CN220254361U - 一种双向直流变换电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双向直流变换电路，包括主电路和控制电路，主电路第一半桥电路上桥臂的外接点接直流输入端的正极，下桥臂的外接点接直流输入端的负极；第二半桥电路上桥臂的外接点接直流输出端的正极，下桥臂的外接点接直流输出端的负极；控制电路包括霍尔电流传感芯片和控制器，霍尔电流传感芯片与电感串联后接在两个半桥电路的中点之间；半桥电路的上桥臂和下桥臂各包括一个开关管组件，开关管组件的控制端接控制器，霍尔电流传感芯片的电感电流信号输出端接控制器。本实用新型采用霍尔电流传感芯片对电感电流进行检测，可以防止电感电流过大，产生炸机的风险。

Description

一种双向直流变换电路

[技术领域]

本实用新型涉及直流变换电路，尤其涉及一种双向直流变换电路。

[背景技术]

DC/DC变换器，也称为斩波器，是锂电池化成系统中的-一个重要部分。DC/DC变换器的原理是将某一种的直流电压转换为所需的另一种电压值不同的直流电压。在锂电池化成系统中，双向DC/DC变换器主要负责对充放电过程进行监控管理，根据最佳充电曲线对充电方式进行调整，并且对电池起到保护作用。不同于单向的DC/DC变换器，双向DC/DC变换器可以工作在正向和反向两种状态，实现能量的双向传输。双向DC/DC变换器的工作性能直接影响化成系统的总体功能，从而决定锂电池的使用效率和性能。

国内采用传统的电阻放电装置和相控式有源逆变放电装置对电池化成中的放电过程进行处理，前者虽然结构简单，成本较低，较为普及，但会对能量造成极大的浪费，特别是在大容量电池的生产中。据统计，规模较大的电池生产厂家在电池化成中电能的费用占到生产成本的百分之二十至百分之三十。后者也具有体积笨重/噪声污染大、交流输出功率因数低、对电网谐波污染严重等缺点，故很少采用。目前，采用较多的是双向DC/DC变换器电路，申请号为202210678766.X一种双向升降压可调全功率DC/DC电路及其工作方法。采用Mosfet管、肖特基二极管、电感及脉冲调制波控制器组成双向可调升压、降压电路。通过控制器控制Mosfet管的开启和断开状态，能够实现电量的正向、逆向的双向传输，输出电流可控、且根据两端电压变化自动切换为升压或降压模式。

该发明缺少对电感电流的检测和控制，可能存在MOS管占空比过大，电感电流过大，造成磁芯饱和，产生炸机的风险；输入输出没有电流检测电路，无法实现输入限流，输出恒流功能；采用4个肖特基二极管，成本较高。

[发明内容]

本实用新型要解决的技术问题是提供一种能够对电感电流进行检测和控制，防止电感电流过大，产生炸机的风险的双向直流变换电路。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是，一种双向直流变换电路，包括主电路和控制电路，主电路包括直流输入端、直流输出端、两个半桥电路和电感；第一半桥电路上桥臂的外接点接直流输入端的正极，下桥臂的外接点接直流输入端的负极；第二半桥电路上桥臂的外接点接直流输出端的正极，下桥臂的外接点接直流输出端的负极；控制电路包括霍尔电流传感芯片和控制器，霍尔电流传感芯片与电感串联后接在两个半桥电路的中点之间；半桥电路的上桥臂和下桥臂各包括一个开关管组件，开关管组件的控制端接控制器，霍尔电流传感芯片的电感电流信号输出端接控制器。

以上所述的双向直流变换电路，开关管组件包括MOS管和RCD电路，RCD电路接在MOS管的漏极与源极之间；MOS管的栅极通过对应的驱动电路接控制器。

以上所述的双向直流变换电路，下桥臂的开关管组件包括第一二极管，第一二极管的阳极接下桥臂MOS管的源极，第一二极管的阴极接下桥臂MOS管的漏极。

以上所述的双向直流变换电路，RCD电路包括第一电阻、第一电容和第二二极管，第二二极管的阳极接MOS管的漏极，第二二极管的阴极接第一电阻的第一端，第一电阻的第二端接MOS管的源极；第一电容与第一电阻并接。

