CN111404386B - 一种正负双向开关电源的功率变换装置及控制方法 - Google Patents

一种正负双向开关电源的功率变换装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种正负双向开关电源的功率变换装置，包括功率变换单元、控制单元、可充放电储能单元一、可充放电储能单元二；功率变换单元分别连接可充放电储能单元一、可充放电储能单元二，控制单元分别连接控制功率变换单元、可充放电储能单元一、可充放电储能单元二。本装置和方法，可以一体化的实现隔离型正负输出双向传递开关电源的功率变换功能，不需要多台设备相互连接来实现这些功能；进而大幅度降低设备体积，有效的降低成本，本发明还可以提供更高的功率转换效率，起到节能的效果。

Description

一种正负双向开关电源的功率变换装置及控制方法
技术领域
本发明涉及开关电源领域，特别是一种隔离型正负输出双向传递开关电源的功率变换装置及控制方法。
背景技术
常规开关电源能实现功率的单向变换和传输，输出电压也为正或负。在一些特殊应用场合，要求能量双向传递，输出电压正负可变，比如铅酸电池双向赋能领域，使用现有的常规开关电源，需要增加额外设备来实现上述功能，成本高，体积大。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种隔离型正负输出双向传递开关电源的功率变换装置及控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种正负双向开关电源的功率变换装置，包括功率转换单元、控制单元、可充放电储能单元一、可充放电储能单元二；功率转换单元分别连接可充放电储能单元一、可充放电储能单元二，控制单元分别连接控制功率转换单元、可充放电储能单元一、可充放电储能单元二。
本发明中，功率转换单元包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、储能电感L1、变压器T1；
储能电感L1的一端与第四电容C4相连，定义网络为V2；
储能电感L1的另一端与第三开关管Q3的一端和变压器T1的PIN4连接在一起，定义网络为V3；
第四电容C4的另一端与第六开关管Q6和第四开关管Q4共同连接，定义网络为GND2；第六开关管Q6的另一端与第五开关管Q5的一端连接；
第五开关管Q5的另一端与变压器T1的PIN5连接；
第四开关管Q4的另一端与第三开关管Q3的一端连接；
第三开关管Q3的另一端与变压器T1的PIN3连接；
第一电容C1的一端与第一开关管Q1、第二电容C2共同连接，定义网络为V1；
第一电容C1的另一端与第二开关管Q2、第三电容C3共同连接，定义网络为GND1；第一开关管Q1的另一端和、第二开关管Q2的另一端连接；
第二电容C2的另一端和第三电容C3的另一端连接；
第一开关管Q1的控制端、第二开关管Q2的控制端、第三开关管Q3的控制端、第四开关管Q4的控制端、第五开关管Q5的控制端、第六开关管Q6的控制端分别连接到控制单元；
控制单元检测V1与GND1之间的电压、V2与GND2之间的电压、储能电感L1的电流I_L1。
本发明中，可充放电储能单元一为可充放电储能器件。
本发明中，可充放电储能单元二为可充放电储能器件。
本发明中，当V2相对于GND2的电压为正，且需要对可充放电储能单元二正向充电时，控制单元控制功率转换单元使储能电感L1的平均电流I_L1从网络V3流向网络V2，完成第一象限对可充放电储能单元二正向充电，此时，可充放电储能单元一作为供电电源向功率转换单元放电；
当V2相对于GND2的电压为正，且需要对可充放电储能单元二正向放电时，控制单元控制功率转换单元使储能电感L1的平均电流I_L1从网络V2流向网络V3，完成第四象限对可充放电储能单元二正向放电，此时，可充放电储能单元一作为储能负载，由功率转换单元对其充电；
当V2相对于GND2的电压为负，且需要对可充放电储能单元二负向充电时，控制单元控制功率转换单元使储能电感L1的平均电流I_L1从网络V2流向网络V3，完成第三象限对可充放电储能单元二负向充电，此时，可充放电储能单元一作为供电电源向功率转换单元放电；
当V2相对于GND2的电压为负，且需要对可充放电储能单元二负向放电时，控制单元控制功率转换单元使储能电感L1的平均电流I_L1从网络V3流向网络V2，完成第二象限对可充放电储能单元二负向放电，此时，可充放电储能单元一作为储能负载，由功率转换单元对其充电。
