CN210867509U

CN210867509U - 双向dc/dc变换器和系统

Info

Publication number: CN210867509U
Application number: CN201921885109.2U
Authority: CN
Inventors: 邢瑞强; 张朋; 李计福
Original assignee: Hebei Electric Cube New Energy Technology Co ltd
Current assignee: Hebei Electric Cube New Energy Technology Co ltd
Priority date: 2019-11-04
Filing date: 2019-11-04
Publication date: 2020-06-26
Anticipated expiration: 2029-11-04

Abstract

本申请涉及一种双向DC/DC变换器和系统，包括：飞跨电容模组、第一开关管，第二开关管、第三开关管、第四开关管、电感组、第一电压端、第二电压端、共地端；第一开关管的漏极连接第一电压端；第一开关管极的源极连接飞跨电容模组的第一端；第二开关管的漏极连接飞跨电容模组的第一端；第二开关管极的源极连接电感组的第一端；第三开关管的漏极连接电感组的第一端；第三开关管极的源极连接飞跨电容模组的第二端；第四开关管的漏极连接飞跨电容模组的第二端；第四开关管极的源极连接共地端；电感组的第二端连接第二电压端。

Description

双向DC/DC变换器和系统

技术领域

本申请涉及电力能源相关技术领域，具体涉及一种双向DC/DC变换器和系统。

背景技术

随着科技和社会的迅速发展，人们对电源系统提出了更高的要求，以适应其在不同工业、科研环境下需求。在要求能充放电的系统，比如电动汽车、不允许断电的系统、光伏发电、航空电力等场合中，要求能量可以双向自由流通，而为此做两个电能变换器显然过于笨重，而且增加了成本。双向DC/DC变换器就在这样的背景下应运而生了，通过适当的控制，它可以让能量两个方向自由地流动，对比于制作两个电能变换器的方案，兼顾了变换器的体积、重量，还有成本，提高了效率。

但是，目前的两电平双向DC/DC变换器开关管的电压应力大，电路的输入电压范围小，电磁干扰大的问题。

实用新型内容

本申请提供一种双向DC/DC变换器和系统，以解决目前的两电平双向DC/DC变换器开关管的电压应力大，电路的输入电压范围小，电磁干扰大的问题。

基于本申请的第一方面，本申请提供一种双向DC/DC变换器，包括：飞跨电容模组、第一开关管，第二开关管、第三开关管、第四开关管、电感组、第一电压端，第二电压端，共地端；

所述第一开关管的漏极连接所述第一电压端；所述第一开关管极的源极连接所述飞跨电容模组的第一端；

所述第二开关管的漏极连接所述飞跨电容模组的第一端；所述第二开关管极的源极连接所述电感组的第一端；

所述第三开关管的漏极连接所述电感组的第一端；所述第三开关管极的源极连接所述飞跨电容模组的第二端；

所述第四开关管的漏极连接所述飞跨电容模组的第二端；所述第四开关管极的源极连接所述共地端；

所述电感组的第二端连接所述第二电压端。

可选的，还包括：第一滤波电容组和第二滤波电容组；

所述第一滤波电容组的第一端连接所述第一电压端；所述第一滤波电容组的第二端连接所述共地端；

所述第二滤波电容组的第一端连接所述第二电压端；所述第二滤波电容组的第二端连接所述共地端。

可选的，所述第一开关管包括：第一场效应管和与所述第一场效应管反向并联的第一寄生二极管；

所述第二开关管包括：第二场效应管和与所述第二场效应管反向并联的第二寄生二极管；

所述第三开关管包括：第三场效应管和与所述第三场效应管反向并联的第三寄生二极管；

所述第四开关管包括：第四场效应管和与所述第四场效应管反向并联的第四寄生二极管。

可选的，所述飞跨电容模组为一个电容，或者，所述飞跨电容模组为至少两个电容并联组成。

可选的，所述电感组为一个电感，或者，所述电感组为至少两个电感串联组成。

可选的，还包括：控制电路；

所述控制电路连接所述第一开关管的栅极，所述第二开关管的栅极、所述第三开关管的栅极和所述第四开关管的栅极，用于控制所述第一开关管，所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管的状态。

可选的，所述第一开关管与所述第二开关管交错工作，相角差为180°；所述第三开关管与所述第四开关管交错工作，相角差为180°；所述第一开关管和所述第四开关管互补导通，所述第二开关管和所述第三开关管互补导通。

