CN115296536A - 一种双向dc-dc变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双向DC‑DC变换器，属于电源领域。本发明的变换器由主电路和控制器组成。主电路采用的是四开关变换器，包括四个MOS管Q1、Q2、Q3、Q4，电容C1、C2，电感L和电池B，控制器包括比较器、主处理器、PWM模块、第一反相器、第二反相器、第一死区模块和第二死区模块。本发明克服了现有双向DC‑DC变换器直流母线电压必须高于电池电压的缺陷，在母线电压低于电池电压时有多种工作模式进行应对，降压放电模式时能在受控的情况下向直流母线传输能量，避免电池过放；引入反相器，实际控制的驱动信号只有两路，和现有的双向DC‑DC变换器驱动信号数量一致，驱动没有复杂化；具有同步整流功能，与使用体二极管续流相比，损耗降低，发热减小。
Description
技术领域
本发明属于电源领域，具体涉及一种双向DC-DC变换器。
背景技术
双向DC-DC变换器能实现能量的双向流动，广泛应用于多种场景中，如储能电池的充放电，UPS电源等。
目前传统的双向DC-DC变换器拓扑如图1所示，C1、C2是电容，Q1、Q2是MOS管，L是电感，B是电池。
当Q1工作，Q2始终处于关断状态，Q2的体二极管作为续流二极管时，双向DC-DC变换器等效为一个Buck变换器，如图2所示，直流母线的电压降压输送到电池，能量从左侧到右侧降压传输。
当Q1始终处于关断状态，Q2工作，Q1的体二极管作为续流二极管时，双向DC-DC变换器等效为一个Boost变换器，如图3所示，电池的电压升压输送到直流母线，能量从右侧到左侧升压传输。
传统双向DC-DC变换器虽然能实现能量双向流动，但直流母线电压必须高于电池电压，而在一些场合，会出现母线电压低于电池电压的情况，此时传统双向DC-DC变换器不能对电池进行充电，并且由于Q1体二极管的存在，电池能量会不受控的向直流母线传输且不能从直流母线中切断，造成电池过放。因此需要一种新的双向DC-DC变换器。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提供一种双向DC-DC变换器，以解决传统双向DC-DC变换器只能在直流母线电压高于电池电压时工作的缺陷。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种双向DC-DC变换器，该变换器由主电路和控制器组成；主电路采用的是四开关变换器，包括四个MOS管Q1、Q2、Q3、Q4，电容C1、C2，电感L和电池B，控制器包括比较器、主处理器、PWM模块、第一反相器、第二反相器、第一死区模块和第二死区模块；
直流母线的正极连接电容C1的正极，直流母线的负极连接电容C1的负极；
MOS管Q1的漏级连接直流母线的正极，源级连接电感L的一端和MOS管Q2的漏级，MOS管Q2的源级连接直流母线的负极、MOS管Q3的源级、电容C2的一端及电池B的负极；电感L的另一端连接MOS管Q3的漏级和MOS管Q4的源级，MOS管Q4的漏级连接电容C2的另一端及电池B的正极；
直流母线电压和电池B电压的电压采样信号送入比较器，主处理器连接比较器，根据比较器的比较结果并结合其他采样信号选择合适的工作模式，将控制信号送入PWM模块；PWM模块输出第一驱动信号和第二驱动信号；
第一驱动信号被PWM模块送入第一死区模块和第一反相器，第一反相器将第一驱动信号反相获得第一反相驱动信号，第一反相驱动信号被送入第一死区模块，第一死区模块生成增加死区后的第一驱动信号和第一反相驱动信号；增加死区后的第一驱动信号连接到Q2的栅极，增加死区后的第一反相驱动信号连接到Q1的栅极；
第二驱动信号被PWM模块送入第二死区模块和第二反相器，第二反相器将第二驱动信号反相获得第二反相驱动信号，第二反相驱动信号被送入第二死区模块，第二死区模块生成增加死区后的第二驱动信号和第二反相驱动信号；增加死区后的第二驱动信号连接到Q3的栅极，增加死区后的第二反相驱动信号连接到Q4的栅极。
进一步地，反相器使Q1与Q2，Q3与Q4驱动信号反相。
进一步地，控制器由DSP或其他数字控制器实现。
