CN207218540U - 一种双向dc/dc电力转换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双向DC/DC电力转换装置，包括第一逆变/整流单元、LLC谐振单元、第二整流/逆变单元和控制器，所述第一逆变/整流单元、LLC谐振单元第二整流/逆变单元相连接；所述控制器分别与所述第一逆变/整流单元的控制端和所述第二整流/逆变单元的控制端相连接；所述控制器用于分别控制所述第一逆变/整流单元和所述第二整流/逆变单元，从而控制该DC/DC电力转换装置对电力进行正向或反向变换，能够实现ZVS导通。提高了直流电力转换的升降压比，解决了低压大电流难设计、电力转换效率低、体积大、成本高等技术问题。

Description

一种双向DC/DC电力转换装置

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种双向DC/DC电力转换装置。

背景技术

随着绿色可再生能源、电池化成与分容、电动汽车领域不断发展，越来越多需求高效的双向的隔离的直流变换器及其控制策略实现能量的双向流动。现有的双向隔离DC/DC电力转换装置一般采用硬开关结构，硬开关会造成电力转换装置的整机效率降低，且限制了整个电路的工作频率，成本高且体积较大。

在电池的化成和分容领域，需要对电池充电同时也需要放电。最好的方式能够实现高效AC/DC双向流动，充电的时候从电网取电，放电的馈网。这就需要高效的双向AC/DC和DC/DC进行级联。本实用新型采用一级谐振的、隔离的高效DC/DC变换器与其级联，实现调制和整流器件的软开关，轻松解决高变比、低压大电流，转换效率低，体积大、成本高等问题。

实用新型内容

本实用新型实施例通过提供一种双向DC/DC电力转换装置，具体为谐振隔离双向DC/DC电力转换装置，用于解决现有技术中隔离双向DC/DC电力转换装置高变比、低压大电流、且电力转换效率低、体积大、成本高等技术问题。

本实用新型一实施例提供了一种双向DC/DC电力转换装置，所述双向DC/DC电力转换装置包括第一逆变/整流单元、LLC谐振单元、第二整流/逆变单元和控制器，其中：

所述第一逆变/整流单元、LLC谐振单元和第二整流/逆变单元依次连接；

所述控制器分别与所述第一逆变/整流单元的控制端和所述第二整流/逆变单元的控制端相连接；

所述控制器用于分别控制所述第一逆变/整流单元和所述第二整流/逆变单元按照以下模式工作：

在所述双向DC/DC电力转换装置进行正向DC/DC变换时，控制所述第一逆变/整流单元实现ZVS导通并对直流电源的输出电压进行逆变转换，所述LLC谐振单元对所述第一逆变/整流单元输出的交流电进行谐振变换，控制所述第二整流/逆变单元对所述LLC谐振单元输出的交流电进行整流转换；

在所述双向DC/DC电力转换装置进行反向DC/DC变换时，控制所述第二整流/逆变单元实现ZVS导通并对直流电源的输出电压进行逆变转换，所述LLC谐振单元对所述第二整流/逆变单元输出的交流电进行谐振转换，控制所述第一逆变/整流单元对所述LLC谐振单元输出的交流电进行整流转换。

可选的，所述控制器通过PFM分别控制所述第一逆变/整流单元和所述第二整流/逆变单元。

可选的，在所述双向DC/DC电力转换装置进行正向DC/DC变换时，当所述双向DC/DC电力转换装置的工作频率大于谐振频率时，控制所述第一逆变/整流单元和所述第二整流/逆变单元中的功率开关管的占空比均为50％，当所述双向DC/DC电力转换装置的工作频率不大于谐振频率时，控制所述第一逆变/整流单元中的功率开关管的占空比为50％，控制所述第二整流/逆变单元中的功率开关管的占空比小于50％；

在所述双向DC/DC电力转换装置进行反向DC/DC变换时，当所述双向DC/DC电力转换装置的工作频率大于谐振频率时，控制所述第一逆变/整流单元和所述第二整流/逆变单元中的功率开关管的占空比均为50％，当所述双向DC/DC电力转换装置的工作频率不大于谐振频率时，控制所述第二整流/逆变单元中的功率开关管的占空比等于50％，控制所述第一逆变/整流单元中的功率开关管的占空比小于50％。

可选的，所述控制器通过PWM分别控制所述第一逆变/整流单元和所述第二整流/逆变单元。

可选的，在所述双向DC/DC电力转换装置进行正向DC/DC变换时，若所述双向DC/DC电力转换装置的工作频率大于谐振频率时，控制所述第一逆变/整流单元和所述第二整流/逆变单元中的功率开关管的占空比均小于50％，若所述双向DC/DC电力转换装置的工作频率不大于谐振频率时，控制所述第一逆变/整流单元中的功率开关管的占空比小于等于50％，控制所述第二整流/逆变单元中的功率开关管的占空比小于50％；

在所述双向DC/DC电力转换装置进行反向DC/DC变换时，当所述双向DC/DC电力转换装置的工作频率大于谐振频率时，控制所述第一逆变/整流单元和所述第二整流/逆变单元中的功率开关管的占空比均小于50％，当所述双向DC/DC电力转换装置的工作频率不大于谐振频率时，控制所述第二整流/逆变单元中的功率开关管的占空比小于等于50％，控制所述第一逆变/整流单元中的功率开关管的占空比小于50％。

可选的，所述控制器还用于分别控制所述第一逆变/整流单元和所述第二整流/逆变单元实现ZCS关断。

可选的，所述第一逆变/整流单元为半桥电路或全桥电路；

所述第二整流/逆变单元为半桥电路或全桥电路。

可选的，所述LLC谐振单元包括：

第一电感、第一电容、第二电感和变压器，所述第一电感的第一端与所述第一逆变/整流单元的第一交流输出/输入端相连接，所述第一电感的第二端、所述第一电容、所述第二电感的第一端依次串联连接，所述第二电感与所述第一逆变/整流单元的第二交流输出/输入端相连接，所述第二电感与所述变压器的原边并联连接，所述变压器的副边与所述第二整流/逆变单元连接。

