CN117895800A - 双向直流变换电路及户外电源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双向直流变换电路及户外电源，结合原边模块、变压器模块、副边模块及控制模块设计双向直流变换电路，实现了双向直流变换，对直流电源提供的直流电压进行升压直流变换并输出到负载，或者对额外直流电源提供的直流电压进行降压直流变换并输出到直流电源，同时，通过变压器模块中多个变压器的原边线圈与对应原边单元连接后并联设置、多个变压器的副边线圈依次串联的拓扑结构设计，实现了多个变压器的增益叠加，极大地提升了输入端到输出端的增益；能通过增加或者减少电流回路的开启条数来调节增益，还能通过调节变压器模块中多个变压器原边线圈与副边线圈之间的匝比来进一步调节增益，实现增益的灵活调节。

Description

双向直流变换电路及户外电源
技术领域
本发明涉及电源技术领域，尤其是涉及一种双向直流变换电路及户外电源。
背景技术
随着新能源技术的发展，便携式户外电源也逐渐走进人类生活，成为生活中不可或缺的电子产品。同时，对便携式户外电源的要求越来越高，作为便携式户外电源能量来源的储能电池需要通过较高增益的双向DC/DC拓扑（双向直流/直流拓扑，以下简称双向直流变换拓扑）来将较低的电压升压至家用电器正常工作的电压以及更高的电压等级，满足人类生活中的用电需求，同时也需要该拓扑能够进行充放电操作，满足便携式户外电源的经济性和便利性。此外，作为户外电源能量来源的储能电池过分依赖电池管理系统的保护，因此，不仅需要通过双向直流变换拓扑对储能电池进行较高增益的升压和降压转换，还需要提高对储能电池的保护和监测。
但是，现有技术中双向直流变换拓扑的增益有限，无法做到输入端到输出端的高增益，对输入电压的升压或者降压幅度有限。具体地，现有技术一（CN115995966A）提出了一种双向非隔离DCDC拓扑电路，实现了能量的双向流动，也能够同时进行升压和降压操作并保证各个开关器件的电压应力均衡，但其拓扑无法实现输入端到输出端的较高增益；现有技术二（CN214480292U）提出了一种双向DCDC功率变换电路，能够实现零电流软开关和升压功能以及对开关器件的尖峰电压的抑制，但其升压增益依托于变压器的匝比导致其输入输出增益无法更高。
因此，目前亟需一种具有较高增益、增益灵活可调且具有监测保护功能的双向直流变换技术方案。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种户外电源的双向直流变换技术方案，结合原边模块、变压器模块、副边模块及控制模块设计双向直流变换电路，实现了双向直流变换，同时，通过变压器模块中多个变压器的原边线圈与对应原边单元连接后并联设置、多个变压器的副边线圈依次串联的拓扑结构设计，实现了多个变压器的增益叠加，极大地提升了输入端到输出端的增益，便于将低压升至高压或者将高压降至低压。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供的技术方案如下。
一种双向直流变换电路，包括：
原边模块，包括n个并行设置的原边单元，所述原边单元包括原边开关管；
变压器模块，与所述原边模块连接，形成推挽电路，包括n个并行设置的变压器，n个所述变压器的原边线圈与n个所述原边单元一一对应连接后并联设置并接入直流电源，形成2n条电流回路，通过所述原边开关管控制所述电流回路的通断状态；
副边模块，一端与所述变压器模块连接，形成半桥整流电路或全桥整流电路，另一端接负载和额外直流电源中的一个，且n个所述变压器的副边线圈依次串联后接入所述副边模块的一端，所述副边模块包括副边开关管；
控制模块，与所述原边模块及所述副边模块分别连接，控制所述原边开关管或者所述副边开关管的开关状态，以调控所述双向直流变换电路的工作模式，对所述直流电源提供的直流电压进行升压直流变换并输出到所述负载，或者对所述额外直流电源提供的直流电压进行降压直流变换并输出到所述直流电源，并调节所述升压直流变换或者所述降压直流变换的增益；
其中，n为大于或者等于2的整数。
可选地，所述变压器为具有两个原边线圈、一个副边线圈的三线圈变压器，且所述变压器中副边线圈的匝数大于所述变压器中原边线圈的匝数。
可选地，所述原边单元分别包括保险丝及两个所述原边开关管，第i个所述原边单元中第一个所述原边开关管的第一端经串接的所述保险丝后接所述直流电源的负极，第i个所述原边单元中第一个所述原边开关管的第二端接第i个所述变压器中第一个原边线圈的同名端，第i个所述变压器中第一个原边线圈的异名端接所述直流电源的正极，第i个所述原边单元中第二个所述原边开关管的第一端接第i个所述原边单元中第一个所述原边开关管的第一端，第i个所述原边单元中第二个所述原边开关管的第二端接第i个所述变压器中第二个原边线圈的异名端，第i个所述变压器中第二个原边线圈的同名端接第i个所述变压器中第一个原边线圈的异名端，其中，i为1~n的整数。