进一步地，该变换器包括6个工作模式，分别是降压充电模式、升压充电模式、降压放电模式、升压放电模式、断路模式和直通模式。
进一步地，该变换器工作在降压充电模式时，直流母线电压高于电池电压，直流母线为电池充电；控制方法是Q3保持关断，Q4保持开通，Q1作为等效Buck电路的开关管工作，Q2驱动与Q1反相实现同步整流，Q2为电流提供续流回路。
进一步地，该变换器工作在升压充电模式时，直流母线电压低于电池电压，直流母线为电池充电；Q1保持开通，Q2保持关断，Q3作为等效Boost电路的开关管工作，Q4驱动与Q3反相实现同步整流，Q4为电流提供续流回路。
进一步地，该变换器工作在降压放电模式时，直流母线电压低于电池电压，电池向直流母线放电；Q1保持开通，Q2保持关断，Q4作为等效Buck电路的开关管工作，Q3驱动与Q4反相实现同步整流，Q3为电流提供续流回路。
进一步地，该变换器工作在升压放电模式时，直流母线电压高于电池电压，电池向直流母线放电；Q3保持关断，Q4保持开通，Q2作为等效Boost电路的开关管工作，Q1驱动与Q2反相实现同步整流，Q1为电流提供续流回路。
进一步地，该变换器工作在断路模式时，直流母线电压高于或低于电池电压；Q1和Q4关断，此时电池从直流母线中切断。
进一步地，该变换器工作在直通模式时，直流母线与电池直接相连，Q1、Q4保持开通，Q2、Q3保持关断，直流母线和电池直连。
(三)有益效果
本发明提出一种双向DC-DC变换器，本发明提出的技术方案实现了双向升降压功能，具有以下优点:
1、克服了现有双向DC-DC变换器直流母线电压必须高于电池电压的缺陷，在母线电压低于电池电压时有多种工作模式进行应对：工作在升压充电模式时仍能对电池进行充电；工作在降压放电模式时能在受控的情况下向直流母线传输能量；工作在断路模式能切断电池和直流母线的连接；工作在直通模式，直流母线和电池直接连通(一般不使用此模式)。
2、断路模式可以在直流母线或电池故障时切断回路实现保护功能。
3、降压放电模式时能在母线电压低于电池电压时在受控的情况下向直流母线传输能量，避免电池过放。
4、引入反相器，实际控制的驱动信号只有两路，和现有的双向DC-DC变换器驱动信号数量一致，驱动没有复杂化。
5、具有同步整流功能，与使用体二极管续流相比，损耗降低，发热减小。
附图说明
图1为传统双向DC-DC变换器拓扑；
图2为传统的等效Buck变换器；
图3为传统的等效Boost变换器；
图4为本发明的双向DC-DC变换器控制框图；
图5为本发明的降压充电模式等效Buck变换器及驱动波形；
图6为本发明的升压充电模式等效Boost变换器及驱动波形；
图7为本发明的降压放电模式等效Buck变换器及驱动波形；
图8为本发明的升压放电模式等效Boost变换器及驱动波形；
图9为本发明的断路模式驱动波形；
图10为本发明的直通模式等效拓扑及驱动波形；
图11为本发明的死区示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明的目的是提出一种新型双向DC-DC变换器控制方法，能够实现双向升降压的功能，在直流母线电压高于电池电压或低于电池电压时均能工作，解决了传统双向DC-DC变换器只能在直流母线电压高于电池电压时工作的缺陷。
图4是提出的新型双向DC-DC变换器的控制框图，由主电路和控制器组成。主电路采用的是四开关变换器，包括四个MOS管Q1、Q2、Q3、Q4，电容C1、C2，电感L和电池B，控制器包括比较器、主处理器、PWM模块、第一反相器、第二反相器、第一死区模块和第二死区模块。
其中，
直流母线的正极连接电容C1的正极，直流母线的负极连接电容C1的负极；
MOS管Q1的漏级连接直流母线的正极，源级连接电感L的一端和MOS管Q2的漏级，MOS管Q2的源级连接直流母线的负极、MOS管Q3的源级、电容C2的一端及电池B的负极；电感L的另一端连接MOS管Q3的漏级和MOS管Q4的源级，MOS管Q4的漏级连接电容C2的另一端及电池B的正极；
直流母线电压和电池B电压的电压采样信号送入比较器，主处理器根据比较器的比较结果并结合其他采样信号选择合适的工作模式，将控制信号送入PWM模块；PWM模块输出第一驱动信号和第二驱动信号；