有益效果：1、常规开关电源能实现功率的单向变换和传输，输出电压也为仅能是正或仅能是负；本专利提供的装置和方法实现了功率的隔离双向传输，且输出电压可以输出正，也可以输出负。
2、本装置和方法，可以一体化的实现隔离型正负输出双向传递开关电源的功率变换功能，不需要多台设备相互连接来实现这些功能；进而大幅度降低设备体积，有效的降低成本，本发明还可以提供更高的功率转换效率，起到节能的效果。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明的隔离型正负输出双向传递开关电源的功率变换装置及控制方法的示意图。
图2是本发明的隔离型正负输出双向传递开关电源的功率变换的原理图。
图3是本发明的可充放电储能单元二四象限电流电压充放电抽象图。
具体实施方式
如图1所示，包括功率转换单元1、控制单元2、可充放电储能单元一3、可充放电储能单元二4；其中可充放电储能单元一3与功率转换单元1的一端连接，可充放电储能单元二4与功率转换单元1的另一端连接，控制单元2分别连接功率转换单元1、可充放电储能单元一3和可充放电储能单元二4。
控制单元2的主控制芯片采用TI公司的TMS320F28335型号产品，控制单元2里还有运放LM258、电阻、电容等组成的采样调理电路，通过采样蓄电池端电压和流过L1的电流，识别电池电压和流过电池的电流，一并提供给主控芯片；控制单元2里还有隔离驱动变压器、二极管、电容、电阻等组成的驱动电路。
如图2所示，功率转换单元1包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、储能电感L1、变压器T1；
储能电感L1的一端与第四电容C4相连，定义网络为V2；
储能电感L1的另一端与第三开关管Q3的一端和变压器T1的PIN4连接在一起，定义网络为V3；
第四电容C4的另一端与第六开关管Q6和第四开关管Q4共同连接，定义网络为GND2；第六开关管Q6的另一端与第五开关管Q5的一端连接；
第五开关管Q5的另一端与变压器T1的PIN5连接；
第四开关管Q4的另一端与第三开关管Q3的一端连接；
第三开关管Q3的另一端与变压器T1的PIN3连接；
第一电容C1的一端与第一开关管Q1、第二电容C2共同连接，定义网络为V1；
第一电容C1的另一端与第二开关管Q2、第三电容C3共同连接，定义网络为GND1；第一开关管Q1的另一端和、第二开关管Q2的另一端连接；
第二电容C2的另一端和第三电容C3的另一端连接；
第一开关管Q1的控制端、第二开关管Q2的控制端、第三开关管Q3的控制端、第四开关管Q4的控制端、第五开关管Q5的控制端、第六开关管Q6的控制端分别连接到控制单元2。
控制单元2检测V1与GND1之间的电压、V2与GND2之间的电压、储能电感L1的电流I_L1。控制单元2检测V1与GND1之间的电压，控制单元2检测V2与GND2之间的电压，控制单元2检测L1的电流I_L1.第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6均采用电力MOSFET，并使其完全导通时产生的压降尽可能小。
可充放电储能单元一3为可充放电储能器件，比如电容、电池等，图1以电池为例；可充放电储能单元一3可外接供电电源，也可外接放电负载，或者两者都接；可充放电储能单元一3与功率转换单元1的一端连接；网络V1接可充放电储能单元一3的正极，网络GND1接可充放电储能单元一3的负极。
可充放电储能单元二4为可充放电储能器件，比如电容、电池等，图1以电池为例；可充放电储能单元二4可外接供电电源，也可外接放电负载，或者两者都接；可充放电储能单元二4与功率转换单元1的一端连接；网络V2接可充放电储能单元二4的正极，网络GND2接可充放电储能单元二4的负极。
本发明中，还提供了一种隔离型正负输出双向传递开关电源的功率变换控制方法，具体说明实现该方法的情况，如图3：
情况1：当V2相对于GND2的电压为正，且需要对可充放电储能单元二4正向充电时，控制单元2控制功率转换单元1的Q1～Q6六个管子导通和关断，具体是：Q4&Q6导通；Q1&Q5为一组同时导通和关断定义为A组；Q2&Q3为一组同时导通和关断，定义为B组；A、B两组交替导通，步骤1：A先导通ton，步骤2：A关闭，toff时间后，步骤3：B导通ton，步骤4：然B关闭，toff时间后，重复步骤1～4；使储能电感L1的平均电流I_L1从网络V3流向网络V2，完成第一象限对可充放电储能单元二4正向充电。
C1电压定义为v1；C2电压定义为v2；T1原副边匝比为n：
他们符合关系式：v2＝0.5*v1*ton/(ton+toff)/n。