基于本申请的第二方面，一种双向DC/DC变换系统，其特征在于，包括：如本申请第一方面提供的所述的双向DC/DC变换器、控制芯片和驱动电路；

所述控制芯片通过所述驱动电路连接所述双向DC/DC变换器，控制所述双向DC/DC变换器的工作状态。

可选的，所述驱动电路分别连接所述第一开关管的栅极、所述第二开关管的栅极、所述第三开关管的栅极和所述第四开关管的栅极。

可选的，所述控制芯片用于控制所述第一开关管与所述第二开关管交错工作，相角差为180°，控制所述第三开关管与所述第四开关管交错工作，相角差为180°，控制所述第一开关管和所述第四开关管互补导通，控制所述第二开关管和所述第三开关管互补导通。

本申请的提供的双向DC/DC变换器中，设置有飞跨电容模组，在正常工作时，飞跨电容模组保持为高端电压的一半。如此设置，可以减少各个开关管两端的电压，从而减少电磁干扰，降低开关管的电压应力，从而提高双向DC/DC变换器输入电压范围。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1为本申请一实施例提供的双向DC/DC变换器的结构示意图；

图2为本申请一实施例提供的双向DC/DC变换器中D＞0.5时的主要原理波形图；

图3为本申请一实施例提供的双向DC/DC变换器中D＞0.5电感电流交替变化的三电平双向变换器等效电路；

图4为本申请一实施例提供的双向DC/DC变换器系统。

附图标记：

控制芯片-1、驱动电路-2、双向DC/DC变换器-3、飞跨电容模组-Cblack、第一开关管-Q1、第二开关管-Q2、第三开关管-Q3、第四开关管-Q4、第一寄生二极管-D1、第二寄生二极管-D2、第三寄生二极管-D3、第四寄生二极管-D4、电感组-L。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

随着科技和社会的发展相当迅速，人们对电源系统提出了更高的要求，以适应其在不同工业、科研环境下需求。在要求能充放电的系统，比如电动汽车、不允许断电的系统、光伏发电、航空电力等场合中，要求能量可以双向自由流通，而为此做两个电能变换器显然过于笨重，而且增加了成本。双向DC/DC变换器就在这样的背景下应运而生了，通过适当的控制，它可以让能量两个方向自由地流动，对比做两个电能变换器，兼顾了变换器的体积、重量，还有成本，提高了效率。

但是，目前的两电平双向DC/DC变换器开关管的电压应力大，各个电压的变化波动大，电磁干扰较大，当电路的输入电压较大时，开关管的电压应力会过大，受到开关管的电压应力上限的影响，两电平双向DC/DC变换器的输入电压范围小。为了解决上述问题，发明人提供了一种双向DC/DC变换器和系统。

实施例：

图1为本申请的双向DC/DC变换器的结构示意图，如图1所示，本实施的双向DC/DC变换器包括：飞跨电容模组Cblack、第一开关管Q1，第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、电感组L、第一电压端，第二电压端，共地端；其中，第一电压端为图1中U₁的正极，第二电压端为图1中U₂的正极。共地端为图1中U₂和U₁的负极。

第一开关管Q1的漏极连接第一电压端；第一开关管Q1极的源极连接飞跨电容模组Cblack的第一端；

第二开关管Q2的漏极连接飞跨电容模组Cblack的一端；第二开关管Q2极的源极连接电感组L的第一端；

第三开关管Q3的漏极连接电感组L的第一端；第三开关管Q3极的源极连接飞跨电容模组Cblack的第二端；

第四开关管Q4的漏极连接飞跨电容模组Cblack的第二端；第四开关管Q4极的源极连接共地端；

电感组L的第二端连接第二电压端。

上述电路中设置有飞跨电容模组Cblack，在正常工作时，飞跨电容模组Cblack保持为高端电压的一半。如此设置，可以减少各个开关管两端的电压，从而减少电磁干扰，降低开关管的电压应力，从而提高双向DC/DC变换器输入电压范围。

进一步的，本申请提供的双向DC/DC变换器中还包括：第一滤波电容组Cf1和第二滤波电容组Cf2；

第一滤波电容组Cf1的第一端连接第一电压端；第一滤波电容组Cf1的第二端连接共地端；

第二滤波电容组Cf2的第一端连接第二电压端；第二滤波电容组Cf2的第二端连接共地端。

需要说明的是，电容滤波电容的作用简单讲是使滤波后输出的电压为稳定的直流电压,其工作原理是整流电压高于电容电压时电容充电,当整流电压低于电容电压时电容放电,在充放电的过程中,使输出电压基本稳定。本申请中第一滤波电容组Cf1和第二滤波电容组Cf2为分别为第一电压端和第二电压端滤波稳压。