以上所述的双向直流变换电路，第一半桥电路上桥臂MOS管的漏极作为第一半桥电路上桥臂的外接点接直流输入端的正极，第一半桥电路上桥臂MOS管的源极接第一半桥电路下桥臂MOS管的漏极，第一半桥电路下桥臂MOS管的源极作为第一半桥电路下桥臂的外接点接直流输入端的负极；第二半桥电路上桥臂MOS管的漏极作为第二半桥电路上桥臂的外接点接直流输出端的正极，第二半桥电路上桥臂MOS管的源极接第二半桥电路下桥臂MOS管的漏极，第二半桥电路下桥臂MOS管的源极作为第二半桥电路下桥臂的外接点接直流输出端的负极。

以上所述的双向直流变换电路，包括输入电容和输出电容，输入电容与第一半桥电路并接，输出电容与第一半桥电路并接。

以上所述的双向直流变换电路，包括输出侧电流采样电阻和输入侧电流采样电阻，输出侧电流采样电阻的第一端接第二半桥电路下桥臂的外接点，输出侧电流采样电阻的第二端接直流输出端的负极；输入侧电流采样电阻的第一端接第一半桥电路下桥臂的外接点，输入侧电流采样电阻的第二端接直流输入端的负极；输入侧电流采样电阻的第一端和输出侧电流采样电阻的第一端分别接控制器对应的电流采样信号输入端。

本实用新型的双向直流变换电路采用霍尔电流传感芯片对电感电流进行检测，可以防止电感电流过大，产生炸机的风险。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型实施例双向直流变换电路的电路图。

[具体实施方式]

本实用新型实施例双向直流变换电路的结构如图1所示，包括主电路和控制电路。

主电路包括直流输入端、直流输出端、两个半桥电路和电感L1。控制电路包括霍尔电流传感芯片U1、输出侧电流采样电阻RS2和输入侧电流采样电阻RS1和控制器(控制器图中未示出)，

第一半桥电路上桥臂的开关管组件包括MOS管Q1和第一RCD电路，MOS管Q1的栅极通过对应的驱动电路接控制器。第一RCD电路包括电阻R5、电容C5和二极管D5，二极管D5的阳极接MOS管Q1的漏极，二极管D5的阴极接电阻R5的第一端，电阻R5的第二端接MOS管Q1的源极，电容C5与电阻R5并接。

第一半桥电路下桥臂的开关管组件包括MOS管Q2、第二RCD电路和二极管D2，二极管D2的阳极接MOS管Q2的源极，二极管D2的阴极接MOS管Q2的漏极MOS管Q2的栅极通过对应的驱动电路接控制器。第二RCD电路包括电阻R6、电容C6和二极管D6，二极管D6的阳极接MOS管Q2的漏极，二极管D6的阴极接电阻R6的第一端，电阻R6的第二端接MOS管Q2的源极，电容C6与电阻R6并接。

第二半桥电路上桥臂的开关管组件包括MOS管Q3和第三RCD电路，MOS管Q3的栅极通过对应的驱动电路接控制器。第三RCD电路包括电阻R7、电容C7和二极管D7，二极管D7的阳极接MOS管Q3的漏极，二极管D7的阴极接电阻R7的第一端，电阻R7的第二端接MOS管Q3的源极，电容C7与电阻R7并接。

第二半桥电路下桥臂的开关管组件包括MOS管Q4、第四RCD电路和二极管D4，二极管D4的阳极接MOS管Q4的源极，二极管D4的阴极接MOS管Q4的漏极MOS管Q4的栅极通过对应的驱动电路接控制器。第四RCD电路包括电阻R8、电容C8和二极管D8，二极管D8的阳极接MOS管Q4的漏极，二极管D8的阴极接电阻R8的第一端，电阻R8的第二端接MOS管Q4的源极，电容C8与电阻R8并接。