可选的，所述第一逆变/整流单元为半桥电路，所述半桥电路包括依次串联的第一开关管和第二开关管；

所述LLC谐振单元包括第一电感、第二电感、第一电容、第二电容和变压器，所述第二电感与所述变压器的原边并联连接，所述变压器的副边与所述第二整流/逆变单元连接；

所述第一开关管的第一端与所述第一电容的第一端相连接；

所述第一开关管的第二端与所述第二开关管的第一端相连接，所述第一开关管的第二端与所述第一电感的第一端相连接；

所述第二开关管的第二端与所述第二电容的第二端相连接；

所述第一电容的第二端与所述第二电容第一端的连接，所述第一电容的第二端与所述第二电感的第二端相连接；

所述第二电感的第一端与所述第一电感的第二端相连接。

可选的，所述变压器为多个原边相互串联、多个副边相互并联的变压器；

所述第二电感为多个串联的电感，所述多个串联的电感中的每个电感与所述多个原边一一对应并联连接。

可选的，所述变压器为多个原边相互串联、多个副边相互并联以及多个副边的抽头相互并联的变压器；

所述第二电感为多个串联的电感，所述多个串联的电感中的每个电感与所述多个原边一一对应并联连接。

本实用新型实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

采用本实用新型实施例提供的技术方案，提高了直流电力转换的升降压比，提高了电力转换效率。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的双向DC/DC电力转换装置的示意框图；

图2A为本实用新型实施例提供的双向DC/DC电力转换装置的第一示意图；

图2B为本实用新型实施例提供的双向DC/DC电力转换装置的第二示意图；

图2C为本实用新型实施例提供的双向DC/DC电力转换装置的第三示意图；

图2D为本实用新型实施例提供的双向DC/DC电力转换装置的第四示意图；

图2E为本实用新型实施例提供的双向DC/DC电力转换装置的第五示意图；

图2F为本实用新型实施例提供的图2C中的双向DC/DC电力转换装置反向变换时相关的波形示意图；

图3A为本实用新型实施例提供的双向DC/DC电力转换装置的第七示意图；

图3B为本实用新型实施例提供的双向DC/DC电力转换装置的第八示意图；

图3C为本实用新型实施例提供的双向DC/DC电力转换装置的第九示意图；

图4为本实用新型实施例提供的双向DC/DC电力转换装置中多变压器的第一示意图；

图5为本实用新型实施例提供的双向DC/DC电力转换装置中多变压器的第二示意图。

具体实施方式

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供一种双向DC/DC电力转换装置。

如图1所示，实用新型实施例提供的双向DC/DC电力转换装置包括第一逆变/整流单元1、LLC谐振单元2、第二整流/逆变单元3和控制器4，其中：

所述第一逆变/整流单元1、LLC谐振单元2和第二整流/逆变单元3依次连接；

所述控制器4分别与所述第一逆变/整流单元1的控制端和所述第二整流/逆变单元3的控制端相连接；

所述控制器4用于分别控制所述第一逆变/整流单元1和所述第二整流/逆变单元3按照以下模式工作：

在所述电力转换装置进行正向DC/DC变换时，控制所述第一逆变/整流单元1实现ZVS导通并对直流电源的输出电压进行逆变转换，所述LLC谐振单元2对所述第一逆变/整流单元1输出的交流电压进行谐振变换，控制所述第二整流/逆变单元3对所述LLC谐振单元输出的交流电进行整流转换；

在所述电力转换装置进行反向DC/DC变换时，控制所述第二整流/逆变单元3实现ZVS导通并对直流电源的输出电压进行逆变转换，所述LLC谐振单元2对所述第二整流/逆变单元3输出的交流电进行谐振，控制所述第一逆变/整流单元1所述LLC谐振单元2输出的交流电进行整流转换。

其中，所述第一逆变/整流单元1为半桥电路或全桥电路；所述第二整流/逆变单元3为半桥电路或全桥电路。所述变压器可以为隔离变压器。

进一步地，所述控制器还可以用于分别控制所述第一逆变/整流单元1和/或所述第二整流/逆变单元3实现ZCS关断。

进一步地，所述控制器通过PFM分别控制所述第一逆变/整流单元和所述第二整流/逆变单元。具体地，在所述双向DC/DC电力转换装置进行正向DC/DC变换时，当所述双向DC/DC电力转换装置的工作频率大于谐振频率时，控制所述第一逆变/整流单元和所述第二整流/逆变单元中的功率开关管的占空比均为50％，当所述双向DC/DC电力转换装置的工作频率不大于谐振频率时，控制所述第一逆变/整流单元中的功率开关管的占空比为50％，控制所述第二整流/逆变单元中的功率开关管的占空比小于50％；

在所述双向DC/DC电力转换装置进行反向DC/DC变换时，当所述双向DC/DC电力转换装置的工作频率大于谐振频率时，控制所述第一逆变/整流单元和所述第二整流/逆变单元中的功率开关管的占空比均为50％，当所述双向DC/DC电力转换装置的工作频率不大于谐振频率时，控制所述第二整流/逆变单元中的功率开关管的占空比等于50％，控制所述第一逆变/整流单元中的功率开关管的占空比小于50％。

