CN206041812U - 一种双向dc/dc变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种双向DC/DC变换器。所述变换器包括：输入端与高电压端口相连、输出端与低电压端口相连、采用SAC拓扑结构的主变换模块，与所述主变换模块相连的控制器。所述控制器用于根据负载方向切换主变换模块的工作模式，当低电压端口为负载、高电压端口为电源时，主变换模块工作在隔离式降压模式；当低电压端口为电源、高电压端口为负载时，控制器使主变换模块工作在隔离式升压模式。本实用新型通过设置主变换模块和控制器，能够根据负载方向自动切换DC/DC的电流方向。所述主变换模块采用正弦振幅转换技术，工作在高频率零电压/零电流状态，使变换器的能量损耗极小，实验表明，本实用新型的变换器的效率接近98％。

Description

一种双向DC/DC变换器

技术领域

本实用新型属于电源技术领域，具体涉及一种双向DC/DC变换器。

背景技术

单向DC/DC变换器只能将能量从一个方向传输到另一个方向；而双向DC/DC变换器则可实现能量的双向传输，它的输入、输出电流方向可以改变，在功率传输上相当于两个单向DC/DC变换器，尤其是在需求双向流动应用场合可以大幅度减轻系统的体积、重量和成本。随着科学技术的发展，双向直流不间断电源系统、航空电源系统等应用场合增加，DC/DC变换器的需求逐渐增多。为了减轻系统的体积重量，节约成本，在电池的充放电、电动汽车、UPS系统、太阳能发电系统、航空电源系统等场合，双向DC/DC变换器获得了越来越广泛的应用。例如，具有双向功能的充电器在供电网络正常时向蓄电池充电，一旦供电网络供电中断，电池能量可以返回电网，向电网短时应急供电。控制直流电动机的变换器也是双向的，电动机工作时，将电能从电源送到电动机，电动机旋转，带动设备工作；制动时，电机能量通过变换器返回电源。

现有的双向DC/DC变换器存在的问题是效率较低，一般最高只能达到80～90％。申请号为201010102548.9的中国发明专利，公开了两种双向直流变换器，这两种双向直流变换器分别为升压-降压式和升降压式，其电路结构均包括第一和第二电源(V1、V2)、第一和第二滤波电容(C1、C2)、第一和第二二极管(D1、D2)、第一和第二开关管(Q1、Q2)、第一和第二耦合电感(Lc1、Lc2)及滤波电感(L)，两个耦合电感通过共用一个电感磁芯相互耦合在一起。该发明两个方向功率变换的开关管相互独立，避免了传统双向变换器开关管复用时由于开关管寄生体二极管反向恢复所导致的变换效率降低，同时提高了变换器的可靠性，当其中一个方向的开关管故障时，另一个方向的功率变换不会受影响。其缺点是效率较低。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型提出一种双向DC/DC变换器，所述变换器采用正弦振幅转换器SAC(SineAmplitude Converter)，效率高达98％，能量损耗极小，大大提高了能源的利用率。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种双向DC/DC变换器，包括：输入端与高电压端口相连、输出端与低电压端口相连、采用SAC拓扑结构的主变换模块，与所述主变换模块相连的控制器。所述控制器用于根据负载方向切换所述主变换模块的工作模式，当低电压端口为负载、高电压端口为电源时，主变换模块工作在隔离式降压模式；当低电压端口为电源、高电压端口为负载时，所述控制器使主变换模块工作在隔离式升压模式。

进一步地，所述主变换模块包括：电源变压器和驱动变压器。电源变压器包括4个线圈，驱动变压器包括7个线圈。驱动变压器的1个线圈连接稳压电路，驱动变压器的4个线圈分别与4个电子开关相连后连接成全桥整流电路，全桥整流电路的输入端为主变换模块的输入端，全桥整流电路的2个输出端连接由电源变压器的2个线圈和1个电容构成的谐振电路。电源变压器的2个线圈与2个电子开关及分别与所述2个电子开关相连的驱动变压器的2个线圈连接成全波整流电路，全波整流电路的输出端为主变换模块的输出端。