第一半桥电路上桥臂MOS管Q1的漏极作为第一半桥电路上桥臂的外接点接直流输入端的正极V1，第一半桥电路上桥臂MOS管Q1的源极接第一半桥电路下桥臂MOS管Q2的漏极，第一半桥电路下桥臂MOS管Q2的源极作为第一半桥电路下桥臂的外接点接直流输入端的负极。第二半桥电路上桥臂MOS管Q3的漏极作为第二半桥电路上桥臂的外接点接直流输出端的正极V2，第二半桥电路上桥臂MOS管Q3的源极接第二半桥电路下桥臂MOS管Q4的漏极，第二半桥电路下桥臂MOS管Q4的源极作为第二半桥电路下桥臂的外接点接直流输出端的负极AGND。

如图1所示，霍尔电流传感芯片U1与电感L1串联后接在两个半桥电路的中点之间，组成H桥拓扑结构。霍尔电流传感芯片U1的型号为MCA1101-50-3。

即，MOS管Q1的源极和MOS管Q2的漏极连接到霍尔电流传感芯片U1的P+引脚，的P-引脚与电感L1的第一端相连；电感L1的第二端与MOS管Q3的源极和MOS管Q4的漏极相连。霍尔电流传感芯片U1用于MOS管导通关断的电流检测，即检测电感电流。霍尔电流传感芯片U1的电感电流信号输出端接控制器。

输入电容C1和C2与第一半桥电路并接，输出电容C3和C4与第一半桥电路并接。

输出侧电流采样电阻RS2的第一端接MOS管Q4的源极(第二半桥电路下桥臂的外接点)，输出侧电流采样电阻RS2的第二端接直流输出端的负极AGND。输入侧电流采样电阻RS1的第一端接MOS管Q2的源极(第一半桥电路下桥臂的外接点)，输入侧电流采样电阻RS1的第二端接直流输入端的负极AGND。输入侧电流采样电阻RS1的第一端和输出侧电流采样电阻RS2的第一端分别接控制器对应的电流采样信号输入端。

采样电阻RS1与直流输入端的负极AGND连接，检测V1侧的电流；采样电阻RS2与直流输出端负极AGND连接，检测V2侧的电流；采样电阻(RS1、RS2)均可实现输入限流，输出恒流功能。输入限流是通过输入采样电阻检测输入电流信号，当输入电流检测信号超过设定阀值时，调整开关MOS管的占空比，减小输出电压V2，减小输出功率，减小输入功率，达到减小输入电流效果；输出恒流是通过输出采样电阻检测输出电流信号，当输出电流检测信号超过设定阀值时，调整开关MOS管的占空比，减小输出电压V2，使之与电池电压相接近，减小输出电压与电池电压差，达到减小输出电流的效果。

霍尔电流传感芯片U1(MCA1101-50-3)的电流检测用于MOS管导通关断的电流检测，即检测电感电流，当电感电流检测信号超过设定阀值时，关闭开关MOS管,避免电感磁芯饱和。霍尔电流传感芯片U1(MCA1101-50-3)的零电流模拟参考输出信号是VREF，霍尔电流传感芯片U1(MCA1101-50-3)的电流检测信号是CS,采用霍尔电流传感芯片，能使电路PCB排版布线简单，电流信号检测精度高。

本实用新型实施例的上桥臂的开关管组件与现有技术相比，减少了二极管，可以降低成本。

本实用新型实施例的直流双向工作电路工作时，通过上位机监控变换器的工作，并与其进行通讯，传输工作指令和实时数据。当锂电池需要充电时，由上位机通过总线对双向DC/DC变换器发送充电指令。双向DC/DC从48V蓄电池中获取能量，按智能充电曲线对锂电池充电。当锂电池需要放电时，通过上位机对双向DC/DC发送放电指令。双向DC/DC变换器从锂电池获取能量，将能量反馈会48V蓄电池内，实现了能量的逆向输送。