第一驱动信号被PWM模块送入第一死区模块和第一反相器，第一反相器将第一驱动信号反相获得第一反相驱动信号，第一反相驱动信号被送入第一死区模块，第一死区模块生成增加死区后的第一驱动信号和第一反相驱动信号；增加死区后的第一驱动信号连接到Q2的栅极，增加死区后的第一反相驱动信号连接到Q1的栅极；
第二驱动信号被PWM模块送入第二死区模块和第二反相器，第二反相器将第二驱动信号反相获得第二反相驱动信号，第二反相驱动信号被送入第二死区模块，第二死区模块生成增加死区后的第二驱动信号和第二反相驱动信号；增加死区后的第二驱动信号连接到Q3的栅极，增加死区后的第二反相驱动信号连接到Q4的栅极。
反相器用于使Q1与Q2，Q3与Q4驱动信号反相。
增加死区前后的波形如图11所示，死区模块可以避免驱动信号反相的两路MOS管短暂同时导通造成直流母线端或电池端短路。
此控制器可由DSP或其他数字控制器实现。
本发明的双向DC-DC变换器共有6个工作模式，分别是降压充电模式、升压充电模式、降压放电模式、升压放电模式、断路模式、直通模式。
图5是工作在降压充电模式时等效Buck变换器拓扑及驱动波形，直流母线电压高于电池电压，直流母线为电池充电。控制方法是Q3保持关断，Q4保持开通，Q1作为等效Buck电路的开关管工作，Q2驱动与Q1反相实现同步整流，Q2为电流提供续流回路，与直接从MOS管的体二极管续流相比损耗更低、发热更小。
图6是工作在升压充电模式时等效Boost变换器拓扑及驱动波形，直流母线电压低于电池电压，直流母线为电池充电。Q1保持开通，Q2保持关断，Q3作为等效Boost电路的开关管工作，Q4驱动与Q3反相实现同步整流，Q4为电流提供续流回路，与直接从MOS管的体二极管续流相比损耗更低、发热更小。
图7是工作在降压放电模式时等效Buck变换器拓扑及驱动波形，直流母线电压低于电池电压，电池向直流母线放电。Q1保持开通，Q2保持关断，Q4作为等效Buck电路的开关管工作，Q3驱动与Q4反相实现同步整流，Q3为电流提供续流回路，与直接从MOS管的体二极管续流相比损耗更低、发热更小。
图8是工作在升压放电模式时等效Bosst变换器拓扑及驱动波形，直流母线电压高于电池电压，电池向直流母线放电。Q3保持关断，Q4保持开通，Q2作为等效Boost电路的开关管工作，Q1驱动与Q2反相实现同步整流，Q1为电流提供续流回路，与直接从MOS管的体二极管续流相比损耗更低、发热更小。
图9是工作在断路模式时驱动波形，在直流母线电压高于或低于电池电压时均可使用此模式，此模式由Q1和Q4关断实现，此时电池从直流母线中切断。在电池或直流母线出现故障时可实现保护功能。
图10是工作在直通模式时等效拓扑及驱动波形，此时直流母线与电池直接相连，此时，Q1、Q4保持开通，Q2、Q3保持关断，直流母线和电池直连,一般不使用此模式。
本发明提出的技术方案实现了双向升降压功能，具有以下优点。
1、克服了现有双向DC-DC变换器直流母线电压必须高于电池电压的缺陷，在母线电压低于电池电压时有多种工作模式进行应对：工作在升压充电模式时仍能对电池进行充电；工作在降压放电模式时能在受控的情况下向直流母线传输能量；工作在断路模式能切断电池和直流母线的连接；工作在直通模式，直流母线和电池直接连通(一般不使用此模式)。
2、断路模式可以在直流母线或电池故障时切断回路实现保护功能。
3、降压放电模式时能在母线电压低于电池电压时在受控的情况下向直流母线传输能量，避免电池过放。
4、引入反相器，实际控制的驱动信号只有两路，和现有的双向DC-DC变换器驱动信号数量一致，驱动没有复杂化。
5、具有同步整流功能，与使用体二极管续流相比，损耗降低，发热减小。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种双向DC-DC变换器，其特征在于，该变换器由主电路和控制器组成；主电路采用的是四开关变换器，包括四个MOS管Q1、Q2、Q3、Q4，电容C1、C2，电感L和电池B，控制器包括比较器、主处理器、PWM模块、第一反相器、第二反相器、第一死区模块和第二死区模块；
直流母线的正极连接电容C1的正极，直流母线的负极连接电容C1的负极；