进一步地，所述控制器通过PWM分别控制所述第一逆变/整流单元和所述第二整流/逆变单元。

在所述双向DC/DC电力转换装置进行正向DC/DC变换时，若所述双向DC/DC电力转换装置的工作频率大于谐振频率时，控制所述第一逆变/整流单元和所述第二整流/逆变单元中的功率开关管的占空比均小于50％，若所述双向DC/DC电力转换装置的工作频率不大于谐振频率时，控制所述第一逆变/整流单元中的功率开关管的占空比小于等于50％，控制所述第二整流/逆变单元中的功率开关管的占空比小于50％；

在所述双向DC/DC电力转换装置进行反向DC/DC变换时，当所述双向DC/DC电力转换装置的工作频率大于谐振频率时，控制所述第一逆变/整流单元和所述第二整流/逆变单元中的功率开关管的占空比均小于50％，当所述双向DC/DC电力转换装置的工作频率不大于谐振频率时，控制所述第二整流/逆变单元中的功率开关管的占空比小于等于50％，控制所述第一逆变/整流单元中的功率开关管的占空比小于50％。

对于前述的PFM控制和PWM控制，可以根据实际工程应用中对该装置输出的直流电压的需求，以及输入电压的稳定性(例如输入电压是否发生变化)，利用PFM和/或PWM控制第一逆变/整流单元的占空比和第二整流/逆变单元的占空比的大小。

例如，可以只采用PFM对第一逆变/整流单元的占空比和第二整流/逆变单元中处于逆变状态的单元进行控制，对整流单元进行PFM+PWM，此时，该装置中电路的工作频率是变化的，在该装置进行正向DC/DC变换时，该工作频率在变化过程中会大于谐振频率，也会小于谐振频率，该工作频率是可以调整的。

同样，也可以只采用PWM对第一逆变/整流单元的占空比和第二整流/逆变单元的占空比的大小进行控制，此时，该装置中电路的工作频率是固定的，但是，该固定的工作频率可以根据实际的工程需要进行设定，例如设定该固定的工作频率大于谐振频率，或者设定该固定的工作频率不大于谐振频率。

也可以根据实际工程需要采用PFM控制和PWM控制的结合，例如在同一时刻，可以采用对整流和逆变单元PFM+PWM同时控制，也可以在不同点的工况下进行单独的PFM或PWM控制，具体控制根据实际的需要进行设定，在此不再赘述。

其中，LLC谐振单元2的实现方式主要有以下两种：

方式一，如图2A所示，无论第一逆变/整流单元1为半桥电路或全桥电路，该DC/DC电力转换装置中的LLC谐振单元2都可以包括：

第一电感Lr、第一电容Cr1和第二电感Lm和变压器T1，所述第一电感Lr的第一端与所述第一逆变/整流单元1的第一交流输出/输入端相连接，所述第一电感Lr的第二端、所述第一电容Cr1、所述第二电感Lm的第一端依次串联连接，所述第二电感Lm与所述第一逆变/整流单元1的第二交流输出/输入端相连接，所述第二电感Lm与变压器T1的原边并联连接，所述变压器的副边与所述第二整流/逆变单元连接。

具体地，控制器控制能量正向，反向流动，谐振腔是Cr、Lm和Lr，其中Cr、Lm和Lr可以是独立的，也可以部分或全部集成在主变压器中。谐振腔左右侧可以是不同形式的能够既能实现整流、又能实现逆变的双向变换电路。左右各有直流源(可以是电池、利用变换电路实现的直流源等)。

对于图2A中所示的谐振单元，第一逆变/整流单元1和第二整流/逆变单元3的具体实现方式如图2B、图2C、图2D和图2E所示。

具体地，如图2B所示，在DC/DC电力转换装置进行正向直直变换时，Vin为直流输入电源，Vout为直流输出电压。当然，在DC/DC电力转换装置进行反向直直变换时，Vout侧变为直流输入电源，Vin侧变为直流输出电压(图中未示出)。

具体第一逆变/整流单元1为由Q11、Q12，Q13、Q14组成的全桥电路，谐振单元具体包括L1、C1和Lm，其具体连接关系与图2A中谐振单元2的连接关系相同，L1的第一端与由Q11、Q12，Q13、Q14组成的全桥电路的第一交流输出/输入端相连接，L1的第二端、C1、Lm的第一端依次连接，Lm与由Q11、Q12，Q13、Q14组成的全桥电路的第二交流输出/输入端相连接，Lm与变压器T1的原边并联连接。

所述第二整流/逆变单元3具体可以为由Q21、Q22组成的对称半桥电路，C2和C3分别与Q21和Q22并联。

例如，当该装置进行正向DC/DC变换时，即电能从第一逆变/整流单元流向第二整流/逆变单元，若该装置工作在PFM模式，可以通过以下两种方式实现：

方式1：装置的工作频率为Fs，工作频率例如开关管的调制频率，谐振频率Fr为当Fs>Fr时，第一逆变/整流单元中功率管Q11、Q14同时导通/关断，与之对应的第二整流/逆变单元Q21开通/关断，Q11、Q14以及Q21占空比50％。当工作频率Fs<Fr时，第一逆变/整流单元中功率管Q11、Q14同时导通，与之对应的第二整流/逆变单元中Q21也是与之对应同时开通，功率管Q11、Q14的占空比50％，Q21导通的时间小于Tr/2(Tr为谐振周期，Tr＝2πF_r)，即占空比小于50％。在第一逆变/整流单元中功率管Q11、Q14同时关断后，第一逆变/整流单元中功率管Q12、Q13的控制方式与Q11、Q14相同，同样，第二整流/逆变单元中Q22的控制方式与Q21相同，在此不再赘述。

方式2：第一逆变/整流单元中功率管Q11、Q14同时导通/关断，控制方式与方式1中相同。第二整流/逆变单元中Q21一直处于关断，通过附带的二极管进行整流。Q12，Q13与Q11，Q14对称互补发波。