可选地，所述原边模块还包括两个霍尔电流传感器，n个所述原边单元中第一个所述原边开关管的第一端经串接的所述保险丝后于第一节点短接，所述第一节点接所述直流电源的负极，且所述第一节点与所述直流电源的负极之间的连接线穿过第一个所述霍尔电流传感器，n个所述变压器中第一个原边线圈的异名端于第二节点短接，所述第二节点接所述直流电源的正极，且所述第二节点与所述直流电源的正极之间的连接线穿过第二个所述霍尔电流传感器。
可选地，所述副边模块包括一个电感、两个副边开关管及三个电容，第1个所述变压器中副边线圈的同名端接第一个所述电容的第二端，第j个所述变压器中副边线圈的异名端接第j+1个所述变压器中副边线圈的同名端，第n个所述变压器中副边线圈的异名端接所述电感的第一端，所述电感的第二端接第一个所述副边开关管的第二端，第一个所述副边开关管的第一端接第一个所述电容的第一端，第一个所述副边开关管的第二端还接第二个所述副边开关管的第一端，第二个所述副边开关管的第二端接第二个所述电容的第二端，第二个所述电容的第一端接第一个所述电容的第二端，第三个所述电容的第一端接第一个所述副边开关管的第一端，第三个所述电容的第二端接第二个所述副边开关管的第二端，第三个所述电容的两端还与所述负载和所述额外直流电源中的一个连接，其中，j为1~n-1的整数。
可选地，所述副边模块还包括霍尔电流传感器，第1个所述变压器中副边线圈的同名端与第一个所述电容的第二端之间的连接线穿过所述霍尔电流传感器。
可选地，所述控制模块与各个所述原边开关管的控制端及各个所述副边开关管的控制端分别连接，以对各个所述原边开关管的开关状态及各个所述副边开关管的开关状态进行独立控制。
可选地，所述控制模块被配置为：获取所述双向直流变换电路的参考输出电压及实际输出电压，通过电压控制环对所述参考输出电压与所述实际输出电压的差值进行转换处理，得到所述双向直流变换电路的参考输出电流，再获取所述双向直流变换电路的实际输出电流，通过电流控制环对所述参考输出电流与所述实际输出电流的差值进行转换处理，并将所述电流控制环的输出与载波发生器的输出做比较，得到并输出第一驱动信号，再对所述第一驱动信号取反，得到第二驱动信号。
可选地，每个所述原边单元中第一个所述原边开关管的控制端接所述第一驱动信号，每个所述原边单元中第二个所述原边开关管的控制端接所述第二驱动信号。
可选地，在所述双向直流变换电路的第一工作模式下，周期性地先导通后关断所述原边模块中的至少部分所述原边开关管，将所述直流电源提供的直流电压转换为多个交流电压，通过所述变压器模块对多个所述交流电压分别进行升压处理后再叠加输出，得到目标交流电压，再通过所述副边模块对所述目标交流电压进行整流处理，得到并向所述负载输出目标直流电压。
可选地，在所述双向直流变换电路的第一工作模式下，通过调节2n条所述电流回路的通断状态来调节所述变压器的开启数量，基于所述变压器的开启数量调节来调节所述直流电压到所述目标直流电压的增益，通过调节2n条所述电流回路的通断状态来调节开启的各个所述变压器的增益，基于开启的各个所述变压器的增益调节来进一步调节所述直流电压到所述目标直流电压的增益。
可选地，在所述双向直流变换电路的第二工作模式下，周期性地先导通后关断所述副边模块中的至少部分所述副边开关管，将所述额外直流电源提供的直流电压转换为交流电压，通过所述变压器模块对所述交流电压进行分摊处理，得到多个分摊交流电压，通过所述变压器模块对至少部分所述分摊交流电压进行降压处理，得到对应的多个目标交流电压，通过所述原边模块对各个所述目标交流电压进行整流处理后再并联输出，得到并向所述直流电源输出目标直流电压。
可选地，在所述双向直流变换电路的第二工作模式下，通过调节所述副边模块中两个所述副边开关管的通断状态来调节所述副边开关管的开启数量，基于所述副边开关管的开启数量调节来调节所述直流电压到所述目标直流电压的增益，通过调节2n条所述电流回路的通断状态来调节开启的各个所述变压器的增益，基于开启的各个所述变压器的增益调节来进一步调节所述直流电压到所述目标直流电压的增益。
一种户外电源，包括根据上述中任一项所述的双向直流变换电路。
如上所述，本发明提供的双向直流变换电路及户外电源，至少具有以下有益效果：
1）、结合原边模块、变压器模块、副边模块及控制模块设计双向直流变换电路，实现了双向直流变换，对直流电源提供的直流电压进行升压直流变换并输出到负载，或者对额外直流电源提供的直流电压进行降压直流变换并输出到直流电源，同时，通过变压器模块中多个变压器的原边线圈与对应原边单元连接后并联设置、多个变压器的副边线圈依次串联的拓扑结构设计，实现了多个变压器的增益叠加，极大地提升了输入端到输出端的增益，便于将低压升至高压或者将高压降至低压；
2）、能通过增加或者减少电流回路的开启条数来调节输入端到输出端的增益，还能通过调节变压器模块中多个变压器原边线圈与副边线圈之间的匝比来进一步调节输入端到输出端的增益，实现增益的灵活调节，将其应用在户外电源时，能根据输入端到输出端的理想增益适应性地调节实时增益，扩大了其适用范围；