MOS管Q1的漏级连接直流母线的正极，源级连接电感L的一端和MOS管Q2的漏级，MOS管Q2的源级连接直流母线的负极、MOS管Q3的源级、电容C2的一端及电池B的负极；电感L的另一端连接MOS管Q3的漏级和MOS管Q4的源级，MOS管Q4的漏级连接电容C2的另一端及电池B的正极；
直流母线电压和电池B电压的电压采样信号送入比较器，主处理器连接比较器，根据比较器的比较结果并结合其他采样信号选择合适的工作模式，将控制信号送入PWM模块；PWM模块输出第一驱动信号和第二驱动信号；
第一驱动信号被PWM模块送入第一死区模块和第一反相器，第一反相器将第一驱动信号反相获得第一反相驱动信号，第一反相驱动信号被送入第一死区模块，第一死区模块生成增加死区后的第一驱动信号和第一反相驱动信号；增加死区后的第一驱动信号连接到Q2的栅极，增加死区后的第一反相驱动信号连接到Q1的栅极；
第二驱动信号被PWM模块送入第二死区模块和第二反相器，第二反相器将第二驱动信号反相获得第二反相驱动信号，第二反相驱动信号被送入第二死区模块，第二死区模块生成增加死区后的第二驱动信号和第二反相驱动信号；增加死区后的第二驱动信号连接到Q3的栅极，增加死区后的第二反相驱动信号连接到Q4的栅极。
2.如权利要求1所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，反相器使Q1与Q2，Q3与Q4驱动信号反相。
3.如权利要求1所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，控制器由DSP或其他数字控制器实现。
4.如权利要求1-3任一项所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，该变换器包括6个工作模式，分别是降压充电模式、升压充电模式、降压放电模式、升压放电模式、断路模式和直通模式。
5.如权利要求4所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，该变换器工作在降压充电模式时，直流母线电压高于电池电压，直流母线为电池充电；控制方法是Q3保持关断，Q4保持开通，Q1作为等效Buck电路的开关管工作，Q2驱动与Q1反相实现同步整流，Q2为电流提供续流回路。
6.如权利要求4所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，该变换器工作在升压充电模式时，直流母线电压低于电池电压，直流母线为电池充电；Q1保持开通，Q2保持关断，Q3作为等效Boost电路的开关管工作，Q4驱动与Q3反相实现同步整流，Q4为电流提供续流回路。
7.如权利要求4所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，该变换器工作在降压放电模式时，直流母线电压低于电池电压，电池向直流母线放电；Q1保持开通，Q2保持关断，Q4作为等效Buck电路的开关管工作，Q3驱动与Q4反相实现同步整流，Q3为电流提供续流回路。
8.如权利要求4所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，该变换器工作在升压放电模式时，直流母线电压高于电池电压，电池向直流母线放电；Q3保持关断，Q4保持开通，Q2作为等效Boost电路的开关管工作，Q1驱动与Q2反相实现同步整流，Q1为电流提供续流回路。
9.如权利要求4所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，该变换器工作在断路模式时，直流母线电压高于或低于电池电压；Q1和Q4关断，此时电池从直流母线中切断。
10.如权利要求4所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，该变换器工作在直通模式时，直流母线与电池直接相连，此时，Q1、Q4保持开通，Q2、Q3保持关断。
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