优选地，所述电子开关为MOSFET或IGBT。

进一步地，所述控制器包括一个输入端与低电压端口相连的第一辅助电源，一个用于控制第一辅助电源输入端通断的延时控制电路。当低电压端口为电源、高电压端口为负载时，第一辅助电源输出一个直流电压至高电压端口为负载供电，低电压端口的电源为主变换模块供电使其工作在隔离式升压模式，主变换模块工作稳定后，延时控制电路切断第一辅助电源的输入端，第一辅助电源停止向负载供电，由主变换模块向高电压端口的负载供电；当低电压端口为负载、高电压端口为电源时，第一辅助电源没有供电电源，不工作。

优选地，所述控制器还包括一个输入端与低电压端口相连、为延时控制电路供电的第二辅助电源。

优选地，所述延时控制电路包括依次相连的阻容电路、比较器、电流放大器和继电器。

进一步地，所述主变换模块的输入端设置第一滤波器。

进一步地，所述主变换模块的输出端设置第二滤波器。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型通过设置所述主变换模块和所述控制器，能够根据负载方向自动切换DC/DC的电流方向。所述主变换模块采用正弦振幅转换技术，工作在高频率零电压/零电流(ZVS/ZCS)状态，使所述变换器的能量损耗极小，大大提高了能源的利用率。实验表明，本实用新型所述变换器效率接近98％。

附图说明

图1为所述变换器的结构框图；

图2为所述变换器的电原理简图；

图3为图1中主变换模块的组成框图；

图4为实施例给出的所述变换器的功率-效率曲线。

图中：1-主变换模块，2-控制器，3-第一滤波器，4-第二滤波器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

本实用新型的实施例给出了一种双向DC/DC变换器，其方框图如图1所示，包括：输入端与高电压端口相连、输出端与低电压端口相连、采用SAC拓扑结构的主变换模块1，与所述主变换模块1相连的所述控制器2。所述控制器2用于根据负载方向切换所述主变换模块1的工作模式，当低电压端口为负载、高电压端口为电源时，所述主变换模块1工作在隔离式降压模式；当低电压端口为电源、高电压端口为负载时，所述控制器2使所述主变换模块1工作在隔离式升压模式。

作为本实用新型的另一个实施例，如图3所示，所述主变换模块1包括：电源变压器(T1)和驱动变压器(T2)。电源变压器(T1)包括4个线圈，驱动变压器(T2)包括7个线圈。驱动变压器(T2)的1个线圈连接稳压电路，驱动变压器(T2)的4个线圈分别与4个电子开关(MOSFET)相连后连接成全桥整流电路，全桥整流电路的输入端为所述主变换模块1的输入端，全桥整流电路的2个输出端连接由电源变压器(T1)的2个线圈和1个电容(C_RES)构成的谐振电路，谐振频率即为所述变换器的工作频率。电源变压器(T1)的2个线圈与2个电子开关(MOSFET)及分别与所述2个电子开关相连的驱动变压器(T2)的2个线圈连接成全波整流电路，全波整流电路的输出端为所述主变换模块1的输出端。由于所述主变换模块1采用SAC拓扑结构，工作在高频率零电压/零电流(ZVS/ZCS)状态，不仅可以使所述变换器体积缩小，而且可以使所述变换器的能量损耗显著降低，显著提高了能源的利用率。所述变换器的功率-效率曲线如图4所示，所述变换器效率已接近98％，明显优于现有技术中的双向DC/DC变换器。

优选地，所述电子开关为MOSFET或IGBT。

作为本实用新型的另一个实施例，如图2所示，所述控制器2包括一个输入端与低电压端口相连的第一辅助电源(J1)，1个用于控制第一辅助电源输入端通断的延时控制电路。当低电压端口为电源、高电压端口为负载时，低电压端口的电源为第一辅助电源提供电源，第一辅助电源(J1)输出一个较高的直流电压至高电压端口为负载供电。低电压端口的电源为主变换模块1(J0)供电使其转换为隔离式升压模式。主变换模块1(J0)工作稳定后，延时控制电路的继电器(J)切断第一辅助电源(J1)输入端的供电电源，第一辅助电源(J1)停止向负载供电，由主变换模块1(J0)向高电压端口的负载供电；当低电压端口为负载、高电压端口为电源时，主变换模块1(J0)工作在降压模式，因为第一辅助电源(J1)没有供电电源(端口的负载端电压低)而停止工作。