例如，当该装置进行反向DC/DC变换时，即电能从第一逆变/整流单元流向第二整流/逆变单元，若该装置工作在PFM模式，可以通过以下两种方式实现：

方式1：装置的工作频率为Fs，工作频率例如开关管的调制频率，谐振频率为当Fs>Fr时，第二整流/逆变单元Q21开通/关断，与之对应的第一逆变/整流单元中功率管Q11、Q14同时导通/关断，Q11、Q14以及Q21占空比50％。当工作频率Fs<Fr时，第二整流/逆变单元中Q21、Q24同时开通，与之对应的第一逆变/整流单元中功率管Q11、Q14同时导通，功率管Q21的占空比50％，Q11、Q14导通的时间小于Tr/2(Tr为谐振周期，Tr＝2πF_r)，即占空比小于50％。在第一逆变/整流单元中功率管Q11、Q14同时关断后，第一逆变/整流单元中功率管Q12、Q13的控制方式与Q11、Q14相同，同样，第二整流/逆变单元中Q22的控制方式与Q21相同，在此不再赘述。

方式2：第二整流/逆变单元中Q21导通/关断，第一逆变/整流单元中功率管Q11、Q14一直处于关断，通过附带的二极管进行整流。Q22与Q21对称互补发波。

当该装置工作在定频PWM模式，即：优选的工作在Fs工作在谐振频率附近，当该装置进行正向DC/DC转换时，具体的调制方式包括以下两种：

方式1：Fs>Fr时，第一逆变/整流单元中的功率管Q11和Q14也是同时开通和关断，与之对应的第二整流/逆变单元Q21同时导通、关断，占空比根据需求进行调制，小于等于50％。当工作频率Fs<Fr时，第一逆变/整流单元中的功率管Q11和Q14也是同时开通和关断，与之对应的第二整流/逆变单元Q21同时导通，第二逆变/整流功率管Q21的导通的时间＝<Tr/2(Tr为谐振周期，Tr＝2πF_r)，即占空比小于50％。

方式2：第一逆变/整流单元中的功率管Q11、Q14同时导通/关断，占空比D根据调制定。第二整流/逆变单元Q21一直处于关断，通过附带的二极管进行整流。Q12、Q13与Q11、Q14互补发波，占空比D根据调制定。

当该装置进行反向DC/DC转换时，具体的调制方式包括以下两种：

方式1：Fs>Fr时，第二整流/逆变单元Q21也是同时开通和关断，与之对应的第一逆变/整流功率管Q11、Q14同时导通、关断，占空比根据需求进行调制，小于等于50％。当工作频率Fs<Fr时，第二整流/逆变单元Q21也是同时开通和关断，与之对应的第一逆变/整流功率管Q11，Q14同时导通，第一逆变/整流功率管Q11、Q14的导通的时间＝<Tr/2(Tr为谐振周期，Tr＝2πF_r)，即占空比小于50％。

方式2：第二逆变/整流功率管Q21导通、关断，占空比D根据调制定。第一整流/逆变单元Q11和Q14一直处于关断，通过附带的二极管进行整流。Q22与Q21互补发波，占空比D根据调制定。

具体地，如图2C所示，在DC/DC电力转换装置进行正向直直变换时，DC1直流输入电源，DC2为直流输出电压。当然，在DC/DC电力转换装置进行反向直直变换时，DC2变为直流输入电源，DC1侧变为直流输出电压。

第一逆变/整流单元1为由Q11、Q12，Q13、Q14组成的全桥电路，谐振单元2具体包括Lr、Cr和Lm，Cr、Lm、Lr依次串联，Lm与变压器T1的原边并联。

第二整流/逆变单元3具体可以为由Q21、Q22，Q23、Q24组成的全桥电路，C21为与该全桥电路的直流输出/输入端并联的稳压电容。变压器的副边与由Q21、Q22，Q23、Q24组成的全桥电路连接。

其工作方式具体例如是，Q11～Q14按照LLC的PFM变频模式发波，能量从DC1流向DC2，呈现出LLC电路的正常状态。当该装置进行正向DC/DC变换时，可以通过控制使得第一逆变/整流单元1和第二整流/逆变单元3均具有ZVS导通和ZCS关断的功能，同时配以同步整流的技术，使整个DC/DC电力转换装置达到很高效率。也可以通过控制使得第一逆变/整流单元1具有ZVS导通和ZCS关断的功能，使得第二整流/逆变单元3通过功率开关管中附带的二极管进行整流。反向亦然。系统进行PFM控制时，第一逆变/整流功率管Q11，Q14同时导通、关断，Q12，Q13与Q11，Q14对称互补发波。第二整流/逆变单元功率管Q21，Q24同时导通、关断，Q22，Q23与Q21，Q24对称互补发波。

例如，当该装置进行正向DC/DC变换时，即电能从第一逆变/整流单元流向第二整流/逆变单元，若该装置工作在PFM模式，可以通过以下两种方式实现：

方式1：装置的工作频率为Fs，工作频率例如开关管的调制频率，谐振频率Fr为当Fs>Fr时，第一逆变/整流单元中功率管Q11、Q14同时导通/关断，与之对应的第二整流/逆变单元Q21、Q24也是同时开通/关断，Q11、Q14以及Q21、Q24占空比50％。当工作频率Fs<Fr时，第一逆变/整流单元中功率管Q11、Q14同时导通，与之对应的第二整流/逆变单元中Q21、Q24也是与之对应同时开通，功率管Q11、Q14的占空比50％，Q21、Q24导通的时间小于Tr/2(Tr为谐振周期，Tr＝2πF_r)，即占空比小于50％。在第一逆变/整流单元中功率管Q11、Q14同时关断后，第一逆变/整流单元中功率管Q12、Q13的控制方式与Q11、Q14相同，同样，第二整流/逆变单元中Q22、Q23的控制方式与Q21、Q24相同，在此不再赘述。

