CN113346755A - 一种车载隔离式双向dcdc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车载隔离式双向DCDC变换器，包括：Boost同步整流电路，用于正向工作时将高压电池直流电压升压以降低后级输入电流，反向工作时降压实现高压电池充电；对称半桥倍流整流电路，用于正向时降压实现低压电池充电，反向工作时低压电池升压供电；反激电路，用于反向工作时调整开关管的频率和占空比实现输出电压的调节，同时隔离输出电路的影响。上述技术方案通过Boost同步整流电路、对称半桥倍流整流电路和反激电路之间的配合，确保能量双向传输，不受电压范围限制，输入、输出电压范围宽，并且反向工作时MOS使用交错控制，控制简单，轻载和重载分别工作在反激和Boost倍流模式，切换自然，结构可靠，确保了反向功率和工作效率。

Description

一种车载隔离式双向DCDC变换器
技术领域
本发明涉及变换器技术领域，尤其涉及一种车载隔离式双向DCDC变换器。
背景技术
通常情况下，车载充电机在母线上并有容值较大的电解电容用来实现稳压的功能，因此传统的预充电路通常在车载充电机启动前对母线电容进行预充，从而抑制输入脉冲电流，其中，预充电路由一个继电器与电阻组成；或者在高压电池侧的母线上，为了防止浪涌电流，增加了一组预充电路。但是这样额外设置预充电路，虽然保证了电路安全，但是造成车载充电机的体积较大，成本较高等问题。
有资料显示，现有技术中较好的做法是使用隔离式双向DC-DC变换器，这样既可以实现车载充电机给低压电池的正向充电，也可以实现低压电池到车载充电机的反向充电，从而实现低压电池对OBC母线以及整车高压电池侧的预充功能，省去OBC与高压电池侧的预充电路。但现有的隔离式双向DC-DC变换器受限于拓扑结构，大多只能在较窄的电压范围内工作，且控制复杂。本次提出的一种新型隔离式双向DC-DC变换器，不仅结构简单，能实现能量双向传输，并且可以满足输入、输出电压宽范围要求。
中国专利文献CN208369473U公开了一种“车载DCDC变换器”。包括：电压转换电路，所述电压转换电路包括：第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一电感、第二电感、第二电容和第三电容；所述第一MOS管的漏极连接电压输入端的正极，第一MOS管的源极连接第二MOS管的漏极，第二MOS管的源极连接电压输入端的负极，第三MOS管的漏极连接第一MOS管的漏极，第三MOS管的源极连接第四MOS管的漏极。上述技术方案功能单一，应用场景单一，难以满足用户多种需求。
发明内容
本发明主要解决原有的技术方案功能单一，无法适用多种应用场景的技术问题，提供一种车载隔离式双向DCDC变换器，通过Boost同步整流电路、对称半桥倍流整流电路和反激电路之间的配合，确保能量双向传输，不受电压范围限制，输入、输出电压范围宽，并且反向工作时MOS使用交错控制，控制简单，轻载和重载分别工作在反激和Boost倍流模式，切换自然，结构可靠，确保了反向功率和工作效率。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括：Boost同步整流电路，用于正向工作时将高压电池直流电压升压以降低后级输入电流，反向工作时降压实现高压电池充电；
对称半桥倍流整流电路，用于正向时降压实现低压电池充电，反向工作时低压电池升压供电；
反激电路，用于反向工作时调整开关管的频率和占空比实现输出电压的调节，同时隔离输出电路的影响。
作为优选，所述的Boost同步整流电路包括:电容C1，电容C1一端与电感L1一端相连，电感L1另一端分别与场效应管Q1的漏极、场效应管Q2的源极相连，场效应管Q1的源极与电容C1另一端相连，场效应管Q2的漏极与电容C3一端相连，电容C3另一端与电容C4一端相连，电容C4另一端与场效应管Q1的源极相连。