3）、通过变压器模块中的多个变压器实现了输入端与到输出端之间的电气隔离，具有较高的安全性，当高压侧直流端发生故障时，由于变压器原边和副边的隔离作用，能够减小故障对拓扑低压侧的危害和影响；
4）、基于高增益的双向直流变换功能，该双向直流变换电路还能够应用于对大单体电芯进行升压以及充放电操作，且无需对大单体电芯进行分压操作，减少了电池电芯对电池管理系统的依赖，提升了单体电芯的一致性以及电芯使用的安全性。
附图说明
图1显示为本发明中双向直流变换电路的拓扑结构图。
图2显示为图1中双向直流变换电路的电压电流环控制策略示意图。
图3显示为图1中双向直流变换电路的开环控制策略示意图。
图4显示为本发明一实施例中双向直流变换电路的拓扑结构图。
图5显示为图4中双向直流变换电路模态1的结构图。
图6显示为图4中双向直流变换电路模态2的结构图。
图7显示为本发明另一实施例中双向直流变换电路的拓扑结构图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图示所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
如前述在背景技术中所述的，发明人研究发现：现有技术中双向直流变换拓扑的增益有限，无法做到输入端到输出端的高增益，对输入电压的升压或者降压幅度有限。
基于此，本发明提出一种户外电源的双向直流变换技术方案：结合原边模块、变压器模块、副边模块及控制模块设计双向直流变换电路，在实现双向直流变换的同时，通过变压器模块中多个变压器的原边线圈与对应原边单元连接后并联设置、多个变压器的副边线圈依次串联的拓扑结构设计，实现多个变压器的增益叠加，以提升输入端到输出端的增益；通过改变原边侧电流回路的开启条数或者每个变压器原边线圈与副边线圈之间的匝比来调节输入端到输出端的增益，实现增益的灵活调节，以扩大其适用范围；通过变压器模块中的多个变压器实现输入端与到输出端之间的电气隔离，以提升安全性；此外，在原边模块中设置霍尔电流传感器及保险丝，实时检测原边侧的电流并在过流时进行熔断保护，以进一步提升安全性。
如图1所示，本发明提供一种双向直流变换电路，其包括：
原边模块1，包括n个并行设置的原边单元，原边单元包括原边开关管，即原边开关管G1、G2、G3、G4、……、G2n-1及G2n；
变压器模块2，与原边模块1连接，形成推挽电路，包括n个并行设置的变压器，即变压器T1、T2、……及Tn，n个变压器的原边线圈与n个原边单元一一对应连接后并联设置并接入直流电源DC1，形成2n条电流回路，通过原边开关管控制电流回路的通断状态；
副边模块3，一端与变压器模块2连接，形成半桥整流电路或全桥整流电路，另一端接负载和额外直流电源中的一个（图中未示出），且n个变压器T1、T2、……及Tn的副边线圈依次串联后接入副边模块3的一端，副边模块3包括副边开关管，即副边开关管D1及D2；
控制模块4，与原边模块1及副边模块3分别连接，控制原边开关管或者副边开关管的开关状态，以调控双向直流变换电路的工作模式，对直流电源DC1提供的直流电压V1进行升压直流变换，得到直流电压V2并输出到负载（即直流电源DC1放电），或者对额外直流电源提供的直流电压V2进行降压直流变换，得到直流电压V1并输出到直流电源DC1（即直流电源DC1充电），并调节升压直流变换或者降压直流变换的增益；
其中，n为大于或者等于2的整数。
详细地，如图1所示，变压器T1、T2、……及Tn均为具有两个原边线圈、一个副边线圈的三线圈变压器，且每个变压器中副边线圈的匝数大于变压器中原边线圈的匝数。
更详细地，如图1所示，在第i个变压器Ti中，第一个原边线圈的匝数为NP(2i-1)，第二个原边线圈的匝数为NP2i，副边线圈的匝数为NSi，NP(2i-1)、NP2i及NSi均为正整数，且NP(2i-1)、NP2i分别小于或者远小于NSi，NP(2i-1)、NP2i的值可以一样，具体值可根据实际需求灵活调整；其中，i为1~n的整数。
详细地，如图1所示，原边模块1包括n个并行设置的原边单元，每个原边单元分别包括保险丝及两个原边开关管，第i个原边单元中原边开关管G(2i-1)的第一端经串接的保险丝Fi后接直流电源DC1的负极，第i个原边单元中原边开关管G(2i-1)的第二端接第i个变压器Ti中第一个原边线圈的同名端，第i个变压器Ti中第一个原边线圈的异名端接直流电源DC1的正极，第i个原边单元中原边开关管G2i的第一端接第i个原边单元中原边开关管G(2i-1)的第一端，第i个原边单元中原边开关管G2i的第二端接第i个变压器Ti中第二个原边线圈的异名端，第i个变压器Ti中第二个原边线圈的同名端接第i个变压器Ti中第一个原边线圈的异名端。