情况2：当V2相对于GND2的电压为正，且需要对可充放电储能单元二4正向放电时，控制单元2控制功率转换单元1的Q1～Q6六个管子导通和关断，具体是：Q4&Q6导通；步骤1：Q3&Q5导通ton1，步骤2：Q3关断&Q1导通时间段长度toff，toff此处表示Q3关断&Q1导通的时间；步骤3：Q3&Q5导通ton1；步骤4：Q5关断&Q2导通toff；重复步骤1～4；使储能电感L1的平均电流I_L1从网络V2流向网络V3，完成第四象限对可充放电储能单元二4正向放电，此时，可充放电储能单元一3作为储能负载，由功率转换单元1对其充电；
C1电压定义为v1；C2电压定义为v2；T1原副边匝比为n：
他们符合关系式：v1＝2*v2*n*(ton+toff)/toff。
情况3：当V2相对于GND2的电压为负，且需要对可充放电储能单元二4负向充电时，控制单元2控制功率转换单元1的Q1～Q6六个管子导通和关断，具体是：Q3&Q5导通；Q1&Q4为一组同时导通和关断定义为A组；Q2&Q6为一组同时导通和关断，定义为B组；A、B两组交替导通，步骤1：A先导通ton，步骤2：A关闭，toff时间后，步骤3：B导通ton，此处ton表示B导通的时间段，步骤4：然B关闭，toff时间后，重复步骤1～4；使储能电感L1的平均电流I_L1从网络V2流向网络V3，完成第三象限对可充放电储能单元二4负向充电，此时，可充放电储能单元一3作为供电电源向功率转换单元1放电；C1电压定义为v1；C2电压定义为v2；T1原副边匝比为n：
他们符合关系式：v2＝-0.5*v1*ton/(ton+toff)/n。
情况4：当V2相对于GND2的电压为负，且需要对可充放电储能单元二4负向放电时，控制单元2控制功率转换单元1的Q1～Q6六个管子导通和关断，具体是：Q3&Q5导通；步骤1：Q4&Q6导通ton1，步骤2：Q6关断&Q1导通toff；步骤3：Q4&Q6导通ton1；步骤4：Q4关断&Q2导通toff；重复步骤1～4；使储能电感L1的平均电流I_L1从网络V3流向网络V2，完成第二象限对可充放电储能单元二4负向放电，此时，可充放电储能单元一3作为储能负载，由功率转换单元1对其充电。可以实现能量在可充放电储能单元一3和可充放电储能单元二4之间双向相互转换；C4相对于GND2可以为正值，也可以为负值。
以上4种情况，可以实现可充放电储能单元一3和可充放电储能单元二4之间的隔离型正负输出双向传递开关电源的功率变换。
通过实验可以得出，采用该隔离型正负输出双向传递开关电源的功率变换装置和方法做的一例实验，48V与2V电池之间能量隔离互转看出，48向2V转换效率90％以上，2V向48V转换效率80％以上，是一种高效率低成本小体积的隔离型正负输出双向传递开关电源的功率变换装置和方法。该实例，相对于一级正向双向开关电源加一级全桥逆变的设备，可以节省至少2个功率MOSFET；相对于一个正向双向开关电源和一个负向开关电源再加上控制电路组成的符合装置，成本和体积上更是可以节约一半以上，可见本发明的经济价值也很突出。以下是根据用本实施例制作的一体化装置的效率测试数据，可以看出转换效率高，有利于节约能源，保护环境。
Figure GDA0003143250180000061
Figure GDA0003143250180000062
本发明提供了一种正负双向开关电源的功率变换装置及控制方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种正负双向开关电源的功率变换装置，其特征在于，包括功率转换单元(1)、控制单元(2)、可充放电储能单元一(3)、可充放电储能单元二(4)；功率转换单元(1)分别连接可充放电储能单元一(3)、可充放电储能单元二(4)，控制单元分别连接控制功率转换单元(1)、可充放电储能单元一(3)、可充放电储能单元二(4)；
功率转换单元(1)包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、储能电感L1、变压器T1；
储能电感L1的一端与第四电容C4相连，定义网络为V2；
储能电感L1的另一端与第三开关管Q3的一端和变压器T1的PIN4连接在一起，定义网络为V3；
第四电容C4的另一端与第六开关管Q6和第四开关管Q4共同连接，定义网络为GND2；
第六开关管Q6的另一端与第五开关管Q5的一端连接；
第五开关管Q5的另一端与变压器T1的PIN5连接；
第四开关管Q4的另一端与第三开关管Q3的一端连接；
第三开关管Q3的另一端与变压器T1的PIN3连接；