正向工作时，场效应管Q1和场效应管Q2互补导通将高压电池VDC的直流电压升压。反向工作时场效应管Q1、场效应管Q2互补导通将高压进一步降压给高压电池VDC充电，此时分两类情况：
第一类情况，若场效应管Q1关断，场效应管Q2导通，此时经过储能的电容C3和电容C4经过电感L1给高压电池VDC充电，同时电感L1充电储能，电容C1进行滤波。
第二类情况，若场效应管Q1导通，场效应管Q2关断，此时电感L1经过场效应管Q1续流放电，同时给高压电池VDC充电，电容C1进行滤波。
作为优选，所述的对称半桥倍流整流电路包括：场效应管Q3，场效应管Q3的源极与场效应管Q4的漏极相连，同时与变压器T3初级线圈一端相连，变压器T3初级线圈另一端与电容C4一端相连，电容C4另一端与场效应管Q4的源极相连的同时接地，场效应管Q3的漏极与电容C3一端相连，电容C3另一端与电容C4一端相连，变压器T3次级线圈的一端与场效应管Q5的漏极相连，变压器T3次级线圈的一端与场效应管Q6的漏极相连，场效应管Q5的源极与场效应管Q6的源极相连，场效应管Q5的源极与电容C5的一端相连，电容C5的另一端与变压器T1初级线圈的一端相连，变压器T1初级线圈的另一端与场效应管Q5的漏极相连，同时电容C5的另一端与变压器T2初级线圈的一端相连，变压器T2初级线圈的另一端与场效应管Q6的漏极相连。
正向工作时，场效应管Q3、场效应管Q4交错导通，将经过Boost同步整流电路升压的直流电压传输到变压器T3的初级线圈，并经过变压器T3实现降压，对低压电池Battery进行充电。反向工作时，场效应管Q5、场效应管Q6交错导通，将低压电池Battery的直流电压升压，分为两种工作模态。
第一种工作模态为场效应管Q5和场效应管Q6的占空比小于0.5时：
若场效应管Q5导通，场效应管Q6关断，此时低压电池Battery的直流电压加在变压器T1的初级线圈两端，给T1的初级线圈励磁电感进行充电储能。
若场效应管Q5关断，场效应管Q6导通，此时低压电池Battery的直流电压加在变压器T2的初级线圈两端，给T2的初级线圈励磁电感进行充电储能。
若场效应管Q5关断，场效应管Q6关断，变压器T1初级线圈励磁电感两端的外加电压释放，形成反激拓扑，初级线圈励磁电感通过T1次级线圈，二极管D1正向导通给电容C3和电容C4充电；变压器T2初级线圈励磁电感两端的外加电压释放，形成反激拓扑，初级线圈励磁电感通过T2次级线圈，二极管D2正向导通给电容C3和电容C4充电。
第二种工作模态为场效应管Q5和场效应管Q6的占空比大于等于0.5时：
若场效应管Q5导通，场效应管Q6关断，此时低压电池Battery的直流电压加在变压器T1的初级线圈两端，给T1的初级线圈励磁电感进行充电储能，同时T2的初级线圈励磁电感通过变压器T3放电，变压器T3将能量传输到电容C3并充电储能。
若场效应管Q5关断，场效应管Q6导通，此时低压电池Battery的直流电压加在变压器T2的初级线圈两端，给T2的初级线圈励磁电感进行充电储能，同时T1的初级线圈励磁电感通过变压器T3放电，变压器T3将能量传输到电容C4并充电储能。
若场效应管Q5导通，场效应管Q6导通，此时低压电池Battery的直流电压同时加在变压器T1和变压器T2的初级线圈两端，给变压器T1和变压器T2的初级线圈励磁电感进行充电储能。
作为优选，所述的反激电路包括第一反激电路和第二反激电路，第一反激电路和第二反激电路分别与对称半桥倍流整流电路相连。
作为优选，所述的第一反激电路包括：场效应管Q5，场效应管Q5的源极与电容C5的一端相连，电容C5的另一端与变压器T1初级线圈的一端相连，变压器T1初级线圈的另一端与场效应管Q5的漏极相连，变压器T1次级线圈的一端接地，变压器T1次级线圈的另一端与二极管D1的阳极相连。