更详细地，如图1所示，第1个原边单元包括保险丝F1、原边开关管G1及原边开关管G2，在第1个原边单元中，原边开关管G1的第一端经串接的保险丝F1后接直流电源DC1的负极，原边开关管G1的第二端接变压器T1中第一个原边线圈的同名端，变压器T1中第一个原边线圈的异名端接直流电源DC1的正极，原边开关管G2的第一端接原边开关管G1的第一端，原边开关管G2的第二端接变压器T1中第二个原边线圈的异名端，变压器T1中第二个原边线圈的同名端接变压器T1中第一个原边线圈的异名端（即节点a1处）。
更详细地，如图1所示，第2个原边单元包括保险丝F2、原边开关管G3及原边开关管G4，在第2个原边单元中，原边开关管G3的第一端经串接的保险丝F2后接直流电源DC1的负极，原边开关管G3的第二端接变压器T2中第一个原边线圈的同名端，变压器T2中第一个原边线圈的异名端接直流电源DC1的正极，原边开关管G4的第一端接原边开关管G3的第一端，原边开关管G4的第二端接变压器T2中第二个原边线圈的异名端，变压器T2中第二个原边线圈的同名端接变压器T2中第一个原边线圈的异名端（即节点a2处）。
以此类推，如图1所示，第n个原边单元包括保险丝Fn、原边开关管G(2n-1)及原边开关管G2n，在第n个原边单元中，原边开关管G(2n-1)的第一端经串接的保险丝Fn后接直流电源DC1的负极，原边开关管G(2n-1)的第二端接变压器Tn中第一个原边线圈的同名端，变压器Tn中第一个原边线圈的异名端接直流电源DC1的正极，原边开关管G2n的第一端接原边开关管G(2n-1)的第一端，原边开关管G2n的第二端接变压器Tn中第二个原边线圈的异名端，变压器Tn中第二个原边线圈的同名端接变压器Tn中第一个原边线圈的异名端（即节点an处）。
详细地，如图1所示，原边模块1还包括两个霍尔电流传感器，即霍尔电流传感器HCS1及霍尔电流传感器HCS2，n个原边单元中第一个原边开关管的第一端经串接的保险丝后于第一节点d1处短接，第一节点d1接直流电源DC1的负极，且第一节点d1与直流电源DC1的负极之间的连接线穿过霍尔电流传感器HCS1，n个变压器中第一个原边线圈的异名端于第二节点d2处短接，第二节点d2接直流电源DC1的正极，且第二节点d2与直流电源DC1的正极之间的连接线穿过霍尔电流传感器HCS2。
其中，霍尔电流传感器HCS1~HCS2检测原边直流电源DC1的实时电流，并反馈到控制模块4或者上位的微控制模块，能够监测直流低压侧流过的电流大小，提升低压设备和电池的使用安全。
也就是说，在本发明中，n个变压器的原边线圈与n个原边单元一一对应连接后形成的支路并联设置，分别接入直流电源DC1，可以通过直流电源DC1同时支持n个变压器的电气隔离变换。
更详细地，如图1所示，n个变压器T1、T2、……及Tn的副边线圈依次串联后接入副边模块3，对各个变压器的副边电压进行叠加，如此，通过变压器模块2中多个变压器的原边线圈与对应原边单元连接后并联设置、多个变压器的副边线圈依次串联的拓扑结构设计，实现了多个变压器的增益叠加，极大地提升了输入端到输出端的增益，便于将低压升至高压或者将高压降至低压。
详细地，如图1所示，副边模块3包括电感L1、副边开关管D1、副边开关管D2、电容C1、电容C2及电容C3，第1个变压器T1中副边线圈的同名端接电容C1的第二端，第j个变压器中副边线圈的异名端接第j+1个变压器中副边线圈的同名端，第n个变压器Tn中副边线圈的异名端接电感L1的第一端，电感L1的第二端接副边开关管D1的第二端，副边开关管D1的第一端接电容C1的第一端，副边开关管D1的第二端（于节点b2处）还接副边开关管D2的第一端，副边开关管D2的第二端接电容C2的第二端，电容C2的第一端（于节点b1处）接电容C1的第二端，电容C3的第一端接副边开关管D1的第一端，电容C3的第二端接副边开关管D2的第二端，电容C3的两端还通过端口与负载和额外直流电源中的一个连接（图中未示出），其中，j为1~n-1的整数。
更详细地，如图1所示，第1个变压器T1中副边线圈的同名端接电容C1的第二端，第2个变压器T2中副边线圈的异名端接第1个变压器T1中副边线圈的同名端，第2个变压器T2中副边线圈的异名端接第3个变压器T3中副边线圈的同名端，以此类推，后一个变压器中副边线圈的同名端接前一个变压器中副边线圈的异名端，第n个变压器Tn中副边线圈的同名端接第n-1个变压器T(n-1)中副边线圈的异名端，第n个变压器Tn中副边线圈的异名端接电感L1的第一端。
详细地，如图1所示，副边模块3还包括霍尔电流传感器HCS3，第1个变压器T1中副边线圈的同名端与电容C1的第二端之间的连接线穿过霍尔电流传感器HCS3，霍尔电流传感器HCS3实时检测副边的输出电流并反馈到控制模块4或者上位的微控制模块，能够监测高压侧流过的电流大小，提升高压侧负载的使用安全。
详细地，如图1所示，控制模块4与各个原边开关管的控制端及各个副边开关管的控制端分别连接，以对各个原边开关管的开关状态及各个副边开关管的开关状态进行独立控制。
