CN202218161U

CN202218161U - 双向隔离式的移相全桥dc/dc变换器

Info

Publication number: CN202218161U
Application number: CN2011203220645U
Authority: CN
Inventors: 刘闯; 王伟; 王虹; 李佳; 徐文; 毕文颖; 张厚才; 李济涪
Original assignee: 刘闯
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2021-08-30

Abstract

一种双向的、隔离式的、移相全桥的DC/DC变换器，包括：双向DC/DC功率电路、移相控制器、换向驱动电路，其中，双向DC/DC功率电路由对称的变换器与串联谐振电路组成；对称的移相控制器一直处于工作状态；换向驱动电路由隔离换向电路与驱动电路组成，隔离换向电路用于改变能量的流动方向，驱动电路用于驱动开关器件。该变换器可大幅度地变换直流电压、效率高，可用于电动汽车电源、大型设备的备用电源等。

Description

双向隔离式的移相全桥DC/DC变换器

技术领域

本实用新型涉及一种双向的DC/DC变换器，特别是涉及一种双向的、隔离式的、基于移相全桥的DC/DC变换器。

背景技术

双向DC/DC变换器在电动汽车、大功率设备的能量回收系统、大功率设备的备用电源中有着非常广泛的应用。储能元件采用超级电容器或蓄电池，通过双向DC/DC变换器控制其充电和放电。

传统的全桥PWM变换器适用于电压变换幅度低、负载电流变化大等场合，其优点是开关频率固定，便于控制。为了提高变换器的功率密度，减少单位输出功率的体积和重量，需将开关频率提高。将谐振变换器与PWM技术结合起来构成软开关PWM控制方案，既能实现功率开关的软开关特点，又能实现恒频控制。在DC/DC变换器中，较多采用以全桥移相控制的软开关PWM变换器，它是直流电源实现高频化的理想拓扑之一，尤其是在中、大功率变换器应用场合。

经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利申请号为200810040359.6的专利，专利名称为：一种大功率双向DC/DC变换器拓扑结构，该专利包括：高压侧滤波单元、桥臂单元、储能及低压侧滤波单元、能量存储单元，所述的高压侧滤波单元、桥臂单元、储能及低压侧滤波单元、能量存储单元依次连接，所述的桥臂单元包括三个开关器件。该发明是一种用于直流大功率能量回收及再利用场合的节能设备拓扑，能有效防止故障情况下电流失控、迅速完成过电流保护，适用于高可靠性双向大功率工程应用场合。该发明的双向DC/DC变换器是非隔离式的，需要设计两侧的滤波单元，较为繁琐，若滤波器设计不合理，两侧会互相影响，增加两侧之间的谐波危害，且电压变换幅度较小，储能单元采用串联连接，需要均压电路，能量存储较慢。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术中的不足，提出一种双向隔离式的移相全桥DC/DC变换器。该变换器器通过高频变压器隔离、变压，电压变换幅度很大；移相控制器一直处于工作状态，通过控制光耦合器的使能信号改变能量流动方向，响应迅速；变换器的开关器件基于准谐振软开关控制，可大幅度减小开关损耗，变换器的效率很高。

本实用新型包括：双向DC/DC功率电路、移相控制器、换向驱动电路。

所述的双向DC/DC功率电路包括：初级侧稳压电容器、初级侧高频变换器、初级侧串联谐振电路、高频变压器、次级侧串联谐振电路、次级侧高频变换器、次级侧稳压电容器，其中，高频变压器用于隔离和变压；串联谐振电路用于软开关谐振；两侧的稳压电容器用于增强直流电压的稳定性；两侧的高频变换器结构相同，由四个反并联快速二极管的开关器件组成，用于逆变和整流。

能量由初级侧向次级侧流动时，初级侧高频变换器处于逆变状态，初级侧串联谐振电路处于谐振状态；次级侧高频变换器处于整流状态，四个开关器件保持关断，四个快速二极管作用，次级侧串联谐振电路不工作，其谐振电容器用于滤波。能量由次级侧向初级侧流动时，次级侧高频变换器处于逆变状态，次级侧串联谐振电路处于谐振状态；初级侧高频变换器处于整流状态，四个开关器件保持关断，四个快速二极管作用，初级侧串联谐振电路不工作，其谐振电容器用于滤波。串联谐振电路由外加谐振电容器与高频变压器的漏感组成，初级侧和次级侧的谐振频率可相同，也可不同。