方式2：第一逆变/整流单元中功率管Q11、Q14同时导通/关断，控制方式与方式1中相同。第二整流/逆变单元中Q21、Q24一直处于关断，通过附带的二极管进行整流。Q12，Q13与Q11，Q14对称互补发波。当该装置进行反向DC/DC变换时，此时Cr、Lr、T1的Lm形成谐振腔，由Q21～Q24组成全桥逆变电路，通过变压器T1的副边和原边将方波电压激励加在谐振腔的输入端，可以实现Q21～Q24的ZVS开通，其中整流侧Q11～Q14同样实现ZCS关断(其中Vgs1为反向功率管的驱动，I(mos1)为流过mos的电流，可见在驱动来之前，电流为负，流过其体内二极管，具备了ZCS的条件，Imos5为流过mos体内二极管的电流(同步整流时流过本体)，实现了第一逆变/整流单元1的ZCS关断)。Q11～Q14也可以通过合适的发波时序，使其工作在同步整流状态而达到了高效率的要求。

例如，当该装置进行反向DC/DC变换时，即电能从第一逆变/整流单元流向第二整流/逆变单元，若该装置工作在PFM模式，可以通过以下两种方式实现：

方式1：装置的工作频率为Fs，工作频率例如开关管的调制频率，谐振频率为当Fs>Fr时，第二整流/逆变单元Q21、Q24也是同时开通/关断，与之对应的第一逆变/整流单元中功率管Q11、Q14同时导通/关断，Q11、Q14以及Q21、Q24占空比50％。当工作频率Fs<Fr时，第二整流/逆变单元中Q21、Q24同时开通，与之对应的第一逆变/整流单元中功率管Q11、Q14同时导通，功率管Q21、Q24的占空比50％，Q11、Q14导通的时间小于Tr/2(Tr为谐振周期，Tr＝2πF_r)，即占空比小于50％。在第一逆变/整流单元中功率管Q11、Q14同时关断后，第一逆变/整流单元中功率管Q12、Q13的控制方式与Q11、Q14相同，同样，第二整流/逆变单元中Q22、Q23的控制方式与Q21、Q24相同，在此不再赘述。

方式2：第二整流/逆变单元中Q21、Q24同时导通/关断，第一逆变/整流单元中功率管Q11、Q14一直处于关断，通过附带的二极管进行整流。Q22、Q23与Q21、Q24对称互补发波。

当该装置工作在定频PWM模式，即：优选的工作在Fs工作在谐振频率附近，当该装置进行正向DC/DC转换时，具体的调制方式包括以下两种：

方式1：Fs>Fr时，第一逆变/整流单元中的功率管Q11和Q14也是同时开通和关断，与之对应的第二整流/逆变单元Q21、Q24同时导通、关断，占空比根据需求进行调制，小于等于50％。当工作频率Fs<Fr时，第一逆变/整流单元中的功率管Q11和Q14也是同时开通和关断，与之对应的第二整流/逆变单元Q21，Q24同时导通，第二整流/逆变单元功率管Q21、Q24的导通的时间＝<Tr/2(Tr为谐振周期，Tr＝2πF_r)，即占空比小于50％。

方式2：第一逆变/整流单元中的功率管Q11、Q14同时导通/关断，占空比D根据调制定。第二整流/逆变单元Q21和Q24一直处于关断，通过附带的二极管进行整流。Q12、Q13与Q11、Q14互补发波，占空比D根据调制定。

当该装置进行反向DC/DC转换时，具体的调制方式包括以下两种：

方式1：Fs>Fr时，第二整流/逆变单元Q21和Q24也是同时开通和关断，与之对应的第一逆变/整流功率管Q11、Q14同时导通、关断，占空比根据需求进行调制，小于等于50％。当工作频率Fs<Fr时，第二整流/逆变单元Q21和Q24也是同时开通和关断，与之对应的第一逆变/整流功率管Q11，Q14同时导通，第一逆变/整流功率管Q11、Q14的导通的时间＝<Tr/2(Tr为谐振周期，Tr＝2πF_r)，即占空比小于50％。

方式2：第二整流/逆变单元功率管Q21、Q24同时导通、关断，占空比D根据调制定。第一逆变/整流单元Q11和Q14一直处于关断，通过附带的二极管进行整流。Q22、Q23与Q21、Q24互补发波，占空比D根据调制定。具体地，如图2D所示，在DC/DC电力转换装置进行正向直直变换时，DC1直流输入电源，DC2为直流输出电压。当然，在DC/DC电力转换装置进行反向直直变换时，DC2变为直流输入电源，DC1侧变为直流输出电压。

第一逆变/整流单元1为由Q11、Q12组成的不对称半桥电路，谐振单元具体包括L1、C1和Lm，L1、C1、Lm依次串联，Lm与变压器T1的原边并联。

变压器副边具有中间抽头、第一端和第二端。

第二整流/逆变单元3具体可以为由Q21、Q22组成的半桥电路。变压器的副边的第一端与Q21的第一端连接，变压器的副边的第二端与Q22的第一端连接，Q21的第二端与Q22的第二端连接，变压器的副边的中间抽头与DC2的正极连接，Q22的第二端与DC2的负极连接。

如图2F所示，针对图2C中的该装置的电路结构，在进行反向变换时，VGS21是针对Q21的控制波形，VGS22是针对Q22的控制波形，IMOS21是通过Q21的电流，IMOS22是通过Q22的电流，IOUT第一逆变/整流单元的直流输出电流，从波形中可以分析出变换器实现了ZVS的开通，从而提高变换器的效率。