更详细地，如图1所示，各个原边单元中第一个原边开关管（即原边开关管G1、G3、……及G(2n-1)）的控制端分别接第一驱动信号Vc1，各个原边单元中第二个原边开关管（即原边开关管G2、G4、……及G2n）的控制端分别接第二驱动信号Vc2。同时，控制模块4还与副边开关管D1及副边开关管D2分别连接，能对各个原边开关管的开关状态及各个副边开关管的开关状态进行独立控制，进而切换控制双向直流变换电路的工作模式。
详细地，如图2所示，控制模块4被配置为：在闭环状态下，通过电压控制环和电流控制环进行反馈控制，获取双向直流变换电路的参考输出电压Ucref及实际输出电压Uc（可以是直流电压V1或者直流电压V2），通过电压控制环对参考输出电压Ucref与实际输出电压Uc的差值进行转换处理，得到双向直流变换电路的参考输出电流Icref，再获取双向直流变换电路的实际输出电流Ic，通过电流控制环对参考输出电流Icref与实际输出电流Ic的差值进行转换处理，并将电流控制环的输出与载波发生器的输出做比较，得到并输出第一驱动信号Vc1，再对第一驱动信号Vc1取反，得到第二驱动信号Vc2。
详细地，如图3所示，控制模块4被配置为：在开环状态下，不再通过电压控制环和电流控制环进行反馈控制，直接将零信号与载波发生器的输出做比较，得到并输出第一驱动信号Vc1，再对第一驱动信号Vc1取反，得到第二驱动信号Vc2。
如上所述，双向直流变换电路的整体拓扑采用多组原边电路并联而副边绕组进行串联的方法，使得用多组变压器进行并联以及改变变压器的匝比能够极大地提升该拓扑输入输出的增益倍数，同时由于副边开关管D1~D2为开关器件，能够实现副边到原边的能量流动，从而实现双向充放电。与此对应的，双向直流变换电路具有第一工作模式和第二工作模式。
详细地，如图1-图3所示，在双向直流变换电路的第一工作模式下，基于控制模块4的控制，周期性地先导通后关断原边模块1中的至少部分原边开关管，将直流电源DC1提供的直流电压V1转换为多个交流电压，通过变压器模块2对多个交流电压分别进行升压处理后再叠加输出，得到目标交流电压，再通过副边模块3对目标交流电压进行整流处理，得到并向负载输出目标直流电压（即直流电压V2）。
更详细地，如图1-图3所示，在双向直流变换电路的第一工作模式下，通过调节2n条电流回路的通断状态来调节变压器的开启数量，基于变压器的开启数量调节来调节直流电压V1到目标直流电压的增益，通过调节2n条电流回路的通断状态来调节开启的各个变压器的增益，基于开启的各个变压器的增益调节来进一步调节直流电压到目标直流电压的增益。
详细地，如图1-图3所示，在双向直流变换电路的第二工作模式下，周期性地先导通后关断副边模块3中的至少部分副边开关管，将额外直流电源提供的直流电压（即直流电压V2）转换为交流电压，通过变压器模块2对交流电压进行分摊处理，得到多个分摊交流电压，通过变压器模块2对至少部分分摊交流电压进行降压处理，得到对应的多个目标交流电压，通过原边模块1对各个目标交流电压进行整流处理后再并联输出，得到并向直流电源DC1输出目标直流电压（即直流电压V1）。
更详细地，如图1-图3所示，在双向直流变换电路的第二工作模式下，通过调节副边模块3中两个副边开关管的通断状态来调节副边开关管的开启数量，基于副边开关管的开启数量调节来调节直流电压到目标直流电压的增益，通过调节2n条电流回路的通断状态来调节开启的各个变压器的增益，基于开启的各个变压器的增益调节来进一步调节直流电压到目标直流电压的增益。
在本发明的一可选实例中，如图4所示，n的取值为2，原边模块包括2个原边单元，原边模块仅包括2个保险丝及4个原边开关管，即保险丝F1~F2和原边开关管G1~G4，变压器模块2包括2个变压器，即变压器T1~T2。
详细地，如图4所示，在拓扑结构中变压器的原边部分是由带反并联二极管的原边开关管G1~G4，保险丝F1~F2以及霍尔电流传感器HCS1~HCS2组成，变压器的副边部分是由电感L1、带反并联二极管的副边开关管D1~D2组成的整流半桥以及输出端的一个稳压电容C3组成，其负载端可以接入负载电阻R或接入单相逆变器DC/AC电路作为负载，连接原边和副边的变压器为三线圈变压器，其中，整体电路的副边部分也可以替换成可控整流桥与LC串联并与变压器副边串联的结构。
更详细地，如图4所示，整体拓扑采用多组原边电路并联而副边绕组进行串联的方法，使得用多组变压器进行并联以及改变变压器的匝比能够极大地提升该拓扑输入输出的增益倍数，同时由于副边开关管D1~D2为开关器件，能够实现副边到原边的能量流动，从而实现双向充放电。
更详细地，该拓扑的控制策略以及驱动如图2-图3所示，图2所示控制策略中Ucref为双向DCDC拓扑输出的电压参考值，而Uc为电容C3上的实际电压值，其差经过电压环后与Ic为拓扑输出的实际电流做差，后进入电流环再与载波做比较生成对每组变压器所对应的原边开关管施加高频驱动信号，使得开关管能够进行高频开通、关断，其中每组开关管对应的驱动信号互补，以第一组、第二组变压器对应的原边电路的驱动开关管G1、G2、G3、G4为例，其开关状态表如下表所示，同时在每个开关管附近增加一个电压检测电路，当检测到开关管两端的驱动电压异常时，每一路变压器原边对应的两个开关管器件驱动进行封波操作，即两只开关管断开，以此保证故障的开关管不会影响电路的正常工作。
