CN114070068A - 一种双向dc-dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双向DC‑DC变换器，包括逆变电路、谐振电路、变压器以及整流电路，其中，所述谐振电路包括第一电感、第二电感以及第一电容，所述第一电容的一端连接第一电感和第二电感的一端，所述第一电容和第二电感的另一端连接逆变电路，且所述第二电感的该另一端和第一电感的另一端连接变压器的初级绕组，所述变压器的次级绕组连接整流电路的输入侧，所述整流电路的输出侧以及逆变电路的输入侧分别作为该双向DC‑DC变换器的第二外接端和第一外接端。本发明双向DC‑DC变换器中的谐振电路在能量正反向流动时的等效电路均为三元件谐振电路，在能量反向流动时可升压，可有效提升变换器的输出电压范围，实现宽电压范围输出。

Description

一种双向DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及电源转换技术领域，更具体地涉及一种双向DC-DC变换器。
背景技术
双向DC-DC变换器是能够根据需要调节能量双向传输的直流/直流的变换器，其主要运用于储能***、车载电源***、回馈充放电***、混合能源电动汽车等场合。
在传统的LLC谐振双向变换器中，无论正反向工作均能够实现原边侧开关管的ZVS导通以及整流侧二极管的ZCS导通，但其在能量反向流动时，其电路特性不再是LLC谐振特性而退化为LC谐振特性，LC谐振最大的电压增益变为1，大大降低了反向工作时的电压增益，使输出电压范围极大变窄，因此不太适合工作在宽范围能量双向流动的状态，限制了其应用场景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种正反向工作时损耗较小，能提升输出电压范围的双向DC-DC变换器。
为解决上述技术问题，本发明提供一种双向DC-DC变换器，包括逆变电路、谐振电路、变压器以及整流电路，其中，所述谐振电路包括第一电感、第二电感以及第一电容，所述第一电容的一端连接第一电感和第二电感的一端，所述第一电容和第二电感的另一端连接逆变电路，且所述第二电容的该另一端和第一电感的另一端连接变压器的初级绕组，所述变压器的次级绕组连接整流电路的输入侧，所述整流电路的输出侧以及逆变电路的输入侧分别作为该双向DC-DC变换器的第二外接端和第一外接端。
其进一步技术方案为：所述逆变电路包括四个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，两个桥臂并联后其两端作为双向DC-DC变换器的第一外接端，所述第一电容和第二电感分别连接至两个桥臂的中点。
其进一步技术方案为：所述逆变电路包括两个电容和两个开关管，两个电容和两个开关管分别串联构成一个桥臂，两个桥臂并联后其两端作为双向DC-DC变换器的第一外接端，所述第一电容和第二电感分别连接至两个桥臂的中点。
其进一步技术方案为：所述逆变电路包括两个开关管，两个所述开关管串联构成一个桥臂，该桥臂两端作为双向DC-DC变换器的第一外接端，所述第一电容连接至桥臂的中点，所述第二电感连接至桥臂的最下端。
其进一步技术方案为：所述逆变电路包括两个开关管，两个所述开关管串联构成一个桥臂，该桥臂两端作为双向DC-DC变换器的第一外接端，所述第一电容连接至桥臂的最上端，所述第二电感连接至桥臂的中点。
其进一步技术方案为：所述整流电路包括四个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，两个桥臂并联后其两端作为双向DC-DC变换器的第二外接端，所述变压器次级绕组的同名端和异名端分别连接至两个桥臂的中点。
其进一步技术方案为：所述双向DC-DC变换器还包括第一滤波电容和第二滤波电容，所述第一滤波电容两端连接至逆变电路的输入侧，所述第二滤波电容两端连接至整流电路的输出侧。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种双向DC-DC变换器，包括逆变电路、谐振电路、变压器以及整流电路，其中，所述谐振电路包括第一电感、第二电感以及第一电容，所述第一电容和第一电感的一端连接逆变电路，该第一电容和第一电感的另一端连接变压器的初级绕组，且所述第二电感的一端连接于第一电感与逆变电路连接的一端，该第二电感的另一端连接第一电容与变压器连接的一端，所述变压器的次级绕组连接整流电路的输入侧，所述整流电路的输出侧以及逆变电路的输入侧分别作为该双向DC-DC变换器的第二外接端和第一外接端。
与现有技术相比，本发明双向DC-DC变换器中的谐振电路在能量正反向流动时的等效电路均为三元件谐振电路，正反向工作时实现软开关，损耗较小，解决了传统LLC谐振电路反向增益较小的问题，即本发明双向DC-DC变换器在能量反向流动时可升压，可有效提升变换器的输出电压范围，实现宽电压范围输出。
附图说明
图1是本发明双向DC-DC变换器第一实施例的电路示意图。