具体的，如图1所示的三电平双向变换器中，第一电压端和第二电压端分别是高端输入电压和低端输入电压(需要说明的是，二者的大小关系可以互换)，第一滤波电容组Cf1和第二滤波电容组Cf2分别是高端输入和低端输入的滤波电容，L是电感。飞跨电容模组Cblack是飞跨电容，正常工作时保持为高端电压的一半，即飞跨电容模组Cblack＝高端输入电压的一半。具体的，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4为场效应管。第一开关管包括：第一场效应管和与第一场效应管反向并联的第一寄生二极管；第二开关管包括：第二场效应管和与第二场效应管反向并联的第二寄生二极管；第三开关管包括：第三场效应管和与第三场效应管反向并联的第三寄生二极管；第四开关管包括：第四场效应管和与第四场效应管反向并联的第四寄生二极管。

第一开关管Q1与第二开关管Q2交错工作，驱动信号相差180°相角。同时第一开关管Q1和第四开关管Q4，第二开关管Q2和第三开关管Q3互补导通。

双向变换器工作时根据其能量传输的方向不同，可以分为Buck工作方式和Boost工作方式。而根据主控开关管占空比D的大小又可以分为D大于0.5和D小于0.5两种模式。当双向变换器由第一电压端向第二电压端供电，且第一电压端电压小于第二电压端电压的两倍时，(第二电压端大于第一电压端的一半时)，第一开关管Q1和第二开关管Q2的占空比D＞0.5，相应的第三开关管Q3和第四开关管Q4的占空比D＜0.5，此时变换器工作在Buck D＞0.5的方式下，其工作模态与Boost D＜0.5模式的工作模态完全一样，只不过L的电流方向相反。同样Buck D＜0.5与Boost D＞0.5的工作模态时一样的，仅L电流方向相反。

因此根据占空比D与L电流方向的不同，变换器共有9种工作模式，具体的参照下表：

注；表中“√”代表该MOS管工作在软开关状态或该体二极管自然关断；“×”代表该MOS管工作在硬开关状态或该体二极管存在反向恢复问题。

三电平变换器各种工作方式基本工作情况表

为了更加清楚地阐述本申请提供方案的原理，这里选取D大于0.5下的两种典型模型进行分析，主要原理波形如图2所示。电感电流过零时，一个开关周期内变换器共有8中工作模态，如图3所示。电感电流恒大于零和恒小于零时，变换器的工作模态分别是电感电流过零时8种工作模态中的四种工作模态。

参照图2和图3，本申请提供的方案中：

1.电感电流恒大于零的工作模态分析：

①开关模态1[t0-t2][图3(b)]：t0时刻之前，电感电流i从A向U₂方向(定义为正向电感电流方向)流过第二开关管Q2、飞跨电容模组Cblack、第四寄生二极管D4。T0时刻，第四开关管Q4关断，第一开关管Q1开通，电感电流i流过第一开关管Q1、第二开关管Q2。AB间电压为U₁，第三开关管Q3、第四开关管Q4上的电压为U₁/2。I线性增加。

②开关模态2[t2-t4][图3(c)]：t2时刻，第二开关管Q2关断，第三开关管Q3开通，电感电流i流过第一开关管Q1、飞跨电容模组Cblack、第三寄生二极管D3，飞跨电容模组Cblack充电，AB间电压为U₁/2，第二开关管Q2、第四开关管Q4上的电压为U₁/2。电感电流i线性减少。

③开关模态3[t4-t6][图3(f)]：t4时刻，第三开关管Q3关断，第二开关管Q2开通，电感电流i流过第一开关管Q1、第二开关管Q2，AB间电压为U1，第三开关管Q3、第四开关管Q4上的电压为U₁/2。电感电流i线性增加。该开关模态与开关模态1相同。

