关电路的该第一开关元件的一第一端与一滤波电容的一第二端及该第一侧开关电路的该第二开关元件的一第一端电连接，且该第一侧开关电路的该第一开关元件与该第二开关元件的导通方式为相位相差180度。
6.如权利要求5所述的直流/直流变换器，其中该隔离变压电路包含一第一级绕组与一第二级绕组，该第一级绕组为中心抽头结构，该第一级绕组的一中心抽头端与该滤波电感的一第二端电连接，该第一级绕组的一第一端与该第一侧开关电路的该第一开关元件的一第二端电连接，该第一级绕组的一第二端与该第一侧开关电路的该第二开关元件的一第二端电连接。
7.如权利要求6所述的直流/直流变换器，其中该第二级绕组与该第一级绕组之间的匝数比大于或等于该耦合绕组与该滤波电感之间的匝数比。
8.如权利要求6所述的直流/直流变换器，其中该第二侧开关电路包含相互并联的一第一桥臂及一第二桥臂，该第一桥臂包含两个相互串联的开关元件，该第一桥臂的这两个开关元件相连接的中心点与该第二级绕组的一第一端电连接，该第二桥臂包含两个相互串联的开关元件，该第二桥臂的这两个开关元件相连接的中心点与该第二级绕组的一第二端电连接。
9.如权利要求5所述的直流/直流变换器，其中该直流/直流变换器包含一第一开关箝位电路及一第二开关箝位电路，分别用以限制该第一侧开关电路的该第一开关元件的两端的电压及该第一侧开关电路的该第二开关元件的两端的电压。
10.如权利要求9所述的直流/直流变换器，其中该第一开关箝位电路包含一开关元件、一电阻、一箝位二极管及一箝位电容，该第一开关箝位电路的该开关元件的第一端与该第一侧开关电路的该第一开关元件的该第一端电连接，该第一开关箝位电路的该电阻的第一端与该第一开关箝位电路的该开关元件的第二端电连接，该第一开关箝位电路的该箝位二极管的阴极与该第一开关箝位电路的该开关元件的该第一端及该第一侧开关电路的该第一开关元件的该第一端电连接，该第一开关箝位电路的该箝位二极管的阳极与该第一开关箝位电路的该电阻的第二端电连接，该第一开关箝位电路的该箝位电容的第一端与该第一开关箝位电路的该电阻的该第二端及该第一开关箝位电路的该箝位二极管的阳极电连接，该第一开关箝位电路的该箝位电容的第二端与该第一侧开关电路的该第一开关元件的第二端电连接。
11.如权利要求9所述的直流/直流变换器，其中该第二开关箝位电路包含一开关元件、一电阻、一箝位二极管及一箝位电容，该第二开关箝位电路的该开关元件的第一端与该第一侧开关电路的该第二开关元件的该第一端电连接，该第二开关箝位电路的该电阻的第一端与该第二开关箝位电路的该开关元件的第二端电连接，该第二开关箝位电路的该箝位二极管的阴极与该第二开关箝位电路的该开关元件的该第一端及该第一侧开关电路的该第二开关元件的该第一端电连接，该第二开关箝位电路的该箝位二极管的阳极与该第二开关箝位电路的该电阻的第二端电连接，该第二开关箝位电路的该箝位电容的第一端与该第二开关箝位电路的该电阻的该第二端及该第二开关箝位电路的该箝位二极管的阳极电连接，该第二开关箝位电路的该箝位电容的第二端与该第一侧开关电路的该第二开关元件的第二端电连接。
12.如权利要求9所述的直流/直流变换器，其中该第一开关箝位电路包含一开关元件、一箝位二极管及一箝位电容，该第一开关箝位电路的该开关元件的第一端与该第一侧开关电路的该第一开关元件的该第一端电连接，该第一开关箝位电路的该箝位二极管的阴极与该第一开关箝位电路的该开关元件的该第一端及该第一侧开关电路的该第一开关元件的该第一端电连接，该第一开关箝位电路的该箝位二极管的阳极与该第一开关箝位电路的该开关元件的第二端电连接，该第一开关箝位电路的该箝位电容的第一端与该第一开关箝位电路的该开关元件的该第二端及该第一开关箝位电路的该箝位二极管的阳极电连接，该第一开关箝位电路的该箝位电容的第二端与该第一侧开关电路的该第一开关元件的第二端电连接。
13.如权利要求9所述的直流/直流变换器，其中该第二开关箝位电路包含一开关元件、一箝位二极管及一箝位电容，该第二开关箝位电路的该开关元件的第一端与该第一侧开关电路的该第二开关元件的该第一端电连接，该第二开关箝位电路的该箝位二极管的阴极与该第二开关箝位电路的该开关元件的该第一端及该第一侧开关电路的该第二开关元件的该第一端电连接，该第二开关箝位电路的该箝位二极管的阳极与该第二开关箝位电路的该开关元件的第二端电连接，该第二开关箝位电路的该箝位电容的第一端与该第二开关箝位电路的该开关元件的该第二端及该第二开关箝位电路的该箝位二极管的阳极电连接，该第二开关箝位电路的该箝位电容的第二端与该第一侧开关电路的该第二开关元件的第二端电连接。
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