图2D中，系统进行PFM或PWM控制时，正向时，第一逆变/整流单元中的功率管Q11和Q12对称互补发波。反向时，第二整流/逆变单元单元中的功率管Q21，Q22对称互补发波。功率开关管的具体控制方式与图2C中的类似，在此不再赘述。

如图2E所示，在DC/DC电力转换装置进行正向直直变换时，Vin为直流输入电源，Vout为直流输出电压。当然，在DC/DC电力转换装置进行反向直直变换时，Vout侧变为直流输入电源，Vin侧变为直流输出电压(图中未示出)。

第一逆变/整流单元1具体可以为由Q11、Q12、C11、C12组成的半桥电路；

第二整流/逆变单元3具体可以为由Q21、Q22、C21、C22组成的半桥电路。

谐振单元包括L1、C1和Lm，L1、C1、Lm依次串联，Lm与变压器T1的原边并联。L1的一端与C11和C12之间的连接点连接，Lm的一端与Q11和Q12之间的连接点连接。

变压器的副边的一端与Q21和Q22之间的连接点连接，变压器的副边的另一端与C21和C22之间的连接点连接。

其工作原理与图2D类似，在此不再赘述。

对于图2A-图2E中的装置，在DC/DC电力转换装置进行正向DC/DC变换时，Lr、Cr、T1的激磁电感Lm原边构成LLC电路谐振腔，第一逆变/整流单元1、第二整流/逆变单元3中的功率器件可以是MOSFET，IGBT，二极管等可控、半控或者不可控开关元件中的一种或多种。

控制器控制图2A-图2E中的第一逆变/整流单元1工作在逆变状态。例如，第一逆变/整流单元1按照LLC的PFM变频模式发波，经过谐振单元后，将电力传输至第二整流/逆变单元3，第二整流/逆变单元3对电力进行整流然后进行直流供电。

在DC/DC电力转换装置进行反向DC/DC变换时，

控制器控制图2A-图2E中的第二整流/逆变单元3工作在逆变状态，电力经过谐振单元后，传输至第一逆变/整流单元1，第一逆变/整流单元1对电力进行整流然后进行直流供电。

图2A-图2E中的第一逆变/整流单元1和第二整流/逆变单元3均具有ZVS导通和ZCS关断的功能，同时配以同步整流的技术，使整个DC/DC电力转换装置达到很高效率。

如图3A所示，变压器具体例如是变压器T1，若第一逆变/整流单元为半桥电路，所述半桥电路包括依次串联的第一开关管Q11和第二开关管Q12，该DC/DC电力转换装置中的LLC谐振单元2可以包括：

第一电感Lr、第二电感Lm、第一电容Cr1和第二电容Cr2，所述第二电感Lm与所述变压器的原边并联连接；

所述第一开关管Q11的第一端与所述第一电容Cr1的第一端相连接；

所述第一开关管Q11的第二端与所述第二开关管Q12的第一端相连接，所述第一开关管Q11的第二端与所述第一电感Lr的第一端相连接；

所述第一电感Lr的第二端与所述第二电感Lm的第一端相连接；

所述第二开关管Q12的第二端与所述第二电容C r2的第二端相连接；

所述第一电容Cr1的第二端与所述第二电容Cr1第一端的连接，所述第一电容Cr1的第二端与所述第二电感Lm的第二端相连接。

例如，控制器控制电力正向或反向流动，谐振腔是Cr1、Cr2、Lm和Lr，其中Lr和Lm可以是独立的，也可以部分或全部集成在主变压器中。谐振腔左右侧可以是不同形式的能够既能实现整流、又能实现逆变的双向变换电路。左右各有直流源(可以是电池、利用变换电路实现的直流源等)。

对于图3A中所示的谐振单元，第一逆变/整流单元1和第二整流/逆变单元3的具体实现方式如图3B、图3C所示。

如图3B所示，在DC/DC电力转换装置进行正向直直变换时，DC1直流输入电源，DC2为直流输出电压。当然，在DC/DC电力转换装置进行反向直直变换时，DC2变为直流输入电源，DC1侧变为直流输出电压。

谐振单元包括Lr、Lm以及Cr1和Cr2。

第一逆变/整流单元1为由Q11、Q12组成的半桥电路。该图中示出了谐振单元与变压器的原边以及该半桥电路的连接关系。

第二整流/逆变单元3具体可以为由Q21、Q22，Q23、Q24组成的全桥电路，C21为与该全桥电路的直流输出/输入端并联的稳压电容。变压器的副边与由Q21、Q22，Q23、Q24组成的全桥电路连接。

如图3C所示，在DC/DC电力转换装置进行正向直直变换时，DC1直流输入电源，DC2为直流输出电压。当然，在DC/DC电力转换装置进行反向直直变换时，DC2变为直流输入电源，DC1侧变为直流输出电压。

谐振单元包括Lr、Lm以及Cr1和Cr2。

第一逆变/整流单元1为由Q11、Q12组成的不对称半桥电路。该图中示出了谐振单元与变压器的原边以及该半桥电路的连接关系。

变压器副边具有中间抽头、第一端和第二端。

第二整流/逆变单元3具体可以为由Q21、Q22组成的半桥电路。变压器的副边的第一端与Q21的第一端连接，变压器的副边的第二端与Q22的第一端连接，Q21的第二端与Q22的第二端连接，变压器的副边的中间抽头与DC2的正极连接，Q22的第二端与DC2的负极连接。

对于图3A-图3C中的装置，对于第一逆变/整流单元1和第二整流/逆变单元3的控制方式与图2A-2E中的第一逆变/整流单元1和第二整流/逆变单元3的控制方式类似，在此不再赘述。