作为优选，所述的第二反激电路包括：场效应管Q6，场效应管Q6的源极与电容C5的一端相连，电容C5的另一端与变压器T2初级线圈的一端相连，变压器T2初级线圈的另一端与场效应管Q6的漏极相连，变压器T2次级线圈的一端接地，变压器T1次级线圈的另一端与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与二极管D1的阴极相连。
作为优选，所述的电容C1的一端与高压电池VDC正极相连，电容C1的另一端与高压电池VDC负极相连。高压电池VDC并联在电容C1两端，实现正向工作时对高压电池VDC直流电压的升压和反向工作时降压对高压电池VDC充电。
作为优选，所述的电容C5的一端与低压电池Battery正极相连，电容C5的另一端与低压电池Battery负极相连。低压电池Battery并联在电容C5两端，实现正向工作时降压给低压电池Battery充电，反向工作时低压电池Battery对变压器T1初级线圈和变压器T2初级线圈充电。
作为优选，所述的Boost同步整流电路和对称半桥倍流整流电路共用电容C3和电容C4，所述对称半桥倍流整流电路和反激电路共用场效应管Q5、场效应管Q6、变压器T1和变压器T2。共用元器件有利于增加功能电路的连接，简化电路，降低成本。
本发明的有益效果是：
1、能量双向传输，不受电压范围限制，输入、输出电压范围宽。
2、反向工作时MOS使用交错控制，控制简单，轻载和重载分别工作在反激和Boost倍流模式，且自然切换，结构可靠。
3、反激拓扑直接接在高压电容上，容值小，工作时间短。
4、反向正常CCM时工作于Boost倍流模式，反向功率和效率都很高。
附图说明
图1是本发明的一种电路结构图。
图2是本发明的一种正向工作的电路图。
图3是本发明的一种反激电路反向工作的电路图。
图4是本发明的一种对称半桥倍流整流电路反向工作的电路图。
图5是本发明的一种Boost同步整流电路反向工作的电路图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。实施例：本实施例的一种车载隔离式双向DCDC变换器，如图1所示，包括：
Boost同步整流电路包括:电容C1，电容C1一端与电感L1一端相连，电感L1另一端分别与场效应管Q1的漏极、场效应管Q2的源极相连，场效应管Q1的源极与电容C1另一端相连，场效应管Q2的漏极与电容C3一端相连，电容C3另一端与电容C4一端相连，电容C4另一端与场效应管Q1的源极相连。Boost同步整流电路用于正向工作时将高压电池直流电压升压以降低后级输入电流，反向工作时降压实现高压电池充电。
对称半桥倍流整流电路包括：场效应管Q3，场效应管Q3的源极与场效应管Q4的漏极相连，同时与变压器T3初级线圈一端相连，变压器T3初级线圈另一端与电容C4一端相连，电容C4另一端与场效应管Q4的源极相连的同时接地，场效应管Q3的漏极与电容C3一端相连，电容C3另一端与电容C4一端相连，变压器T3次级线圈的一端与场效应管Q5的漏极相连，变压器T3次级线圈的一端与场效应管Q6的漏极相连，场效应管Q5的源极与场效应管Q6的源极相连，场效应管Q5的源极与电容C5的一端相连，电容C5的另一端与变压器T1初级线圈的一端相连，变压器T1初级线圈的另一端与场效应管Q5的漏极相连，同时电容C5的另一端与变压器T2初级线圈的一端相连，变压器T2初级线圈的另一端与场效应管Q6的漏极相连。对称半桥倍流整流电路用于正向时降压实现低压电池充电，反向工作时低压电池升压供电。
反激电路包括第一反激电路和第二反激电路，第一反激电路和第二反激电路分别与对称半桥倍流整流电路相连。第一反激电路包括：场效应管Q5，场效应管Q5的源极与电容C5的一端相连，电容C5的另一端与变压器T1初级线圈的一端相连，变压器T1初级线圈的另一端与场效应管Q5的漏极相连，变压器T1次级线圈的一端接地，变压器T1次级线圈的另一端与二极管D1的阳极相连。第二反激电路包括：场效应管Q6，场效应管Q6的源极与电容C5的一端相连，电容C5的另一端与变压器T2初级线圈的一端相连，变压器T2初级线圈的另一端与场效应管Q6的漏极相连，变压器T2次级线圈的一端接地，变压器T1次级线圈的另一端与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与二极管D1的阴极相连。反激电路用于反向工作时调整开关管的频率和占空比实现输出电压的调节，同时隔离输出电路的影响。
