CN207782667U - Dc/dc电源转换器 - Google Patents

Abstract

一种DC/DC电源转换器，DC/DC电源转换器包括变压器、位于变压器初级侧的四个开关管、位于变压器次级侧的另外两个开关管及微控制器，每一开关管即为一个金氧半场效晶体管，四个开关管构成移相全桥，所述另外两个开关管的漏极分别电性连接所述变压器次级线圈的两端且其源极电性连接，所述微控制器包括六个PWM信号输出端，四个开关管和所述另外两个开关管的栅极分别电性连接所述微控制器的所述六个PWM信号输出端。与现有技术相比，本实用新型DC/DC电源转换器的开关管均受控于微控制器，可以实现双向的DC/DC电源转换，节约成本且便于应用。

Description

DC/DC电源转换器

【技术领域】

本发明涉及直流电源转换领域，尤其涉及一种双向转换的电源转换器。

【背景技术】

现有的应用于电动车辆的高压DC/DC电源转换器，如电池包高压转换低压给24V铅酸电池充电，或者为车载低压设备供电。直流-直流转换器 (DC-to-DC converter)也成为DC/DC转换器，是电能转换的装置，可以将直流电源转换为不同电压的直流电源。DC/DC转换器可以分为硬开关(Hard Switching)和软开关(Soft Switching)两种。硬开关DC/DC转换器的开关器件事在承受电压或流过电流的情况下，开通或者关断电路，因此在开关或者关断过程中将会产生较大的开关损耗(Switching loss)。软开关DC/DC转换器的开关管包括零电压开关(Zero-Voltage-Switching,ZVS)和零电流开关 (Zero-Current-Switching,ZCS)，所述零电压开关在开通或者关断过程中，加于其上的电压为零。所述零电流开关在开通或者关断过程中，加于其上的电流为零。零电压开关和零电流开关可以显著地减小开关损耗，使开关频率可以大幅度提高，为转换器的小型化和模块化创造了条件。在未来的发展中，半导体技术的进步为DC/DC技术变化提供了强大动力。金氧半场效晶体管 (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)的技术发展也为DC/DC模块技术带来了巨大变化。肖特基二极管(schottky)、控制及驱动 IC、微控制器及数字信号处理技术(Digital Signal Processing,DSP)是DC/DC 技术发展的必经之路，而磁芯技术的突破则是下一代DC/DC技术进步的关键，也是巨大难题。

现有技术中的大部分DC/DC转换器设计时是单向转换的，功率只能从输入侧流到输出侧，而不具备反向转换的功能。目前市场上没有双向的 DC/DC产品。原有车载应用需要此项功能时，往往在传统DC/DC产品的基础上，通过增加辅助设备，或者直接使用两套DC/DC来解决现场问题。这无疑增加了使用者的安装成本，同时也是对资源的浪费。

是以，需要一种改进的DC/DC电源转换器来克服现有技术的不足。

【发明内容】

本发明的主要目的在于提供一种可以实现双向DC/DC电源转换的 DC/DC电源转换器。

为解决上述技术问题，本发明可以采用如下技术方案：一种DC/DC电源转换器，所述DC/DC电源转换器包括变压器、位于所述变压器初级侧的四个开关管、位于所述变压器次级侧的另外两个开关管及微控制器，所述每一开关管即为一个金氧半场效晶体管，所述四个开关管分别为第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管，所述第一开关管和所述第二开关管的漏极电性连接，所述第一开关管和所述第二开关管的源极分别电性连接所述第三开关管和第四开关管的漏极，所述第三开关管和所述第四开关管的源极电性连接，所述第一开关管的源极电性连接所述变压器初级线圈的一端，所述第二开关管的源极电性连接所述变压器初级线圈的另一端，所述另外两个开关管分别为第五开关管和第六开关管，所述第五开关管和所述第六开关管的漏极分别电性连接所述变压器次级线圈的两端，所述第五开关管和所述第六开关管的源极电性连接，所述变压器的调节端和所述第五开关管的源极之间构成所述DC/DC电源转换器的电压输出端，所述微控制器包括六个 PWM信号输出端，所述四个开关管和所述另外两个开关管的栅极分别电性连接所述微控制器的所述六个PWM信号输出端。

