一种隔离直流双向变换器.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102570831 A (43)申请公布日 2012.07.11 CN 102570831 A *CN102570831A* (21)申请号 201210002151.1 (22)申请日 2012.01.05 H02M 3/335(2006.01) H02M 7/797(2006.01) (71)申请人 深圳市高斯宝电气技术有限公司 地址 518000 广东省深圳市宝安区西乡街道 宝田一路南侧凤凰岗第一工业区厂房 A 厂房 05 层东侧 (72)发明人 阮世良 (74)专利代理机构 深圳市兴科达知识产权代理 有限公司 44260 代理人 王翀 (54) 发明名称 一种。

2、隔离直流双向变换器 (57) 摘要 本发明公开了一种隔离直流双向变换器， 其 包括 ： DSP、 第一 MOS 管、 第二 MOS 管、 第三 MOS 管、 第四 MOS 管、 第五 MOS 管、 第六 MOS 管、 变压器、 隔 离驱动单元、 隔离单元、 电感、 电解电容， 变压器包 括一个原边绕组和两个副边绕组 ； 当能量从高压 端流向低压端时， DSP 通过隔离驱动单元驱动第 一MOS管、 第二 MOS 管、 第三 MOS 管、 第四 MOS 管进 行全桥变换， 并驱动第五MOS管和第六MOS管进行 同步整流 ； 当能量从低压端流向高压端时， DSP 驱 动第五MOS管和第六MOS管进行。

3、推挽变换， 并驱动 第一MOS管、 第二 MOS 管、 第三 MOS 管、 第四 MOS 管 进行同步整流。本发明特别适合于高压端小电流 到低压端大电流的双向变换。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 1/1 页 2 1. 一种隔离直流双向变换器， 其特征在于， 包括 ： DSP、 第一 MOS 管、 第二 MOS 管、 第三 MOS 管、 第四 MOS 管、 第五 MOS 管、 第六 MOS 管、 变压器、 隔离驱动单元、 隔离单元、 电感、 电。

4、解 电容， 其中， 变压器包括一个原边绕组和两个副边绕组 ； 第一MOS管和第二MOS管的漏极分别接高压端， 第一MOS管的源极和第三MOS管的漏极 连接， 第二 MOS 管的源极和第四 MOS 管的漏极连接， 第三 MOS 管和第四 MOS 管的源极分别接 地 ； DSP 的其中一个驱动端通过隔离驱动单元分别与第一 MOS 管、 第二 MOS 管、 第三 MOS 管、 第四 MOS 管的栅极连接， DSP 的其中一个电压检测端通过隔离单元与高压端连接， 另一个电 压检测端与低压端连接， DSP 的电流检测端连接在第五 MOS 管的源极和地的连接点之间 ； 变压器的原边绕组的其中一端与第二 M。

5、OS 管和第四 MOS 管的连接点连接， 另一端与第 一MOS管和第三MOS管的连接点连接 ； 电感的一端与两个副边绕组的连接点连接， 另一端分 别接低压端和电解电容的正极， 电解电容的负极接地 ； DSP 的另一个驱动端分别与第五 MOS 管和第六 MOS 管的栅极连接， 第五 MOS 管的漏极与其中一个副边绕组连接， 第五 MOS 管和第 六 MOS 管的源极分别接地， 第六 MOS 管的漏极与另一个副边绕组连接 ； 当能量从高压端流向低压端时， DSP通过隔离驱动单元驱动第一MOS管、 第二MOS管、 第 三 MOS 管、 第四 MOS 管进行全桥移相变换， 并驱动第五 MOS 管和第六。

6、 MOS 管进行同步整流 ； 当能量从低压端流向高压端时， DSP 驱动第五 MOS 管和第六 MOS 管进行推挽变换， 并驱动第 一 MOS 管、 第二 MOS 管、 第三 MOS 管、 第四 MOS 管进行同步整流。 2. 根据权利要求 1 所述的隔离直流双向变换器， 其特征在于 ： 还包括第一二极管、 第 二二极管、 第三二极管、 第四二极管 ； 第一二极管的阴极与第一MOS管的漏极连接， 阳极与第一MOS管的源极连接 ； 第二二极 管的阴极与第二MOS管的漏极连接， 阳极与第二MOS管的源极连接 ； 第三二极管的阴极与第 三MOS管的漏极连接， 阳极与第三MOS管的源极连接 ； 第四二。