图2是本发明双向DC-DC变换器第二实施例的电路示意图。
图3是本发明双向DC-DC变换器第三实施例的电路示意图。
具体实施方式
为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
参照图1，图1为本发明双向DC-DC变换器10第一实施例的电路示意图。在附图所示的实施例中，所述双向DC-DC变换器10包括逆变电路11、谐振电路12、变压器T1以及整流电路14，其中，所述谐振电路12包括第一电容C1、第一电感L1以及第二电感L2，所述第一电容C1的一端连接第一电感L1和第二电感L2的一端，所述第一电容C1和第二电感L2的另一端连接逆变电路11，且所述第二电容C2的该另一端和第一电感L1的另一端连接变压器T1的初级绕组，所述变压器T1的次级绕组连接整流电路14的输入侧，所述整流电路14的输出侧以及逆变电路11的输入侧分别作为该双向DC-DC变换器10的第一外接端和第二外接端，以连接负载和电源。优选地，所述第一电感L1和第二电感L2的电感量相同。
本实施例中，当能量正向流动时，双向DC-DC变换器10的第一外接端作为直流输入端，可外接电源，其第二外接端作为直流输出端，可外接负载；而当能量反向流动时，则双向DC-DC变换器10的第二外接端作为直流输入端，其第一外接端作为直流输出端。本发明双向DC-DC变换器10中的谐振电路12在能量正反向流动时的等效电路均为三元件谐振电路，正反向工作时均可实现软开关，损耗较小，解决了传统LLC谐振电路反向增益较小的问题，即在能量反向流动时可升压，可有效提升变换器的输出电压范围，实现宽电压范围输出，可适用于大功率电路。
在某些实施例中，所述逆变电路11包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3及第四开关管Q4共四个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，两个桥臂并联后其两端作为双向DC-DC变换器10的第一外接端，其中，所述第一开关管Q1和第二开关管Q2串联构成的桥臂的中点与第一电容C1连接，所述第三开关管Q3和第四开关管Q4串联构成的桥臂的中点与第二电感L2连接。可理解地，在某些其他实施例中，所述逆变电路11的两个桥臂中的一个桥臂还可以由两个电容组成，即可以用电容替换其中一个桥臂中的开关管，同样可实现逆变。
在附图所示的实施例中，所述整流电路14包括第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7及第八开关管Q8共四个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，两个桥臂并联后其两端作为双向DC-DC变换器10的第二外接端，其中，所述第五开关管Q5和第六开关管Q6串联构成的桥臂的中点以及第七开关管Q7和第八开关管Q8串联构成的桥臂的中点分别与所述变压器T1次级绕组的同名端和异名端连接。基于该设计，在能量正向流动时，所述整流电路14可将所述变压器T1周期性输出的电压波形进行整流，产生负载所需的工作电压。优选地，所述开关管选用MOS、IGBT或其他可控功率开关管，以实现更好的电路性能，在某些其他实施例中，在每一开关管上还可并联一二极管，若开关管选用MOS管，则在其漏极和源极之间并联一二极管，而若开关管选用IGBT管，则在其发射极和集电极之间并联一二极管。
进一步地，所述双向DC-DC变换器10还包括第一滤波电容C3和第二滤波电容C4，所述第一滤波电容C3两端连接至逆变电路11的输入侧，所述第二滤波电容C4两端连接至整流电路14的输出侧。
本实施例中，在能量正向传输时，通过控制第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4的开关频率来实现双向DC-DC变换器10的宽范围电压输出，且每个桥臂上的两个开关管互补导通，可实现电路软开关；能量反向传输时，谐振电路12的等效电路也为三元件谐振电路，因此，通过控制第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7和第八开关管Q8的开关频率可实现与正向传输时同样的宽范围电压输出，且每个桥臂上的两个开关管互补导通，可实现电路软开关。