④开关模态4[t6-t8][图3(g)]：t6时刻，第一开关管Q1关断，第四开关管Q4开通。电感电流i流过第四寄生二极管D4、飞跨电容模组Cblack、第二开关管Q2，飞跨电容模组Cblack放电，AB间电压为U₁/2，第一开关管Q1、第三开关管Q3上的电压为U₁/2。电感电流i线性减少。

t8时刻，第四.开关管关断，第一开关管Q1开通，开始下一个周期。

可见，电感电流恒大于零时，能量从1端口流向2端口，变换器工作在Buck方式；输出电压U₂＝D*U₁，各个开关管承受的电压应力为U₁/2，为对应两电平变换器的一半。

2.电感电流恒小于零的工作模态分析

10、电感电流恒小于零时，与电感电流恒大于零类似，拓扑一个周期也有四个开关模态，为图3的(a)→(d)→(e)→(h)→(a)。能量从2端口流向1端口，变换器工作在Boost方式；输出电压U₁＝U₂/D，各个开关管承受的电压应力也为U₁/2。

通过上述分析可知本申请提供的方案中，各个开关管承受的电压应力为较高的电压端电压的一半。

进一步的，飞跨电容模组Cblack为一个电容，或者，飞跨电容模组Cblack为至少两个电容并联组成。由多个电容组合成为一个超级电容，可以增加电容的容量。当然，飞跨电容模组Cblack为插拔结构的电容组。可以通过插拔电容组件调节并联的电容的数量，基于需求，调节电容模组内电容的数量。

进一步的，电感组L为一个电感，或者，电感组L为至少两个电感串联组成。由多个电感组L合成为一个超级电感，可以增加电感的感量。当然，飞跨电感模组为插拔结构的电感组L。可以通过插拔电感组L件调节并联的电感的数量，基于需求，调节电感模组内电感的数量。

参照图4，本申请还提供一种双向DC/DC变换系统，其特征在于，包括：上述实施例提供的双向DC/DC变换器3、控制芯片1和驱动电路2；

控制芯片1通过驱动电路2连接双向DC/DC变换器3，控制双向DC/DC变换器3的工作状态。

具体的，驱动电路2分别连接第一开关管Q1的栅极、第二开关管Q2的栅极、第三开关管Q3的栅极和第四开关管Q4的栅极。控制芯片用于控制第一开关管与第二开关管交错工作，相角差为180°，控制第三开关管与第四开关管交错工作，相角差为180°，控制第一开关管和第四开关管互补导通，控制第二开关管和第三开关管互补导通。控制芯片1和驱动电路2可以参照现有的电路进行搭建。控制芯片1和驱动电路2仅仅是为了达到控制各个开关管开闭状态，所以本申请不涉及程序改进。需要说明的是，通过控制芯片1和驱动电路2控制开关管的开闭状态为现有技术。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种双向DC/DC变换器，其特征在于，包括：飞跨电容模组、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、电感组、第一电压端、第二电压端、共地端；

所述第二开关管的漏极连接、所述飞跨电容模组的第一端；所述第二开关管极的源极连接所述电感组的第一端；

所述电感组的第二端连接所述第二电压端。

2.根据权利要求1所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，还包括：第一滤波电容组和第二滤波电容组；

3.根据权利要求1所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述第一开关管包括：第一场效应管和与所述第一场效应管反向并联的第一寄生二极管；

4.根据权利要求1所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述飞跨电容模组为一个电容，或者，所述飞跨电容模组为至少两个电容并联组成。

5.根据权利要求4所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，当所述飞跨电容模组为至少两个电容并联组成时，所述飞跨电容模组为插拔式电容模组。

6.根据权利要求1所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述电感组为一个电感，或者，所述电感组为至少两个电感串联组成。

7.根据权利要求1所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述第一开关管与所述第二开关管交错工作，相角差为180°；所述第三开关管与所述第四开关管交错工作，相角差为180°；所述第一开关管和所述第四开关管互补导通，所述第二开关管和所述第三开关管互补导通。

8.一种双向DC/DC变换系统，其特征在于，包括：如权利要求1～7任一项所述的双向DC/DC变换器、控制芯片和驱动电路；

9.根据权利要求8所述的双向DC/DC变换系统，其特征在于，所述驱动电路分别连接所述第一开关管的栅极、所述第二开关管的栅极、所述第三开关管的栅极和所述第四开关管的栅极。

10.根据权利要求8所述的双向DC/DC变换系统，其特征在于，所述控制芯片用于控制所述第一开关管与所述第二开关管交错工作，相角差为180°，控制所述第三开关管与所述第四开关管交错工作，相角差为180°，控制所述第一开关管和所述第四开关管互补导通，控制所述第二开关管和所述第三开关管互补导通。