在第一工作模式下，当原边开关管G1、G3闭合，原边开关管G2、G4断开时，该拓扑的模态1如图5所示。在模态1下，低压侧直流电源DC1的能量经过变压器低压侧线圈NP1、NP3从低压侧传递到高压侧线圈NS1、NS2，此时原边较小电压经过变压器的匝比进行升压操作变为副边电压较高的交流电压，而后变压器高压线圈上NS1、NS2上的交流电压经过由电感L、电容C1、C2以及开关管D1和D2组成的整流桥进行整流操作，在模态1下整流桥的输入交流电压经由电容C2和导通的开关管D1整流成较高等级的直流电压稳压在稳压电容C3上，以此完成将较小的直流电压V1升压成电压等级较高的直流电压V2。
在第一工作模式下，当原边开关管G1、G3断开，原边开关管G2、G4闭合时，该拓扑的模态2如图6所示。在模态2下，低压侧直流电源DC1的能量经过变压器低压侧线圈NP2、NP4从低压侧传递到高压侧线圈NS1、NS2，此时原边较小电压经过变压器的匝比进行升压操作变为副边电压较高的交流电压，而后变压器高压线圈上NS1、NS2上的交流电压经过由电感L、电容C1、C2以及开关管D1和D2组成的整流桥进行整流操作，在模态2下整流桥的输入交流电压经由电容C1和导通的开关管D2整流成较高等级的直流电压稳压在稳压电容C3上，以此完成将较小的直流电压V1升压成电压等级较高的直流电压V2。
更详细地，如图4所示的高增益双向直流变换电路的拓扑结构图中加入了两组变压器及其对应的原副边电路，其能够通过改变压器匝比来改变输入输出电压的增益，因此可以通过提高变压器原边和副边的匝数比以此来提高输入输出电压的增益。为了进一步提高该拓扑的增益，可以增加变压器原边和副边电路，以此来提高该拓扑的增益，实现该拓扑的高增益，从而实现从原边输入的小电压等级能够提升至副边的较高电压等级，如图7所示。
同时，当高压侧直流端发生故障时，由于变压器原边和副边的隔离作用，能够减小故障对拓扑低压侧的危害和影响。同时由于霍尔电流传感器存在，能够监测直流低压侧流过的电流大小，且在低压侧电路中串联了保险丝，当低压侧电路发生过流等故障时能够快速熔断，防止过流故障影响到接在低压侧直流端处的设备或电池的正常工作，提升低压设备和电池的使用安全。
在本发明的另一可选实施例中，如图7所示，n的取值为6，原边模块1包括6个原边单元，涉及保险丝F1~F6、原边开关管G1~G12，变压器模块2包括6个变压器，即变压器T1~T6。该拓扑的低压侧采用3.3V的直流小电压等级（即直流电压V1为3.3V），使其在高压侧输出370V电压等级的电压（即直流电压V2为370V），其可以应用大单体电芯进行充放电的场景中。其中，直流电源DC1为3.3V的小电压等级直流电压源，在电路中原边开关管G1~G12和副边开关管D1~D2均为开关管器件，HCS1~HCS3为霍尔电流传感器，NP1-NP12分别为各路变压器的原边匝数，NS1-NS6分别为各路变压器的副边匝数，C1、C2为电容，L为电感，C3为稳压电容，R为负载电阻。
更详细地，在工作实例中，在低压侧的直流电源DC1上施加3.3V的低电压等级直流电压，设定各路变压器的原副边匝数比NP(2n-1)：NP(2n):NS(n)为1：1：10，对原边开关管G1-G12施加占空比为0.5的50KHz高频驱动信号，其中原边开关管G1、G3、G5、G7、G9、G11的开关驱动信号与原边开关管G2、G4、G6、G8、G10、G12的开关驱动信号互补，驱动互补如图2所示，且在原边开关管G1-G12的两端存在驱动电压检测电路，当检测到开关管驱动电压异常时，将会对各个开关管进行封波操作，移除该支路，保证拓扑的正常工作。
正常工作情况下，低压侧直流电源DC1上的能量通过三线圈变压器传递到变压器的副边，并将低压侧的3.3V低电压等级的电压升压成幅值为400V高电压等级的交流电而后经过副边由C1、C2、D1、D2组成的整流桥将能量传递到负载R上，并将交流电转换成370V的直流电压，因此该拓扑能够极大地提升输入输出增益，实现从小电压等级到高电压等级的升压操作。同时，对副边开关管D1、D2分别施加与原边开关管G1、G2相应的驱动信号也可以使得高压侧的400V直流电压经过DCDC拓扑的变换后降压成为低压侧的3.3V小电压，实现能量的双向流动，增大了能量的利用率。该拓扑中加入了变压器，能够将输入侧与输出侧进行电气隔离进而提升了该拓扑的安全性，且可以通过调节变压器原边与副边的匝数比以及相应的支路数，实现该拓扑的输入输出电压高增益。
需要说明的是，在上述实施例中，对双向直流变换电路的第二工作模式下由副边到原边的降压直流变换过程未作详细展开阐述，其可参照上述第一工作模式下由原边到副边的升压直流变换过程进行分析，在此不再赘述。