所述的移相控制器包括初级侧移相控制器与次级侧移相控制器，初级侧移相控制器控制初级侧高频变换器，所需采样的量为：次级侧直流电压、次级侧直流电流、初级侧谐振电流；次级侧移相控制器控制次级侧高频变换器，所需采样的量为：初级侧直流电压、初级侧直流电流、次级侧谐振电流。不管能量流动方向，两个移相控制器一直处于工作状态。

所述的换向驱动电路包括初级侧换向驱动电路与次级侧换向驱动电路，两个换向驱动电路的换向使能信号相反，某一时刻，只有一个换向驱动电路处于工作状态，以此控制能量的流动方向。每一个换向驱动电路由隔离换向电路和驱动电路组成。

隔离换向电路由结构相同的4个光耦合器组成，光耦合器的使能端控制信号为高电平或不接时，光耦合器将移相控制器输出的驱动信号进行反向变换，使能端控制信号为低时，光耦合器输出信号不受输入信号影响，始终输出高电平。该电路用于决定双向DC/DC变换器的能量流动方向，在某一时刻，能量必定单向流动，初级侧的隔离换向电路与次级侧的隔离换向电路的使能端控制信号相反，一侧处于工作状态，另一侧就处于失效状态。能量向次级侧流动，次级侧的隔离换向电路使能端为低，初级侧为高；能量向初级侧流动，初级侧的隔离换向电路使能端为低，次级侧为高。

驱动电路由驱动芯片与驱动变压器组成，驱动芯片将输入信号进行反向变换，与光耦合器的反向变换抵消，驱动芯片输出的驱动信号和移相控制器输出的驱动信号相同，驱动芯片增强了信号的驱动能力。驱动变压器初级侧有一个绕组，次级侧有两个绕组，将一组驱动信号变换为两组互补的驱动信号，用来驱动一个桥臂的上、下两个开关器件。当隔离换向电路处于失效状态时，驱动变压器的输出无法产生电压差，也就无法驱动开关器件，开关器件处于关断状态，相应的高频变换器处于整流状态。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：第一、高频变压器隔离两侧，电压变换幅度很大；第二、高频变换器逆变时基于准谐振软开关控制开关器件，降低了开关损耗，提高了双向DC/DC变换器的效率；第三、移相谐振控制器一直处于工作状态，通过光耦合器控制能量流动方向，响应快，可快速变换能量流向。

附图说明

图1为双向隔离式的移相全桥DC/DC变换器的结构框图；

图2为双向隔离式的移相全桥DC/DC变换器的换向驱动电路。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例作详细说明：本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。因此，应当明白，所附的权利要求意欲涵盖落入本实用新型的真实精神的所有这些修改和改变。

如图1所示，本实施例包括：双向DC/DC功率电路、移相控制器、换向驱动电路。

所述的双向DC/DC变换功率电路包括：初级侧稳压电容器C₁、初级侧高频变换器1、初级侧谐振电容器C_r1、高频变压器T、次级侧谐振电容器C_r2、次级侧高频变换器2、次级侧稳压电容器C₂，具中：稳压电容器C₁和稳压电容器C₂用于增强直流电压的稳定性；变换器1由开关器件S₁、S₂、S₃、S₄组成，S₁、S₂、S₃、S₄分别反并联快速二极管D₁、D₂、D₃、D₄；变换器2由开关器件S₅、S₆、S₇、S₈组成，S₅、S₆、S₇、S₈分别反并联快速二极管D₅、D₆、D₇、D₈；初级侧谐振电路由电容器C_r1与高频变压器T的漏感组成；次级侧谐振电路由电容器C_r2与高频变压器T的漏感组成。

所述的移相控制器包括初级侧移相控制器1与次级侧移相控制器2，初级侧移相控制器1控制变换器1，所需采样的量为：次级侧直流电压U₂、次级侧直流电流I₂、初级侧谐振电流I_r1；次级侧移相控制器2控制变换器2，所需采样的量为：初级侧直流电压U₁、初级侧直流电流I₁、次级侧谐振电流I_r2。移相控制器1根据U₂、I₂、I_r1输出驱动信号A1、B1、C1、D1；移相控制器2根据U₁、I1、I_r2输出驱动信号A2、B2、C2、D2。不管能量流动方向，两个移相控制器一直处于工作状态。