例如，控制器控制电力正向或反向流动，谐振腔是Cr1、Cr2、Lm和Lr，其中Lr和Lm可以是独立的，也可以部分或全部集成在主变压器中。谐振腔左右侧可以是不同形式的能够既能实现整流、又能实现逆变的双向变换电路。左右各有直流源(可以是电池、利用变换电路实现的直流源等)。

例如，对于图3B，其中的第二整流/逆变单元3工作原理与图2C中第二整流/逆变单元3的工作原理相同，在此不再赘述。在该电路中，谐振频率Fr为第一逆变/整流单元中的功率管Q11和Q12对称互补发波。

例如，当该装置进行正向DC/DC变换时，即电能从第一逆变/整流单元流向第二整流/逆变单元，若该装置工作在PFM模式，可以通过以下两种方式实现：

方式1：装置的工作频率为Fs，工作频率例如开关管的调制频率，谐振频率Fr。当Fs>Fr时，控制第一逆变/整流单元中功率管Q11导通/关断，与之对应的第二整流/逆变单元Q21、Q24也是同时开通/关断，Q11以及Q21、Q24占空比50％。当工作频率Fs<Fr时，第一逆变/整流单元中功率管Q11导通，与之对应的第二整流/逆变单元中Q21、Q24也是与之对应同时开通，功率管Q11的占空比50％，Q21、Q24导通的时间小于Tr/2(Tr为谐振周期，Tr＝2πF_r)，即占空比小于50％。在第一逆变/整流单元中功率管Q11关断后，第一逆变/整流单元中功率管Q12的控制方式与Q11相同，同样，第二整流/逆变单元中Q22、Q23的控制方式与Q21、Q24相同，在此不再赘述。

方式2：控制第一逆变/整流单元中功率管Q11导通/关断，控制方式与该示例中的方式1中相同。第二整流/逆变单元中Q21、Q24一直处于关断，通过附带的二极管进行整流。Q12与Q11对称互补发波。

例如，当该装置进行反向DC/DC变换时，即电能从第一逆变/整流单元流向第二整流/逆变单元，若该装置工作在PFM模式，可以通过以下两种方式实现：

方式1：装置的工作频率为Fs，工作频率例如开关管的调制频率，谐振频率。当Fs>Fr时，第二整流/逆变单元Q21、Q24也是同时开通/关断，与之对应的第一逆变/整流单元中功率管Q11同时导通/关断，Q11以及Q21、Q24占空比50％。当工作频率Fs<Fr时，第二整流/逆变单元中Q21、Q24同时开通，与之对应的第一逆变/整流单元中功率管Q11同时导通，功率管Q21、Q24的占空比50％，Q11导通的时间小于Tr/2(Tr为谐振周期，Tr＝2πF_r)，即占空比小于50％。在第一逆变/整流单元中功率管Q11同时关断后，第一逆变/整流单元中功率管Q12的控制方式与Q11相同，同样，第二整流/逆变单元中Q22、Q23的控制方式与Q21、Q24相同，在此不再赘述。

方式2：第二整流/逆变单元中Q21、Q24同时导通/关断，第一逆变/整流单元中功率管Q11一直处于关断，通过附带的二极管进行整流。Q22、Q23与Q21、Q24对称互补发波。

当该装置工作在定频PWM模式，即：优选的工作在Fs工作在谐振频率附近，当该装置进行正向DC/DC转换时，具体的调制方式包括以下两种：

方式1：Fs>Fr时，第一逆变/整流单元中的功率管Q11开通和关断，与之对应的第二整流/逆变单元Q21、Q24同时导通、关断，占空比根据需求进行调制，小于等于50％。当工作频率Fs<Fr时，第一逆变/整流单元中的功率管Q11开通和关断，与之对应的第二整流/逆变单元Q21，Q24同时导通，第二整流/逆变单元功率管Q21、Q24的导通的时间＝<Tr/2(Tr为谐振周期，Tr＝2πF_r)，即占空比小于50％。

方式2：第一逆变/整流单元中的功率管Q11导通/关断，占空比D根据调制定。第二整流/逆变单元Q21和Q24一直处于关断，通过附带的二极管进行整流。Q12与Q11互补发波，占空比D根据调制定。

当该装置进行反向DC/DC转换时，具体的调制方式包括以下两种：

方式1：Fs>Fr时，第二整流/逆变单元Q21和Q24也是同时开通和关断，与之对应的第一逆变/整流功率管Q11同时导通、关断，占空比根据需求进行调制，小于等于50％。当工作频率Fs<Fr时，第二整流/逆变单元Q21和Q24也是同时开通和关断，与之对应的第一逆变/整流功率管Q11导通，第一逆变/整流功率管Q11的导通的时间＝<Tr/2(Tr为谐振周期，Tr＝2πF_r)，即占空比小于50％。

方式2：第二整流/逆变单元功率管Q21、Q24同时导通、关断，占空比D根据调制定。第一逆变/整流单元Q11一直处于关断，通过附带的二极管进行整流。Q22、Q23与Q21、Q24互补发波，占空比D根据调制定。

对于图3C中的第二整流/逆变单元Q21和Q22的工作方式为互补导通/关断模式，在此不再赘述。另外，前述实施例中的变压器可以由多种形式，具体地，可参见图4和图5，为变压器分别与第一逆变/整流单元1和第二整流/逆变单元3之间的连接关系。