7、极管的阴极与第四MOS管的漏 极连接， 阳极与第四 MOS 管的源极连接。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的隔离直流双向变换器， 其特征在于 ： 还包括第五二极管 和第六二极管 ； 第五二极管的阴极与第五MOS管的漏极连接， 阳极与第五MOS管的源极连接 ； 第六二极 管的阴极与第六 MOS 管的漏极连接， 阳极与第六 MOS 管的源极连接。 4. 根据权利要求 1 或 2 所述的隔离直流双向变换器， 其特征在于 ： 所述隔离单元或隔 离驱动单元采用线性光耦隔离。 权 利 要 求 书 CN 102570831 A 2 1/4 页 3 一种隔离直流双向变换器 技术领域 0001 本发明涉及。

8、电源变换技术领域， 尤其涉及一种隔离直流双向变换器。 背景技术 0002 在新能源应用中， 由于输入端的不稳定， 通常会采用电池或超级电容进行储能， 这 种情况下需要采用双向变换器。在双向变换器两边电压差别很大的场合， 如十倍以上情况 下， 采用不隔离的变换器模式效率较低， 很不经济， 特别是在某些情况下， 由于安全的原因， 也是需要隔离， 因此这种情况下需要采用隔离的双向变换器。 0003 在输出电压较低的大功率应用中， 采用何种模式， 在目前尚无完整的解决方案 ； 目 前的双向变换器各有优缺点， 但在一侧为高压小电流， 另一侧为低压大电流的应用场合， 均 不太适用， 特别在某些新能源应用中。

9、， 对于低压侧需要恒流充电或者恒流放电的场合， 目前 存在的这些双向变换器都不适合。 发明内容 0004 本发明提供了一种隔离直流双向变换器， 特别适合于高压端小电流到低压端大电 流的双向变换。 0005 本发明的技术方案是 ： 0006 一种隔离直流双向变换器， 包括 ： DSP、 第一 MOS 管、 第二 MOS 管、 第三 MOS 管、 第四 MOS管、 第五MOS管、 第六MOS管、 变压器、 隔离驱动单元、 隔离单元、 电感、 电解电容， 其中， 变 压器包括一个原边绕组和两个副边绕组 ； 0007 第一 MOS 管和第二 MOS 管的漏极分别接高压端， 第一 MOS 管的源极和第三。

10、 MOS 管 的漏极连接， 第二 MOS 管的源极和第四 MOS 管的漏极连接， 第三 MOS 管和第四 MOS 管的源极 分别接地， DSP 的其中一个驱动端通过隔离驱动单元分别与第一 MOS 管、 第二 MOS 管、 第三 MOS管、 第四MOS管的栅极连接， DSP的其中一个电压检测端通过隔离单元与高压端连接， 另 一个电压检测端与低压端连接， DSP 的电流检测端连接在第五 MOS 管的源极和地的连接点 之间 ； 0008 变压器的原边绕组的其中一端与第二 MOS 管和第四 MOS 管的连接点连接， 另一端 与第一MOS管和第三MOS管的连接点连接 ； 电感的一端与两个副边绕组的连接点。

11、连接， 另一 端分别接低压端和电解电容的正极， 电解电容的负极接地 ； DSP 的另一个驱动端分别与第 五 MOS 管和第六 MOS 管的栅极连接， 第五 MOS 管的漏极与其中一个副边绕组连接， 第五 MOS 管和第六 MOS 管的源极分别接地， 第六 MOS 管的漏极与另一个副边绕组连接 ； 0009 当能量从高压端流向低压端时， DSP 通过隔离驱动单元驱动第一 MOS 管、 第二 MOS 管、 第三 MOS 管、 第四 MOS 管进行全桥移相变换， 并驱动第五 MOS 管和第六 MOS 管进行同步 整流 ； 当能量从低压端流向高压端时， DSP 驱动第五 MOS 管和第六 MOS 管进。