进一步，所述变压器的初级侧还包括第一电感和第一接口，所述第一开关管的源极依次通过所述第一电感和第一接口电性连接所述变压器的一端。

进一步，所述变压器的初级侧还包括第一电容，所述第一电容与所述第一接口并联。

进一步，所述变压器的初级端还包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的负极电性连接所述第一开关管的漏极，所述第一二极管的正极电性连接所述第一电感与所述第一接口连接的一端，所述第二二极管的正极电性连接所述第三开关管和所述第四开关管的源极，所述第二二极管的负极电性连接所述第一电感与所述第一接口连接的一端。

进一步，所述变压器的次级侧还包括输出滤波器。

进一步，所述输出滤波器包括第二电感和第二电容，所述第二电感的一端电性连接所述变压器的调节端，所述第二电感的另一端通过所述第二电容接地，所述第二电感的所述另一端作为所述DC/DC电源转换器的输出端。

进一步，所述变压器的次级侧还包括一第一电阻，所述第五开关管的源极通过所述第一电阻接地，所述第一电阻与所述第五开关管电性连接的一端作为负载电路的输出端。

进一步，所述微控制器包括带有数模转换器和斜率补偿硬件的模拟比较器。

进一步，所述变压器的次级侧还包括一隔离栅极驱动器,所述隔离栅驱动器电性连接于所述微控制器与第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管的栅极之间以实现隔离驱动。

进一步，所述变压器的次级侧还包括同步整流驱动器，所述同步整流驱动器电性连接于所述微控制器与第五开关管和第六开关管之间。

与现有技术相比，本发明DC/DC电源转换器的开关管均受控于微控制器，可以实现双向的DC/DC电源转换，节约成本且便于应用。

【附图说明】

图1是现有的DC/DC电源转换移相全桥技术。

图2为本发明DC/DC电源转换器的移相全桥简化方框图。

【具体实施方式】

如下将详述本发明的优选的实施方式。

本发明DC/DC电源转换器的DC/DC功率从输入侧流到输出侧。请参考图1，所示图1为现有技术中简化的移相全桥电路。所述移相全桥电路包括四个金氧半场效晶体管(以下简称MOSFET)，分别为MOSFET QA,MOSFET QB，MOSFET QC和MOSFET QD。所述MOSFET QA和所述MOSFET QC 的漏极电性连接，所述MOSFET QA的源极电性连接所述MOSFET QB的漏极，所述MOSFET QC的源极电性连接所述MOSFET QD的漏极。所述 MOSFET QB和所述MOSFET QD的源极电性连接。所述MOSFET QA的漏极和所述MOSFET QB的源极之间作为移相全桥电路的电压输入端Vin。所述移相全桥电路还包括电感器LR和变压器T1。所述MOSFET QA、MOSFET QB、MOSFET QC和MOSFET QD共同构成所述变压器T1的初级侧上的全桥。所述电感器LR的一端电性连接所述MOSFET QA的源极或所述MOSFET QB的漏极，所述电感器LR的另一端电性连接所述变压器T1初级线圈的一端，所述变压器T1的初级线圈的另一端电性连接所述MOSFET QC的源极或所述MOSFET QD的漏极。所述移相全桥电路还包括位于所述变压器T1 的次级侧的二极管D1、二极管D2和由电感L0和电容C0构成的滤波器(未标示)。所述二极管D1的正极电性连接所述变压器T1的次级线圈的一端，所述二极管D2的正极电性连接所述变压器T1的次级线圈的另一端，所述二极管D1的负极电性连接所述电感L0的一端，所述电感L0的另一端电性连接所述电容C0的一端，所述电容C0的另一端接地，所述变压器T1的调节端接地。所述电容C0的两端作为所述移相全桥电路的电压输出端Vout。

本发明DC/DC电源转换器的在实现DC/DC双向转换时，所述DC/DC 功率从输出侧流到输入侧时，将上述现有技术的移相全桥电路的二极管D1，二极管D2更换为MOSFET开关，然后通过软件开关MOSFET使能量从输出侧反馈到输入侧，从而实现双向转换的功能。