一、直流双向工作电路在正向工作模式下(本实用新型实施例以直流输入端V1流向直流输出端V2方向为正向，反之，为逆向)，有BUCK和BOOST两种工作状态。

一)正向BUCK的工作状态：

阶段1)电流从直流输入端正极V1通过MOS管Q1、霍尔电流传感芯片U1、电感L1、MOS管Q3、电容C3和C4、电阻RS1回到直流输入端负极AGND，形成一个电流回路，此时，MOS管Q1和MOS管Q3处于导通状态，MOS管Q2和MOS管Q4处于关断状态，电感承受正向的电压，电感电流直线上升；

阶段2)当MOS管Q2和MOS管Q3处于导通状态，MOS管Q1和MOS管Q4处于关断状态时，由于电感电流不能突变，流过电感L1的电流方向不变，通过MOS管Q3、电容C3和C4、MOS管Q2、霍尔电流传感芯片U1回到电感L1。

二)正向BOOST的工作状态：

阶段1)电流从直流输入端正极V1通过MOS管Q1、霍尔电流传感芯片U1、电感L1、MOS管Q4、电阻RS1回到直流输入端负极AGND，形成一个电流回路，此时，MOS管Q1、MOS管Q3和MOS管Q4处于导通状态，MOS管Q2处于关断状态，电感承受正向的电压，电感电流直线上升；

阶段2)为了提高电路效率，正向BOOST的工作状态时，MOS管Q3一直处于导通状态，此时MOS管Q1和MOS管Q3处于导通状态，MOS管Q2和MOS管Q4处于关断状态时，由于电感电流不能突变，流过电感L1的电流方向不变，从L1流出的电流通过MOS管Q3、电容C3和C4、V1负极、V1正极、MOS管Q1、霍尔电流传感芯片U1回到电感L1。

二、直流双向工作电路在反向工作模式下，同样有BUCK和BOOST两种工作状态；

一)逆向BUCK的工作状态：

阶段1)电流从直流输出端正极V2通过MOS管Q3、电感L1、霍尔电流传感芯片U1、MOS管Q1、电容C1和C2、电阻RS2回到直流输出端负极AGND，形成一个电流回路，此时，MOS管Q1和MOS管Q3处于导通状态，MOS管Q2和MOS管Q4处于关断状态，电感承受反向的电压，电感电流直线上升；

阶段2)MOS管Q2和MOS管Q3处于关断状态，MOS管Q1和MOS管Q4处于导通状态时，由于电感电流不能突变，流过电感L1的电流方向不变，电感L1流出的电流通过霍尔电流传感芯片U1、MOS管Q1、电容C1和C2、MOS管Q4回到电感L1。

二)逆向BOOST的工作状态：

阶段1)电流从直流输出端正极V2通过MOS管Q3、电感L1、霍尔电流传感芯片U1、MOS管Q2、电阻RS2回到直流输出端负极AGND，形成一个电流回路，此时，MOS管Q4处于关断状态，MOS管Q1、MOS管Q2和MOS管Q3处于导通状态，电感承受反向的电压，电感电流直线上升；

阶段2)为了提高电路效率，逆向BOOST的工作状态时，MOS管Q1一直处于导通状态，此时MOS管Q2和MOS管Q4处于关断状态，MOS管Q1、MOS管Q3处于导通状态，由于电感电流不能突变，流过电感L1的电流方向不变，电感L1流出的电流通过霍尔电流传感芯片U1、MOS管Q1、电容C1和C2、V2负极、V2正极、MOS管Q3回到电感L1。

三、在直流输入端电压与直流输出端电压相近时，续流MOS管导通占空比较小，为了提升电路工作效率，续流MOS管可以仍旧处于关断工作状态，通过与之并联的二极管续流。

当直流双向工作电路在正向BUCK工作模式下，阶段1)不变，阶段2)MOS管Q3处于导通状态，MOS管Q1、MOS管Q2和MOS管Q4处于关断状态，由于电感电流不能突变，流过电感L1的电流方向不变，通过MOS管Q3、电容C3和C4、二极管D2、霍尔电流传感芯片U1回到电感L1。