由上述分析可知，由于本发明的高增益双向直流变换电路能够在其高增益的效果下实现从小电压等级升至高电压等级的变换以及高电压等级降至低电压等级的变换，实现能量的双向流动，能够实现对电池以及电芯充放电的基本需求。同时在拓扑的原边部分加入了霍尔电流传感器来检测系统中的电流大小，同时在原边部分的线路上串联了保险丝作为保护，防止电流突变时损害电池，且该拓扑的高压侧和低压侧采用了变压器进行隔离，避免高压侧故障时直接影响到低压侧的正常工作，具有较好的保护功能，因此可以在该拓扑的原边直流电压V1处接入电池电芯，由该拓扑实现对电池的直接充电放电操作并能够提供保护、检测功能，能够使得该拓扑在完成高增益升压和降压的同时，替代电池管理系统的功能，使得电池减少对电池管理系统的依赖，节省了电池充放电的成本。
需要强调的是，在本发明中，通过变压器模块中多个变压器的原边线圈与对应原边单元连接后并联设置、多个变压器的副边线圈依次串联的拓扑结构设计，实现多个变压器的增益叠加，能有效提升输入端到输出端的增益；通过改变原边侧电流回路的开启条数或者每个变压器原边线圈与副边线圈之间的匝比来调节输入端到输出端的增益，实现增益的灵活调节，能扩大其适用范围；通过变压器模块中的多个变压器实现输入端与到输出端之间的电气隔离，能提升安全性；此外，在原边模块中设置霍尔电流传感器及保险丝，实时检测原边侧的电流并在过流时进行熔断保护，能进一步提升安全性。
此外，本发明实施例还提供一种户外电源，其包括上述双向直流变换电路，基于上述双向直流变换电路，能有效进行增益灵活可调的高增益双向直流变换，能对大单体电芯进行升压以及充放电操作，无需对大单体电芯进行分压操作，基于变压器的电气隔离和保险丝、霍尔电流传感器的检测保护，使得其具有较高的安全性，减少了电池电芯对电池管理系统的依赖，提升了单体电芯的一致性以及电芯使用的安全性，其使用范围较广。
综上所述，在本发明提供的双向直流变换电路及户外电源中，结合原边模块、变压器模块、副边模块及控制模块设计双向直流变换电路，实现了双向直流变换，对直流电源提供的直流电压进行升压直流变换并输出到负载，或者对额外直流电源提供的直流电压进行降压直流变换并输出到直流电源，同时，通过变压器模块中多个变压器的原边线圈与对应原边单元连接后并联设置、多个变压器的副边线圈依次串联的拓扑结构设计，实现了多个变压器的增益叠加，极大地提升了输入端到输出端的增益，便于将低压升至高压或者将高压降至低压；能通过增加或者减少电流回路的开启条数来调节输入端到输出端的增益，还能通过调节变压器模块中多个变压器原边线圈与副边线圈之间的匝比来进一步调节输入端到输出端的增益，实现增益的灵活调节，将其应用在户外电源时，能根据输入端到输出端的理想增益适应性地调节实时增益，扩大了其适用范围；通过变压器模块中的多个变压器实现了输入端与到输出端之间的电气隔离，通过保险丝及霍尔电流传感器进行监测保护，具有较高的安全性；基于高增益的双向直流变换功能，该双向直流变换电路还能够应用于对大单体电芯进行升压以及充放电操作，且无需对大单体电芯进行分压操作，减少了电池电芯对电池管理系统的依赖，提升了单体电芯的一致性以及电芯使用的安全性。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (14)

1.一种双向直流变换电路，其特征在于，包括：
原边模块，包括n个并行设置的原边单元，所述原边单元包括原边开关管；
变压器模块，与所述原边模块连接，形成推挽电路，包括n个并行设置的变压器，n个所述变压器的原边线圈与n个所述原边单元一一对应连接后并联设置并接入直流电源，形成2n条电流回路，通过所述原边开关管控制所述电流回路的通断状态；
副边模块，一端与所述变压器模块连接，形成半桥整流电路或全桥整流电路，另一端接负载和额外直流电源中的一个，且n个所述变压器的副边线圈依次串联后接入所述副边模块的一端，所述副边模块包括副边开关管；
控制模块，与所述原边模块及所述副边模块分别连接，控制所述原边开关管或者所述副边开关管的开关状态，以调控所述双向直流变换电路的工作模式，对所述直流电源提供的直流电压进行升压直流变换并输出到所述负载，或者对所述额外直流电源提供的直流电压进行降压直流变换并输出到所述直流电源，并调节所述升压直流变换或者所述降压直流变换的增益；
其中，n为大于或者等于2的整数。
2.根据权利要求1所述的双向直流变换电路，其特征在于，所述变压器为具有两个原边线圈、一个副边线圈的三线圈变压器，且所述变压器中副边线圈的匝数大于所述变压器中原边线圈的匝数。
3.根据权利要求2所述的双向直流变换电路，其特征在于，所述原边单元分别包括保险丝及两个所述原边开关管，第i个所述原边单元中第一个所述原边开关管的第一端经串接的所述保险丝后接所述直流电源的负极，第i个所述原边单元中第一个所述原边开关管的第二端接第i个所述变压器中第一个原边线圈的同名端，第i个所述变压器中第一个原边线圈的异名端接所述直流电源的正极，第i个所述原边单元中第二个所述原边开关管的第一端接第i个所述原边单元中第一个所述原边开关管的第一端，第i个所述原边单元中第二个所述原边开关管的第二端接第i个所述变压器中第二个原边线圈的异名端，第i个所述变压器中第二个原边线圈的同名端接第i个所述变压器中第一个原边线圈的异名端，其中，i为1~n的整数。