所述MOSFET QA和MOSFET QB在50％占空比时切换，此时，所述 MOSFET QA和MOSFET QB之间的相移为180°。同理地，所述MOSFET QC和所述MOSFET QD在50％占空比时切换，此时他们之间的相移为 180°。)针对全桥桥臂QC-QD的PWM开关信号相对于针对桥臂QA-QB的开关信号进行移相，这个移相的数量决定了对角开关间的重叠量，这也决定了传输的能量数量。所述二极管D1，D2提供次级侧上的二极管双整流，此时，所述电感L0和电容C0形成了输出滤波器。电感器LR帮助提供与 MOSFET电容进行谐振操作的变压器T1泄露电感，并且使零电压开关 (Zero-Voltage-Switching,ZVS)变得更加容易。

本实用新型在现有的DC/DC电源转换器基础上对硬件稍加更改，并通过软件控制的方式实现双向转换功能，节省了成本，给应用带来更加广阔的空间。

图2所示为本实用新型DC/DC电源转换器的简化框图。本实用新型 DC/DC电源转换器包括变压器T1和变压器T2。所述变压器T1为所述DC/DC 电源转换器提供电压输入，所述变压器T2为所述DC/DC电源转换器提供给电压输出。所述DC/DC电源转换器还包括MOSFETQ1，MOSFET Q2， MOSFET Q3和MOSFET Q4，以组成变压器T2初级侧上的全桥。所述 MOSFETQ1，MOSFET Q2，MOSFET Q3和MOSFET Q4的连接方式与现有技术中的DC/DC电源转换器的全桥连接方式一致。所述变压器T2初级侧还包括电感L3、二极管D5、二极管D11、电容C20及接口J0。所述电感L3 的一端电性连接所述MOSFET Q1的源极，所述电感L3的另一端通过所述接口J0电性连接所述变压器T2的初级线圈的一端，所述变压器T2的初级线圈的另一端电性连接所述MOSFET Q2的源极。所述电容C20并联于所述接口J0的两端。所述二极管D5的负极电性连接所述MOSFET Q2或所述 MOSFET Q1的漏极，所述二极管D5的正极电性连接所述电感L3与所述接口J0连接的一端。所述二极管D11的负极电性连接所述电感L3与所述接口 J0连接的一端，所述二极管D11的正极电性连接所述MOSFET Q3或所述 MOSFET Q3的源极。所述变压器T2的次级侧包括MOSFET Q5和MOSFET Q6，二者被用于变压器T2次级侧上的同步整流。所述所述MOSFET Q5的漏极和所述MOSFET Q6的漏极分别电性连接所述变压器T2次级线圈的两端，所述MOSFET Q5的源极和所述MOSFET Q6的源极通过一电阻R27电性接地。所述变压器T2的次级侧还包括电感L1和电容C1，所述电感L1和所述电容C1形成输出滤波器，所述电感L1的一端电性连接变压器T2的调节端，所述电感L1的另一端通过电容C1电性接地，所述电容C1与所述电感L1电性连接的一端作为本实用新型DC/DC电源转换器的电压输出端。所述MOSFET Q5的源极和所述MOSFET Q6的源极可电性连接负载电路 (LOAD CURRENT)。

在本实用新型中，所述MOSFET Q1～MOSFET Q6均受控一微控制器 C2000(TMS320F2802x，MUC)，所述微控制器C2000具有多个输出并且完成处理多种信号、控制变压器T2次级侧上的环路及与应用中的其他系统(变压器T2次级侧上的)进行通讯。所述微控制器C2000位置设定为位于变压器T2的次级侧以满足如上控制需求。所述微控制器C2000具有PWM输出端，所述PWM输出端包括六个输出端，所述其中四个输出端分别电性连接MOSFET Q1～MOSFET Q4的栅极，其中另外两个输出端分别电性连接 MOSFET Q5～MOSFET Q6的栅极，以实现对MOSFET Q1～MOSFET Q6之间的相移控制。所述PWM输出的信号间的相移确定了输出给负载电路的能量数量，这个相移为受控参数。运行时，所述微控制器C200控制生成复杂PWM驱动波形，以及快速且高效地控制环路计算，借助诸如PWM模块，带有数模转换器(DAC)和斜率补偿硬件的模拟比较器，以及带有一个高效的 32位CPU的12位高速模数转换器ADC等高级片载控制外设，可在微控制器C2000上执行这一操作。本实用新型还包括一隔离栅极驱动器(ISOLATED GATE DRIVE),所述隔离栅驱动器电性连接于所述微控制器C2000与MOSFET Q1～MOSFET Q4的栅极之间以实现隔离驱动。本实用新型还包括一同步整流(SR)驱动器IC(SYNCHRONOUS RECTIFIER DRIVE)，所述同步整流(SR)驱动器IC电性连接于所述微控制器C2000与MOSFET Q5 和MOSFET Q6之间，用以控制MOSFET Q5和MOSFET Q6的控制时序。