Boost同步整流电路和对称半桥倍流整流电路共用电容C3和电容C4，对称半桥倍流整流电路和反激电路共用场效应管Q5、场效应管Q6、变压器T1和变压器T2。共用元器件有利于增加功能电路的连接，简化电路，降低成本。
电容C1的一端与高压电池VDC正极相连，电容C1的另一端与高压电池VDC负极相连。电容C5的一端与低压电池Battery正极相连，电容C5的另一端与低压电池Battery负极相连。高压电池VDCBoost并联在电容C1两端，实现正向工作时对高压电池VDC直流电压的升压和反向时降压对高压电池VDC充电。低压电池Battery并联在电容C5两端，实现正向工作时降压给低压电池Battery充电，反向工作时低压电池Battery对变压器T1初级线圈和变压器T2初级线圈充电。
正向工作时，如图2所示，首先场效应管Q1和场效应管Q2互补导通将高压电池VDC的直流电压升压。然后场效应管Q3、场效应管Q4交错导通，将经过Boost同步整流电路升压的直流电压传输到变压器T3的初级线圈，并经过变压器T3实现降压，场效应管Q6导通，变压器T3次级线圈同名端经过变压器T1初级线圈对低压电池Battery进行充电。
反向工作时，首先场效应管Q5、场效应管Q6交错导通，将低压电池Battery的直流电压升压，分为两种工作模态。
第一种工作模态为场效应管Q5和场效应管Q6的占空比小于0.5时，如图3所示：
若场效应管Q5导通，场效应管Q6关断，此时低压电池Battery的直流电压加在变压器T1的初级线圈两端，给T1的初级线圈励磁电感进行充电储能。
若场效应管Q5关断，场效应管Q6导通，此时低压电池Battery的直流电压加在变压器T2的初级线圈两端，给T2的初级线圈励磁电感进行充电储能。
若场效应管Q5关断，场效应管Q6关断，变压器T1初级线圈励磁电感两端的外加电压释放，形成反激拓扑，初级线圈励磁电感通过T1次级线圈，二极管D1正向导通给电容C3和电容C4充电；变压器T2初级线圈励磁电感两端的外加电压释放，形成反激拓扑，初级线圈励磁电感通过T2次级线圈，二极管D2正向导通给电容C3和电容C4充电。
第二种工作模态为场效应管Q5和场效应管Q6的占空比大于等于0.5时如图4所示：
若场效应管Q5导通，场效应管Q6关断，此时低压电池Battery的直流电压加在变压器T1的初级线圈两端，给T1的初级线圈励磁电感进行充电储能，同时T2的初级线圈励磁电感通过变压器T3放电，变压器T3将能量传输到电容C3并充电储能。
若场效应管Q5关断，场效应管Q6导通，此时低压电池Battery的直流电压加在变压器T2的初级线圈两端，给T2的初级线圈励磁电感进行充电储能，同时T1的初级线圈励磁电感通过变压器T3放电，变压器T3将能量传输到电容C4并充电储能。
若场效应管Q5导通，场效应管Q6导通，此时低压电池Battery的直流电压同时加在变压器T1和变压器T2的初级线圈两端，给变压器T1和变压器T2的初级线圈励磁电感进行充电储能。
然后场效应管Q1、场效应管Q2互补导通将高压进一步降压给高压电池VDC充电，如图5所示，此时分两类情况：
第一类情况，若场效应管Q1关断，场效应管Q2导通，此时经过储能的电容C3和电容C4经过电感L1给高压电池VDC充电，同时电感L1充电储能，电容C1进行滤波。