当直流双向工作电路在逆向BUCK工作模式下，阶段1)不变，阶段2)MOS管Q1处于导通状态，MOS管Q2、MOS管Q3和MOS管Q4处于关断状态，由于电感电流不能突变，流过电感L1的电流方向不变，通过霍尔电流传感芯片U1、MOS管Q1、电容C1和C2、二极管D4、回到电感L1，降低了电路损耗，提高工作效率。

四、当MOS管关闭后，MOS管会产生尖峰电压，以MOS管Q1为例，尖峰电压通过二极管D5对电容C5充电，在MOS再次导通时，电容C6上的电压通过电阻R5放电，把多余的能量通过电阻消耗掉，RCD的一个工作周期完成，继续循环下一个周期。

Claims (7)

1.一种双向直流变换电路，其特征在于，包括主电路和控制电路，主电路包括直流输入端、直流输出端、两个半桥电路和电感；第一半桥电路上桥臂的外接点接直流输入端的正极，下桥臂的外接点接直流输入端的负极；第二半桥电路上桥臂的外接点接直流输出端的正极，下桥臂的外接点接直流输出端的负极；控制电路包括霍尔电流传感芯片和控制器，霍尔电流传感芯片与电感串联后接在两个半桥电路的中点之间；半桥电路的上桥臂和下桥臂各包括一个开关管组件，开关管组件的控制端接控制器，霍尔电流传感芯片的电感电流信号输出端接控制器。

2.根据权利要求1所述的双向直流变换电路，其特征在于，开关管组件包括MOS管和RCD电路，RCD电路接在MOS管的漏极与源极之间；MOS管的栅极通过对应的驱动电路接控制器。

3.根据权利要求2所述的双向直流变换电路，其特征在于，下桥臂的开关管组件包括第一二极管，第一二极管的阳极接下桥臂MOS管的源极，第一二极管的阴极接下桥臂MOS管的漏极。

4.根据权利要求2所述的双向直流变换电路，其特征在于，RCD电路包括第一电阻、第一电容和第二二极管，第二二极管的阳极接MOS管的漏极，第二二极管的阴极接第一电阻的第一端，第一电阻的第二端接MOS管的源极；第一电容与第一电阻并接。

5.根据权利要求2所述的双向直流变换电路，其特征在于，第一半桥电路上桥臂MOS管的漏极作为第一半桥电路上桥臂的外接点接直流输入端的正极，第一半桥电路上桥臂MOS管的源极接第一半桥电路下桥臂MOS管的漏极，第一半桥电路下桥臂MOS管的源极作为第一半桥电路下桥臂的外接点接直流输入端的负极；第二半桥电路上桥臂MOS管的漏极作为第二半桥电路上桥臂的外接点接直流输出端的正极，第二半桥电路上桥臂MOS管的源极接第二半桥电路下桥臂MOS管的漏极，第二半桥电路下桥臂MOS管的源极作为第二半桥电路下桥臂的外接点接直流输出端的负极。

6.根据权利要求1所述的双向直流变换电路，其特征在于，包括输入电容和输出电容，输入电容与第一半桥电路并接，输出电容与第一半桥电路并接。

7.根据权利要求1所述的双向直流变换电路，其特征在于，包括输出侧电流采样电阻和输入侧电流采样电阻，输出侧电流采样电阻的第一端接第二半桥电路下桥臂的外接点，输出侧电流采样电阻的第二端接直流输出端的负极；输入侧电流采样电阻的第一端接第一半桥电路下桥臂的外接点，输入侧电流采样电阻的第二端接直流输入端的负极；输入侧电流采样电阻的第一端和输出侧电流采样电阻的第一端分别接控制器对应的电流采样信号输入端。