不过所有的开关电压转换器的拓扑都可以改为双向转换，可以让功率从输出侧流回输入侧，方式是将所所有的二极管都改为独立控制的主动整流结构，同时配合软件控制所述整流结构实现双向整流进而使双向转换成为可能。

Claims (10)

1.一种DC/DC电源转换器，其特征在于，所述DC/DC电源转换器包括变压器、位于所述变压器初级侧的四个开关管、位于所述变压器次级侧的另外两个开关管及微控制器，所述每一开关管即为一个金氧半场效晶体管，所述四个开关管分别为第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管，所述第一开关管和所述第二开关管的漏极电性连接，所述第一开关管和所述第二开关管的源极分别电性连接所述第三开关管和第四开关管的漏极，所述第三开关管和所述第四开关管的源极电性连接，所述第一开关管的源极电性连接所述变压器初级线圈的一端，所述第二开关管的源极电性连接所述变压器初级线圈的另一端，所述另外两个开关管分别为第五开关管和第六开关管，所述第五开关管和所述第六开关管的漏极分别电性连接所述变压器次级线圈的两端，所述第五开关管和所述第六开关管的源极电性连接，所述变压器的调节端和所述第五开关管的源极之间构成所述DC/DC电源转换器的电压输出端，所述微控制器包括六个PWM信号输出端，所述四个开关管和所述另外两个开关管的栅极分别电性连接所述微控制器的所述六个PWM信号输出端。

2.如权利要求1所述的DC/DC电源转换器，其特征在于：所述变压器的初级侧还包括第一电感和第一接口，所述第一开关管的源极依次通过所述第一电感和第一接口电性连接所述变压器的一端。

3.如权利要求2所述的DC/DC电源转换器，其特征在于：所述变压器的初级侧还包括第一电容，所述第一电容与所述第一接口并联。

4.如权利要求3所述的DC/DC电源转换器，其特征在于：所述变压器的初级端还包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的负极电性连接所述第一开关管的漏极，所述第一二极管的正极电性连接所述第一电感与所述第一接口连接的一端，所述第二二极管的正极电性连接所述第三开关管和所述第四开关管的源极，所述第二二极管的负极电性连接所述第一电感与所述第一接口连接的一端。

5.如权利要求1所述的DC/DC电源转换器，其特征在于：所述变压器的次级侧还包括输出滤波器。

6.如权利要求5所述的DC/DC电源转换器，其特征在于：所述输出滤波器包括第二电感和第二电容，所述第二电感的一端电性连接所述变压器的调节端，所述第二电感的另一端通过所述第二电容接地，所述第二电感的所述另一端作为所述DC/DC电源转换器的输出端。

7.如权利要求6所述的DC/DC电源转换器，其特征在于：所述变压器的次级侧还包括一第一电阻，所述第五开关管的源极通过所述第一电阻接地，所述第一电阻与所述第五开关管电性连接的一端作为负载电路的输出端。

8.如权利要求1所述的DC/DC电源转换器，其特征在于：所述微控制器包括带有数模转换器和斜率补偿硬件的模拟比较器。

9.如权利要求1所述的DC/DC电源转换器，其特征在于：所述变压器的次级侧还包括一隔离栅极驱动器,所述隔离栅驱动器电性连接于所述微控制器与第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管的栅极之间以实现隔离驱动。

10.如权利要求1所述的DC/DC电源转换器，其特征在于：所述变压器的次级侧还包括同步整流驱动器，所述同步整流驱动器电性连接于所述微控制器与第五开关管和第六开关管之间。