第二类情况，若场效应管Q1导通，场效应管Q2关断，此时电感L1经过场效应管Q1续流放电，同时给高压电池VDC充电，电容C1进行滤波。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了Boost同步整流电路、对称半桥倍流整流电路等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (9)

1.一种车载隔离式双向DCDC变换器，其特征在于，包括：
Boost同步整流电路，用于正向工作时将高压电池直流电压升压以降低后级输入电流，反向工作时降压实现高压电池充电；
对称半桥倍流整流电路，用于正向时降压实现低压电池充电，反向工作时低压电池升压供电；
反激电路，用于反向工作时调整开关管的频率和占空比实现输出电压的调节，同时隔离输出电路的影响。
2.根据权利要求1所述的一种车载隔离式双向DCDC变换器，其特征在于，所述Boost同步整流电路包括:电容C1，电容C1一端与电感L1一端相连，电感L1另一端分别与场效应管Q1的漏极、场效应管Q2的源极相连，场效应管Q1的源极与电容C1另一端相连，场效应管Q2的漏极与电容C3一端相连，电容C3另一端与电容C4一端相连，电容C4另一端与场效应管Q1的源极相连。
3.根据权利要求1所述的一种车载隔离式双向DCDC变换器，其特征在于，所述对称半桥倍流整流电路包括：场效应管Q3，场效应管Q3的源极与场效应管Q4的漏极相连，同时与变压器T3初级线圈一端相连，变压器T3初级线圈另一端与电容C4一端相连，电容C4另一端与场效应管Q4的源极相连的同时接地，场效应管Q3的漏极与电容C3一端相连，电容C3另一端与电容C4一端相连，变压器T3次级线圈的一端与场效应管Q5的漏极相连，变压器T3次级线圈的一端与场效应管Q6的漏极相连，场效应管Q5的源极与场效应管Q6的源极相连，场效应管Q5的源极与电容C5的一端相连，电容C5的另一端与变压器T1初级线圈的一端相连，变压器T1初级线圈的另一端与场效应管Q5的漏极相连，同时电容C5的另一端与变压器T2初级线圈的一端相连，变压器T2初级线圈的另一端与场效应管Q6的漏极相连。
4.根据权利要求1所述的一种车载隔离式双向DCDC变换器，其特征在于，所述反激电路包括第一反激电路和第二反激电路，第一反激电路和第二反激电路分别与对称半桥倍流整流电路相连。
5.根据权利要求4所述的一种车载隔离式双向DCDC变换器，其特征在于，所述第一反激电路包括：场效应管Q5，场效应管Q5的源极与电容C5的一端相连，电容C5的另一端与变压器T1初级线圈的一端相连，变压器T1初级线圈的另一端与场效应管Q5的漏极相连，变压器T1次级线圈的一端接地，变压器T1次级线圈的另一端与二极管D1的阳极相连。
6.根据权利要求5所述的一种车载隔离式双向DCDC变换器，其特征在于，所述第二反激电路包括：场效应管Q6，场效应管Q6的源极与电容C5的一端相连，电容C5的另一端与变压器T2初级线圈的一端相连，变压器T2初级线圈的另一端与场效应管Q6的漏极相连，变压器T2次级线圈的一端接地，变压器T1次级线圈的另一端与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与二极管D1的阴极相连。
7.根据权利要求2所述的一种车载隔离式双向DCDC变换器，其特征在于，所述电容C1的一端与高压电池VDC正极相连，电容C1的另一端与高压电池VDC负极相连。
8.根据权利要求3所述的一种车载隔离式双向DCDC变换器，其特征在于，所述电容C5的一端与低压电池Battery正极相连，电容C5的另一端与低压电池Battery负极相连。
9.根据权利要求2或3或5或6所述的一种车载隔离式双向DCDC变换器，其特征在于，所述Boost同步整流电路和对称半桥倍流整流电路共用电容C3和电容C4，所述对称半桥倍流整流电路和反激电路共用场效应管Q5、场效应管Q6、变压器T1和变压器T2。
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