12、行推挽变换， 并 驱动第一 MOS 管、 第二 MOS 管、 第三 MOS 管、 第四 MOS 管进行同步整流。 0010 本发明的双向变换器， DSP 根据实际控制的需求， 控制第一 MOS 管、 第二 MOS 管、 第 说 明 书 CN 102570831 A 3 2/4 页 4 三 MOS 管、 第四 MOS 管、 第五 MOS 管、 第六 MOS 管的驱动方式， 可以实现能量从低压端到高压 端的流动， 也可实现从高压端到低压端的流动， 从而实现能量的双向流动 ； 该双向变换器通 过变压器实现了低压端、 高压端电压的隔离， 通过隔离驱动单元和隔离单元实现了直流隔 离， 而且由于低压端为中。

13、间抽头的全波整流， 可以处理较大的电流， 因此本发明的双向变换 器特别适合于高压端小电流到低压端大电流的双向变换。 附图说明 0011 图 1 是本发明隔离直流双向变换器在一实施例中的电路原理图 ； 0012 图 2 是高压端 V1 到低压端 V2 变换的原理及波形图 ； 0013 图 3 是低压端 V2 到高压端 V1 变换的原理及波形图。 具体实施方式 0014 下面结合附图对本发明的具体实施例做一详细的阐述。 0015 本发明的隔离直流双向变换器， 能实现能量的双向流动， 通过变压器实现了低压 端、 高压端电压的隔离， 通过隔离驱动单元和隔离单元实现了直流隔离， 特别适合于高压端 小电流。

14、到低压端大电流的双向变换。 0016 如图 1 所示， 本发明的双向变换器， 包括 ： DSP、 第一 MOS 管 Q1、 第二 MOS 管 Q2、 第三 MOS 管 Q3、 第四 MOS 管 Q4、 第五 MOS 管 Q5、 第六 MOS 管 Q6、 变压器、 隔离驱动单元、 隔离单元、 电感 L2、 电解电容 C1， 其中， 变压器包括一个原边绕组 L1-A 和两个副边绕组 L1-B、 L1-C ； 0017 第一 MOS 管 Q1 和第二 MOS 管 Q2 的漏极分别接高压端 V1， 第一 MOS 管 Q1 的源极和 第三 MOS 管 Q3 的漏极连接， 第二 MOS 管 Q2 的源极和。

15、第四 MOS 管 Q4 的漏极连接， 第三 MOS 管 Q3 和第四 MOS 管 Q4 的源极分别接地， DSP 的其中一个驱动端通过隔离驱动单元分别与 第一 MOS 管 Q1、 第二 MOS 管 Q2、 第三 MOS 管 Q3、 第四 MOS 管 Q4 的栅极连接， DSP 的其中一个 电压检测端通过隔离单元与高压端 V1 连接， 另一个电压检测端与低压端 V2 连接， DSP 的电 流检测端连接在第五 MOS 管 Q5 的源极和地的连接点之间 ； 0018 变压器的原边绕组 L1-A 的其中一端与第二 MOS 管 Q2 和第四 MOS 管 Q4 的连接点 连接， 另一端与第一 MOS 管 。

16、Q1 和第三 MOS 管 Q3 的连接点连接 ； 电感 L2 的一端与两个副边 绕组L1-B、 L1-C的连接点连接， 另一端分别接低压端V2和电解电容C1的正极， 电解电容C1 的负极接地 ； DSP 的另一个驱动端分别与第五 MOS 管 Q5 和第六 MOS 管 Q6 的栅极连接， 第五 MOS 管 Q5 的漏极与其中一个副边绕组 L1-C 连接， 第五 MOS 管 Q5 和第六 MOS 管 Q6 的源极分 别接地， 第六 MOS 管 Q6 的漏极与另一个副边绕组 L1-B 连接 ； 0019 当能量从高压端流向低压端时， DSP 通过隔离驱动单元驱动第一 MOS 管 Q1、 第二 MOS。