所述的换向驱动电路包括初级侧换向驱动电路1与次级侧换向驱动电路1，如图2所示，为初级侧换向驱动电路1，该电路包括隔离换向电路1与驱动电路1，隔离换向电路1包括4个光耦合器U1、U2、U3、U4，电阻R11限制光耦合器U1的输入电流，保护其发光二极管，R12为上拉电阻，C11与C12使得U1的供电稳定，使能端信号En1为高或不接时，光耦合器U1的输入信号与输出信号相反，使能端信号En1为低时，不管U1的输入为低电平或高电平，输出都为高电平，U2、U3、U4的结构与U1完全相同。换向驱动电路1的使能信号En1与换向驱动电路2的使能信号En2相反，以控制能量单向流向，可通过改变换向信号，改变能量的流动方向。

驱动电路1包括2个驱动芯片U5、U6和2个驱动变压器T11、T12，驱动芯片U5输出信号的波形与输入相反，且输出信号的波形和移相控制器的输出波形完全相同。电阻R12、驱动变压器T11、电容C13串联与驱动芯片U5的输出相连，电容C51、C52使得驱动芯片U5供电稳定，驱动变压器T11初级侧一个绕组，次级侧两个绕组，次级侧的每个绕组分别并联电阻R14、R15，G1端连接开关器件S₁的门极，GND1端连接开关器件S₁的源极，G2端连接开关器件S₂的门极，GND2端连接开关器件S₂的源极。U6的结构与U5完全相同，T12的结构与T11完全相同。

移相控制器采用UC3875，外围电路是其典型电路；光耦合器U1、U2、U3、U4为6N137，R11、R21、R31、R41为1KΩ，R12、R22、R32、R42为470Ω，C11、C21、C31、C41为100nF，C12、C22、C32、C42为10uF；驱动芯片U5、U6为UCC37323，C51、C61为100nF，C52、C62为10uF；R13、R33为10Ω，C13、C33为2.2uF，R14、R15、R34、R35为2.7KΩ。

Claims

1.一种双向隔离式的移相全桥DC/DC变换器，包括：双向DC/DC功率电路、移相控制器、换向驱动电路。

2.根据权利要求1所述的双向隔离式的移相全桥DC/DC变换器，其特征是，所述的双向DC/DC功率电路包括：初级侧稳压电容器、初级侧高频变换器、初级侧串联谐振电路、高频变压器、次级侧串联谐振电路、次级侧高频变换器、次级侧稳压电容器，其中，高频变压器用于隔离和变压；串联谐振电路用于软开关谐振；两侧的稳压电容器用于增强直流电压的稳定性；两侧的高频变换器结构相同，由四个反并联快速二极管的开关器件组成，用于逆变和整流，某一时刻，一侧变换器用于逆变，其相应的谐振电容器与变压器漏感谐振，另一侧变换器的开关器件全部关断，用于整流，其相应的谐振电容器用于整流滤波。

3.根据权利要求1所述的双向隔离式的移相全桥DC/DC变换器，其特征是，所述的移相控制器包括初级侧移相控制器与次级侧移相控制器，初级侧移相控制器控制初级侧高频变换器，所需采样的量为：次级侧直流电压、次级侧直流电流、初级侧谐振电流；次级侧移相控制器控制次级侧高频变换器，所需采样的量为：初级侧直流电压、初级侧直流电流、次级侧谐振电流，不管能量流动方向，两个移相控制器一直处于工作状态。

4.根据权利要求1所述的双向隔离式的移相全桥DC/DC变换器，其特征是，所述的换向驱动电路包括初级侧换向驱动电路与次级侧换向驱动电路，每一个换向驱动电路由隔离换向电路和驱动电路组成。

5.根据权利要求4所述的双向隔离式的移相全桥DC/DC变换器，其特征是，隔离换向电路由结构相同的4个光耦合器组成，光耦合器的使能端信号为高电平或不接时，光耦合器将移相控制器输出的驱动信号进行反向变换，使能端控制信号为低时，光耦合器输出信号不受输入信号影响，始终输出高电平，两个隔离换向电路的使能信号相反，某一时刻，只有一个换向隔离电路处于工作状态，以此控制双向DC/DC变换器能量的流动方向。

6.根据权利要求4所述的双向隔离式的移相全桥DC/DC变换器，其特征是，驱动电路由驱动芯片与驱动变压器组成，驱动芯片将输入信号进行反向变换，与光耦合器的反向变换抵消，其输出信号与移相控制器的输出信号波形相同；驱动变压器初级侧有一个绕组，次级侧有两个绕组，将一组驱动信号变换为两组互补的驱动信号，用来驱动一个桥臂的上、下两个开关器件，当隔离换向电路处于失效状态时，驱动变压器的输出无法产生压差，开关器件处于关断状态。