第一电容C1的一端与第一开关管Q1、第二电容C2共同连接，定义网络为V1；
第一电容C1的另一端与第二开关管Q2、第三电容C3共同连接，定义网络为GND1；
第一开关管Q1的另一端和、第二开关管Q2的另一端连接；
第二电容C2的另一端和第三电容C3的另一端连接；
第一开关管Q1的控制端、第二开关管Q2的控制端、第三开关管Q3的控制端、第四开关管Q4的控制端、第五开关管Q5的控制端、第六开关管Q6的控制端分别连接到控制单元(2)；
控制单元(2)检测V1与GND1之间的电压、V2与GND2之间的电压、储能电感L1的电流I_L1；
可充放电储能单元一(3)为可充放电储能器件；
可充放电储能单元二(4)为可充放电储能器件；
所述一种正负双向开关电源的功率变换装置应用于以下方法：
当V2相对于GND2的电压为正，且需要对可充放电储能单元二(4)正向充电时，控制单元(2)控制功率转换单元(1)使储能电感L1的平均电流I_L1从网络V3流向网络V2，完成第一象限对可充放电储能单元二(4)正向充电，此时，可充放电储能单元一(3)作为供电电源向功率转换单元(1)放电；
当V2相对于GND2的电压为正，且需要对可充放电储能单元二(4)正向放电时，控制单元(2)控制功率转换单元(1)使储能电感L1的平均电流I_L1从网络V2流向网络V3，完成第四象限对可充放电储能单元二(4)正向放电，此时，可充放电储能单元一(3)作为储能负载，由功率转换单元(1)对其充电；
当V2相对于GND2的电压为负，且需要对可充放电储能单元二(4)负向充电时，控制单元(2)控制功率转换单元(1)使储能电感L1的平均电流I_L1从网络V2流向网络V3，完成第三象限对可充放电储能单元二(4)负向充电，此时，可充放电储能单元一(3)作为供电电源向功率转换单元(1)放电；
当V2相对于GND2的电压为负，且需要对可充放电储能单元二(4)负向放电时，控制单元(2)控制功率转换单元(1)使储能电感L1的平均电流I_L1从网络V3流向网络V2，完成第二象限对可充放电储能单元二(4)负向放电，此时，可充放电储能单元一(3)作为储能负载，由功率转换单元(1)对其充电。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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CB02 Change of applicant information

Address after: No. 519-1, Chengxin Avenue, Jiangning District, Nanjing City, Jiangsu Province, 210000

Applicant after: Jiangsu Nanzi Tonghua Smart Energy Co.,Ltd.

Address before: 210000 "home of thousands" building, 101 Tongtian Road, Jiangning District, Nanjing City, Jiangsu Province

Applicant before: JIANGSU NICETOWN ELECTRIC POWER AUTOMATION Co.,Ltd.

CB02 Change of applicant information
GR01 Patent grant
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Denomination of invention: Power conversion device and control method of positive and negative bidirectional switching power supply

Effective date of registration: 20230105

Granted publication date: 20210910

Pledgee: Bank of Nanjing Co.,Ltd. Jiangning sub branch

Pledgor: Jiangsu Nanzi Tonghua Smart Energy Co.,Ltd.

Registration number: Y2022980029069

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