17、 管 Q2、 第三 MOS 管 Q3、 第四 MOS 管 Q4 进行全桥移相变换， 并驱动第五 MOS 管 Q5 和第六 MOS管Q6进行同步整流 ； 当能量从低压端流向高压端时， DSP驱动第五MOS管Q5和第六MOS 管 Q6 进行推挽变换， 并驱动第一 MOS 管 Q1、 第二 MOS 管 Q2、 第三 MOS 管 Q3、 第四 MOS 管 Q4 进行同步整流。 0020 具体实施时， 本发明还可以包括第一二极管 D1、 第二二极管 D2、 第三二极管 D3、 第 四二极管 D4 ； 第一二极管 D1 的阴极与第一 MOS 管 Q1 的漏极连接， 阳极与第一 MOS 管 Q1 的 源极连。

18、接 ； 第二二极管 D2 的阴极与第二 MOS 管 Q2 的漏极连接， 阳极与第二 MOS 管 Q2 的源 说 明 书 CN 102570831 A 4 3/4 页 5 极连接 ； 第三二极管 D3 的阴极与第三 MOS 管 Q3 的漏极连接， 阳极与第三 MOS 管 Q3 的源极 连接 ； 第四二极管 D4 的阴极与第四 MOS 管 Q4 的漏极连接， 阳极与第四 MOS 管 Q4 的源极连 接。在进行同步整流时， 可以分别利用与 MOS 管并联的二极管进行工作， 此时可以不再驱动 MOS 管工作。 0021 另外， 基于同样的道理， 本发明还可以包括第五二极管 D5 和第六二极管 D6 ；。

19、 第 五二极管D5的阴极与第五MOS管Q5的漏极连接， 阳极与第五MOS管Q5的源极连接 ； 第六二 极管 D6 的阴极与第六 MOS 管 Q6 的漏极连接， 阳极与第六 MOS 管 Q6 的源极连接。 0022 其中， 从高压端V1到低压端V2的变换是一个全桥变换器， 输出侧为中间抽头的全 桥整流， 从低压端 V2 到高压端 V1 的变换是电流型推挽模式， 输出侧为全桥整流 ； 从高压端 V1 到低压端 V2 的变换中， MOS 管 Q1、 Q2、 Q3、 Q4 工作在开关状态， MOS 管 Q5、 Q6 可以直接工 作在同步整流状态， 也可简单的利用其体二极管或并联的二极管工作， 此时不需。

20、要驱动 MOS 管 Q5、 Q6 ； 从低压端 V2 到高压端 V1 的变换中， MOS 管 Q5、 Q6 工作在开关管状态， MOS 管 Q1、 Q2、 Q3、 Q4 可以利用其体二极管或并联的二极管工作 ( 此时无需驱动 ) 在同步整流状态。 0023 其控制原理说明如下 ： 0024 高压端 V1 到低压端 V2 的变换是 PWM 全桥控制， 原理如图 2 所示， 分析如下 ： 0025 t0 时刻， MOS 管 Q1、 Q3 同时导通， t1 时刻， MOS 管 Q1、 Q3 同时关断 ； 此时间内， 输出 电感 L2 的电流线性上升， 变压器输出通过 MOS 管 Q5 整流输出 ； 。

21、0026 t1 时刻到 t2 时刻， MOS 管 Q1、 Q2、 Q3、 Q4 全部关断， 输出电感 L2 中电流线性下降， 变压器副边绕组均有电流流过， 电流通过 MOS 管 Q5、 Q6 续流， 这两个 MOS 管中电流相等 ； 0027 t2 时刻， MOS 管 Q2、 Q4 同时开通， 进入另一个能量传递过程， 输出电感 L2 中的电流 线性上升， 变压器输出通过 MOS 管 Q6 整流输出 ； 此状态直到 t3 时刻 MOS 管 Q2、 Q4 关断为 止 ； 0028 t3 时刻， MOS 管 Q2、 Q4 关断， 变压器副边绕组进入续流阶段， 输出电感 L2 中电流线 性下降， 变。