优选地，如图2所示，所述控制器2还包括一个输入端与低电压端口相连的第一辅助电源(J1)，1个用于控制第一辅助电源(J1)输入端通断的延时控制电路。当低电压端口为电源、高电压端口为负载时，第一辅助电源(J1)输出一个直流电压至高电压端口为负载供电，低电压端口的电源为主变换模块1(J0)供电使其工作隔离式升压模式，主变换模块1(J0)工作稳定后，延时控制电路切断第一辅助电源(J1)的输入端，第一辅助电源(J1)停止向负载供电，由主变换模块1向高电压端口的负载供电。

优选地，如图2所示，所述控制器2还包括一个输入端与低电压端口相连、为延时控制电路供电的第二辅助电源(J2)。当低电压端口为电源、高电压端口为负载时，第二辅助电源(J2)输出一个+5V直流电压至延时控制电路为其供电；当低电压端口为负载、高电压端口为电源时，因为第一辅助电源(J1)没有供电电源(端口的负载端电压低)而停止工作。

优选地，如图2所示，所述延时控制电路包括依次相连的阻容电路(R、C)、由一级运算放大器(U)组成的比较器、由一级晶体管(Q)组成的电流放大器和继电器。当低电压端口为电源、高电压端口为负载时，低电压端口的电源通过电阻R向电容C充电，当电容C充电到比较器的比较阈值时，比较器翻转为高电平，经电流放大后驱动继电器(J)导通，断开第一辅助电源(J1)的供电电源。

作为本实用新型的另一个实施例，所述主变换模块1(J0)的输入端设置第一滤波器3，如图2中的C1。

作为本实用新型的另一个实施例，所述主变换模块1(J0)的输出端设置第二滤波器4，如图2中的C2。

本实用新型不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本实用新型的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种双向DC/DC变换器，其特征在于，包括：输入端与高电压端口相连、输出端与低电压端口相连、采用SAC拓扑结构的主变换模块，与所述主变换模块相连的控制器；所述控制器用于根据负载方向切换主变换模块的工作模式，当低电压端口为负载、高电压端口为电源时，主变换模块工作在隔离式降压模式；当低电压端口为电源、高电压端口为负载时，所述控制器使主变换模块切换为隔离式升压模式。

2.根据权利要求1所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述主变换模块包括：电源变压器和驱动变压器；电源变压器包括4个线圈，驱动变压器包括7个线圈；驱动变压器的1个线圈连接稳压电路，驱动变压器的4个线圈分别与4个电子开关相连后连接成全桥整流电路，全桥整流电路的输入端为主变换模块的输入端，全桥整流电路的2个输出端连接由电源变压器的2个线圈和1个电容构成的谐振电路；电源变压器的2个线圈与2个电子开关及分别与所述2个电子开关相连的驱动变压器的2个线圈连接成全波整流电路，全波整流电路的输出端为主变换模块的输出端。

3.根据权利要求2所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述电子开关为MOSFET或IGBT。

4.根据权利要求1所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述控制器包括一个输入端与低电压端口相连的第一辅助电源，一个用于控制第一辅助电源输入端通断的延时控制电路；当低电压端口为电源、高电压端口为负载时，第一辅助电源输出一个直流电压至高电压端口为负载供电，低电压端口的电源为主变换模块供电使其工作在隔离式升压模式，主变换模块工作稳定后，延时控制电路切断第一辅助电源的输入端，第一辅助电源停止向负载供电，由主变换模块向高电压端口的负载供电；当低电压端口为负载、高电压端口为电源时，第一辅助电源没有供电电源，不工作。

5.根据权利要求4所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述控制器还包括一个输入端与低电压端口相连、为延时控制电路供电的第二辅助电源。

6.根据权利要求4或5所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述延时控制电路包括依次相连的阻容电路、比较器、电流放大器和继电器。

7.根据权利要求1所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述主变换模块的输入端设置第一滤波器。

8.根据权利要求1所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述主变换模块的输出端设置第二滤波器。