4.根据权利要求3所述的双向直流变换电路，其特征在于，所述原边模块还包括两个霍尔电流传感器，n个所述原边单元中第一个所述原边开关管的第一端经串接的所述保险丝后于第一节点短接，所述第一节点接所述直流电源的负极，且所述第一节点与所述直流电源的负极之间的连接线穿过第一个所述霍尔电流传感器，n个所述变压器中第一个原边线圈的异名端于第二节点短接，所述第二节点接所述直流电源的正极，且所述第二节点与所述直流电源的正极之间的连接线穿过第二个所述霍尔电流传感器。
5.根据权利要求3所述的双向直流变换电路，其特征在于，所述副边模块包括一个电感、两个副边开关管及三个电容，第1个所述变压器中副边线圈的同名端接第一个所述电容的第二端，第j个所述变压器中副边线圈的异名端接第j+1个所述变压器中副边线圈的同名端，第n个所述变压器中副边线圈的异名端接所述电感的第一端，所述电感的第二端接第一个所述副边开关管的第二端，第一个所述副边开关管的第一端接第一个所述电容的第一端，第一个所述副边开关管的第二端还接第二个所述副边开关管的第一端，第二个所述副边开关管的第二端接第二个所述电容的第二端，第二个所述电容的第一端接第一个所述电容的第二端，第三个所述电容的第一端接第一个所述副边开关管的第一端，第三个所述电容的第二端接第二个所述副边开关管的第二端，第三个所述电容的两端还与所述负载和所述额外直流电源中的一个连接，其中，j为1~n-1的整数。
6.根据权利要求5所述的双向直流变换电路，其特征在于，所述副边模块还包括霍尔电流传感器，第1个所述变压器中副边线圈的同名端与第一个所述电容的第二端之间的连接线穿过所述霍尔电流传感器。
7.根据权利要求5所述的双向直流变换电路，其特征在于，所述控制模块与各个所述原边开关管的控制端及各个所述副边开关管的控制端分别连接，以对各个所述原边开关管的开关状态及各个所述副边开关管的开关状态进行独立控制。
8.根据权利要求7所述的双向直流变换电路，其特征在于，所述控制模块被配置为：获取所述双向直流变换电路的参考输出电压及实际输出电压，通过电压控制环对所述参考输出电压与所述实际输出电压的差值进行转换处理，得到所述双向直流变换电路的参考输出电流，再获取所述双向直流变换电路的实际输出电流，通过电流控制环对所述参考输出电流与所述实际输出电流的差值进行转换处理，并将所述电流控制环的输出与载波发生器的输出做比较，得到并输出第一驱动信号，再对所述第一驱动信号取反，得到第二驱动信号。
9.根据权利要求8所述的双向直流变换电路，其特征在于，每个所述原边单元中第一个所述原边开关管的控制端接所述第一驱动信号，每个所述原边单元中第二个所述原边开关管的控制端接所述第二驱动信号。
10.根据权利要求9所述的双向直流变换电路，其特征在于，在所述双向直流变换电路的第一工作模式下，周期性地先导通后关断所述原边模块中的至少部分所述原边开关管，将所述直流电源提供的直流电压转换为多个交流电压，通过所述变压器模块对多个所述交流电压分别进行升压处理后再叠加输出，得到目标交流电压，再通过所述副边模块对所述目标交流电压进行整流处理，得到并向所述负载输出目标直流电压。
11.根据权利要求10所述的双向直流变换电路，其特征在于，在所述双向直流变换电路的第一工作模式下，通过调节2n条所述电流回路的通断状态来调节所述变压器的开启数量，基于所述变压器的开启数量调节来调节所述直流电压到所述目标直流电压的增益，通过调节2n条所述电流回路的通断状态来调节开启的各个所述变压器的增益，基于开启的各个所述变压器的增益调节来进一步调节所述直流电压到所述目标直流电压的增益。
12.根据权利要求9所述的双向直流变换电路，其特征在于，在所述双向直流变换电路的第二工作模式下，周期性地先导通后关断所述副边模块中的至少部分所述副边开关管，将所述额外直流电源提供的直流电压转换为交流电压，通过所述变压器模块对所述交流电压进行分摊处理，得到多个分摊交流电压，通过所述变压器模块对至少部分所述分摊交流电压进行降压处理，得到对应的多个目标交流电压，通过所述原边模块对各个所述目标交流电压进行整流处理后再并联输出，得到并向所述直流电源输出目标直流电压。
13.根据权利要求12所述的双向直流变换电路，其特征在于，在所述双向直流变换电路的第二工作模式下，通过调节所述副边模块中两个所述副边开关管的通断状态来调节所述副边开关管的开启数量，基于所述副边开关管的开启数量调节来调节所述直流电压到所述目标直流电压的增益，通过调节2n条所述电流回路的通断状态来调节开启的各个所述变压器的增益，基于开启的各个所述变压器的增益调节来进一步调节所述直流电压到所述目标直流电压的增益。
14.一种户外电源，其特征在于，包括根据权利要求1-13中任一项所述的双向直流变换电路。
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