参照图2，图2为本发明双向DC-DC变换器10第二实施例的电路示意图，本实施例与第一实施例的不同在于逆变电路11和谐振电路12的具体结构不同，其余电路结构相同或相似。本实施例中，所述逆变电路11包括两个电容和两个开关管，两个电容和两个开关管分别串联构成一个桥臂，每两个开关管串联构成一个桥臂，两个桥臂并联后其两端作为双向变换器10的第一外接端，具体地，包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第五电容C5和第六电容C6；而所述谐振电路12包括第一电感L1、第二电感L2以及第一电容C1，所述第一电容C1和第一电感L1的一端连接逆变电路11，如图所示，所述第一电容C1连接至第五电容C5和第六电容C6串联构成的桥臂的中点，所述第一电感L1连接至第一开关管Q1和第二开关管Q2串联构成的桥臂的中点，该第一电容C1和第一电感L1的另一端连接变压器T1的初级绕组，且所述第二电感L2的一端连接于第一电感L1与逆变电路11连接的一端，该第二电感L2的另一端连接第一电容C1与变压器T1连接的一端。本实施例电路工作过程和工作原理实质与第一实施例相似，同样可实现电路软开关，在能量反向流动时可升压，可有效提升变换器的输出电压范围，实现宽电压范围输出。
参照图3，图3为本发明双向DC-DC变换器10第三实施例的电路示意图，本实施例与第一实施例的不同在于逆变电路11的具体结构不同，其余电路结构相同或相似。本实施例中，所述逆变电路11为半桥结构，包括第一开关管Q1和第二开关管Q2共两个开关管，第一开关管Q1和第二开关管Q2串联构成一个桥臂，该桥臂两端作为双向DC-DC变换器10的第一外接端，所述第一电容C1连接至桥臂的中点，所述第二电感L2连接至桥臂的最下端。本实施例中的谐振电路12在能量正反向流通时损耗较小，同样可以有效提升变换器10的输出电压范围，实现宽电压范围输出。可理解地，在某些其他实施例中，所述第一电容C1可连接至桥臂的最上端，而第二电感L2可连接至桥臂中点，其电路工作过程和工作原理与本实施例相似，同样也可实现宽电压范围输出。
综上所述，本发明双向DC-DC变换器中的谐振电路在能量正反向流动时的等效电路均为三元件谐振电路，正反向工作时实现软开关，损耗较小，解决了传统LLC谐振电路反向增益较小的问题，即本发明双向DC-DC变换器在能量反向流动时可升压，可有效提升变换器的输出电压范围，实现宽电压范围输出。
以上所述仅为本发明的优选实施例，而非对本发明做任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双向DC-DC变换器，其特征在于：所述双向DC-DC变换器包括逆变电路、谐振电路、变压器以及整流电路，其中，所述谐振电路包括第一电感、第二电感以及第一电容，所述第一电容的一端连接第一电感和第二电感的一端，所述第一电容和第二电感的另一端连接逆变电路，且所述第二电感的该另一端和第一电感的另一端连接变压器的初级绕组，所述变压器的次级绕组连接整流电路的输入侧，所述整流电路的输出侧以及逆变电路的输入侧分别作为该双向DC-DC变换器的第二外接端和第一外接端。
2.如权利要求1所述的双向DC-DC变换器，其特征在于：所述逆变电路包括四个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，两个桥臂并联后其两端作为双向DC-DC变换器的第一外接端，所述第一电容和第二电感分别连接至两个桥臂的中点。
3.如权利要求1所述的双向DC-DC变换器，其特征在于：所述逆变电路包括两个电容和两个开关管，两个电容和两个开关管分别串联构成一个桥臂，两个桥臂并联后其两端作为双向DC-DC变换器的第一外接端，所述第一电容和第二电感分别连接至两个桥臂的中点。
4.如权利要求1所述的双向DC-DC变换器，其特征在于：所述逆变电路包括两个开关管，两个所述开关管串联构成一个桥臂，该桥臂两端作为双向DC-DC变换器的第一外接端，所述第一电容连接至桥臂的中点，所述第二电感连接至桥臂的最下端。
5.如权利要求1所述的双向DC-DC变换器，其特征在于：所述逆变电路包括两个开关管，两个所述开关管串联构成一个桥臂，该桥臂两端作为双向DC-DC变换器的第一外接端，所述第一电容连接至桥臂的最上端，所述第二电感连接至桥臂的中点。
6.如权利要求1所述的双向DC-DC变换器，其特征在于：所述整流电路包括四个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，两个桥臂并联后其两端作为双向DC-DC变换器的第二外接端，所述变压器次级绕组的同名端和异名端分别连接至两个桥臂的中点。
7.如权利要求1所述的双向DC-DC变换器，其特征在于：所述双向DC-DC变换器还包括第一滤波电容和第二滤波电容，所述第一滤波电容两端连接至逆变电路的输入侧，所述第二滤波电容两端连接至整流电路的输出侧。
8.一种双向DC-DC变换器，其特征在于：所述双向DC-DC变换器包括逆变电路、谐振电路、变压器以及整流电路，其中，所述谐振电路包括第一电感、第二电感以及第一电容，所述第一电容和第一电感的一端连接逆变电路，该第一电容和第一电感的另一端连接变压器的初级绕组，且所述第二电感的一端连接于第一电感与逆变电路连接的一端，该第二电感的另一端连接第一电容与变压器连接的一端，所述变压器的次级绕组连接整流电路的输入侧，所述整流电路的输出侧以及逆变电路的输入侧分别作为该双向DC-DC变换器的第二外接端和第一外接端。
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