如图4所示，变压器可以为多个原边相互串联、多个副边相互并联的变压器T1，T2，……，Tn；

所述第二电感为多个串联的电感，所述多个串联的电感中的每个电感与所述多个原边一一对应并联连接。

如图5所示，变压器为多个原边相互串联、多个副边相互并联以及多个副边的抽头相互并联的变压器T1，T2，……，Tn；

所述第二电感为多个串联的电感，所述多个串联的电感中的每个电感与所述多个原边一一对应并联连接。

当然，也可以是变压器的原边并联，副边串联，在此不再赘述。

上述本实用新型实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

采用本实用新型实施例提供的技术方案，控制该DC/DC电力转换装置对电力进行正向或反向变换，从而提高了直流电力转换的升降压比，提高了电力转换效率。尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种双向DC/DC电力转换装置，其特征在于，所述双向DC/DC电力转换装置包括第一逆变/整流单元、LLC谐振单元、第二整流/逆变单元和控制器，其中：

所述第一逆变/整流单元、LLC谐振单元和第二整流/逆变单元依次连接；

所述控制器分别与所述第一逆变/整流单元的控制端和所述第二整流/逆变单元的控制端相连接；

所述控制器用于分别控制所述第一逆变/整流单元和所述第二整流/逆变单元按照以下模式工作：

在所述双向DC/DC电力转换装置进行正向DC/DC变换时，控制所述第一逆变/整流单元实现ZVS导通并对直流电源的输出电压进行逆变转换，所述LLC谐振单元对所述第一逆变/整流单元输出的交流电进行谐振变换，控制所述第二整流/逆变单元对所述LLC谐振单元输出的交流电进行整流转换；

在所述双向DC/DC电力转换装置进行反向DC/DC变换时，控制所述第二整流/逆变单元实现ZVS导通并对直流电源的输出电压进行逆变转换，所述LLC谐振单元对所述第二整流/逆变单元输出的交流电进行谐振转换，控制所述第一逆变/整流单元对所述LLC谐振单元输出的交流电进行整流转换。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述控制器通过PFM分别控制所述第一逆变/整流单元和所述第二整流/逆变单元。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：

在所述双向DC/DC电力转换装置进行正向DC/DC变换时，当所述双向DC/DC电力转换装置的工作频率大于谐振频率时，控制所述第一逆变/整流单元和所述第二整流/逆变单元中的功率开关管的占空比均为50％，当所述双向DC/DC电力转换装置的工作频率不大于谐振频率时，控制所述第一逆变/整流单元中的功率开关管的占空比为50％，控制所述第二整流/逆变单元中的功率开关管的占空比小于50％；

在所述双向DC/DC电力转换装置进行反向DC/DC变换时，当所述双向DC/DC电力转换装置的工作频率大于谐振频率时，控制所述第一逆变/整流单元和所述第二整流/逆变单元中的功率开关管的占空比均为50％，当所述双向DC/DC电力转换装置的工作频率不大于谐振频率时，控制所述第二整流/逆变单元中的功率开关管的占空比等于50％，控制所述第一逆变/整流单元中的功率开关管的占空比小于50％。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述控制器通过PWM分别控制所述第一逆变/整流单元和所述第二整流/逆变单元。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于：

在所述双向DC/DC电力转换装置进行正向DC/DC变换时，若所述双向DC/DC电力转换装置的工作频率大于谐振频率时，控制所述第一逆变/整流单元和所述第二整流/逆变单元中的功率开关管的占空比均小于50％，若所述双向DC/DC电力转换装置的工作频率不大于谐振频率时，控制所述第一逆变/整流单元中的功率开关管的占空比小于等于50％，控制所述第二整流/逆变单元中的功率开关管的占空比小于50％；

在所述双向DC/DC电力转换装置进行反向DC/DC变换时，当所述双向DC/DC电力转换装置的工作频率大于谐振频率时，控制所述第一逆变/整流单元和所述第二整流/逆变单元中的功率开关管的占空比均小于50％，当所述双向DC/DC电力转换装置的工作频率不大于谐振频率时，控制所述第二整流/逆变单元中的功率开关管的占空比小于等于50％，控制所述第一逆变/整流单元中的功率开关管的占空比小于50％。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述控制器还用于分别控制所述第一逆变/整流单元和所述第二整流/逆变单元实现ZCS关断。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述第一逆变/整流单元为半桥电路或全桥电路；

所述第二整流/逆变单元为半桥电路或全桥电路。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述LLC谐振单元包括：

第一电感、第一电容、第二电感和变压器，所述第一电感的第一端与所述第一逆变/整流单元的第一交流输出/输入端相连接，所述第一电感的第二端、所述第一电容、所述第二电感的第一端依次串联连接，所述第二电感与所述第一逆变/整流单元的第二交流输出/输入端相连接，所述第二电感与所述变压器的原边并联连接，所述变压器的副边与所述第二整流/逆变单元连接。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于：

所述第一逆变/整流单元为半桥电路，所述半桥电路包括依次串联的第一开关管和第二开关管；

所述LLC谐振单元包括第一电感、第二电感、第一电容、第二电容和变压器，所述第二电感与所述变压器的原边并联连接，所述变压器的副边与所述第二整流/逆变单元连接；

所述第一开关管的第一端与所述第一电容的第一端相连接；

所述第一开关管的第二端与所述第二开关管的第一端相连接，所述第一开关管的第二端与所述第一电感的第一端相连接；

所述第二开关管的第二端与所述第二电容的第二端相连接；

所述第一电容的第二端与所述第二电容第一端的连接，所述第一电容的第二端与所述第二电感的第二端相连接；

所述第二电感的第一端与所述第一电感的第二端相连接。

10.如权利要求8或9所述的装置，其特征在于：

所述变压器为多个原边相互串联、多个副边相互并联的变压器；

所述第二电感为多个串联的电感，所述多个串联的电感中的每个电感与所述多个原边一一对应并联连接。

11.如权利要求8或9所述的装置，其特征在于：

所述变压器为多个原边相互串联、多个副边相互并联以及多个副边的抽头相互并联的变压器；

所述第二电感为多个串联的电感，所述多个串联的电感中的每个电感与所述多个原边一一对应并联连接。