22、压器副边绕组均有电流流过， 电流通过 MOS 管 Q5、 Q6 续流， 这两个 MOS 管中电流 相等 ； 0029 直到 t0 时刻， MOS 管 Q1、 Q3 重新开通， t0 到 t0 时刻为一个周期， 从该 t0 时刻 又是一个新周期开始， 其后工作按 t0 到 t0 时刻内的原理进行。 0030 低压端 V2 到高压端 V1 的变换是电流型推挽模式， 控制原理如图 3 所示， 分析如 下 ： 0031 假设在 t0 时刻， MOS 管 Q5 导通， MOS 管 Q6 关断， 此时电感 L2 中电流线性减小， 变 压器原边输出通过 MOS 管 Q1、 Q3 整流后输出到高压端 V1 ；。

23、 0032 t1 时刻， MOS 管 Q6 开通， MOS 管 Q5 继续开通， 此时变压器相当于短路， 及低压端 V2 的电压通过电感 L2 及 MOS 管 Q5、 Q6 到地， 因此电感 L2 中电流会线性上升 ； 0033 t2 时刻， MOS 管 Q6 继续开通， MOS 管 Q5 关断， 此时变压器开始工作， 变压器原边绕 组侧通过 MOS 管 Q2、 Q4 整流后输出到低压端 V1 ； 0034 t3 时刻， MOS 管 Q5 开通， MOS 管 Q6 继续开通， 此时变压器相当于短路状态， 电感 L2 中电流线性上升 ； 0035 直到 t0 时刻， MOS 管 Q6 关断， 一。

24、个完整的开关周期结束， 此时工作状态又重新从 t0 时刻开始。 说 明 书 CN 102570831 A 5 4/4 页 6 0036 如图 1 所示实际为一个 1KW 隔离双向变换器， 两边电压 V1 为 800V， V2 为 12V， 采 用 DSP 进行控制， 检测低压端 V2 侧电压和电流， 隔离后检测高压端 V1 侧电压， DSP 设置在 低压端V1侧， 故低压端V1侧的隔离驱动不需要隔离 ； 隔离单元和隔离驱动单元具体可以采 用线性光耦隔离， 如 HCPL-T250。 0037 系统设计的目标是 ： 低压端 V2 输出为恒压恒流， 即低压端输出电流过大时将输出 恒流， 低压端输出的。

25、最大电流控制在 80A， 当电流小于 80A 时系统母线电压为 12V， 12V 母线 接收外部能量时， 系统启动从 12V 到 800V 的变换， 并将系统母线维持在 12V， 低压端最大的 吸收电流控制在 80A。 0038 由于系统采用 DSP 控制， DSP 检测低压端电压、 电流， 根据电流流向和电压设定相 应的驱动模式， 当能量从高压端流向低压端时， 通过隔离驱动 MOS 管 Q1、 Q2、 Q3、 Q4 进行全 桥变换， 根据相应控制， 驱动MOS管Q5、 Q6， 使其工作在同步整流状态(参见图2) ； 当能量从 低压端流向高压端时， 驱动 MOS 管 Q5、 Q6 工作 ( 参。

26、见图 3)， 由于高压端电流较小， 此时 MOS 管 Q1、 Q2、 Q3、 Q4 不驱动， 可以利用与其并联的二极管进行整流 ； 控制中向 DSP 里输入相关 控制算法后， 进行各个 MOS 管的驱动控制， 以满足系统要求。 0039 以上所述的本发明实施方式， 并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明 的精神和原则之内所作的修改、 等同替换和改进等， 均应包含在本发明的权利要求保护范 围之内。 说 明 书 CN 102570831 A 6 1/3 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 102570831 A 7 2/3 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 102570831 A 8 3/3 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 102570831 A 9 。