一种双向变换器制造技术

技术编号:13831735 阅读:69 留言:0更新日期:2016-10-14 10:23
一种双向变换器,包括第一侧Vs、第二侧Vo,变压器B,功率管Q1、Q2上下管,二极管D1、D2上下管、D3,电容C1,负载RL2,以及功率管Q3、Q4,功率管Q1与D1并联后与原边串联,功率管Q3置于RL1与C1及D3组成的RCD吸收电路中,吸收原边漏感;功率管Q2与D2与副边组成双管反激电路,功率管Q4串于D2上管或下管的吸收电路中,吸收副边漏感能量,当Vs工作时,原来副边的漏感吸收电路通过正激消耗了电能,且工作电流极大,直接烧坏本侧功率管以及第2侧吸收二极管,因Q4关断而不再耗能,反之Vo侧工作时亦然,本电路具有电路简单,功耗低的特点,且当工作电压升高后,电路仍能良好工作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及DC-DC变换器,特别涉及能量双向流动的DC-DC变换器。
技术介绍
广义地说,凡用半导体功率器件作为开关,将一种电源形态转变为另一种形态的主电路都叫做开关变换器电路,简称变换器。开关电源的主要组成部分是DC-DC变换器。大部份变换器的能量是单向流动的,如手机充电器,多为反激变换器,把市电的能量整流为直流,再变换为通常为5V的低压向手机供电或充电。某些能量转换场合,希望能量可以双向流动,如储能系统,当市电供电充沛时,通过变换器把市电的能量变换为低压,储存在电池中,当市电供电不足时,变换器把电池的能量变换为市电,补充市电的供电不足。双向变换器的提出,源于人类对交流变压器的功能追随,交流变压器是一种双向的交流电压隔离器,它可以实现能量的双向流动,但是它无法直接对直流(DC)进行传输。电子工业出版社出版的《开关电源的原理与设计》第71页图3-14示出了一种双向变换器,该书ISBN号为7-121-00211-6,以下称为背景文献1。同页该图向下第5行也说明了:注意,当电流工作在不连续模式形式时,是不可能实现开关双向性的。为了方便,本申请把该书的图3-14作为本申请中图1呈现。本质上双侧为推挽式变换器对接,形成双向变换器。由于该书中所述的不足,图1示出的原始模型级的双向变换器,并没有实际使用。该书同页的图3-15示出了能量双向流动的Cuk变换器,为了方便,把该书的图3-15呈现在本申请中,参见图2,并修正了原图中的错误,修正或改动为:三极管T1的发射极和电源V的正极相连,给负载电阻增加了编号RL,给唯一的电容增加了编号C。图2中,负载电阻RL若换为另一个电源,就可以实现双向变换器,但不能实现隔离,目前用途很广,用于串联的电池组或超级电容组中,相邻单元的均衡,具有效率高,控制简单的优点,但是当电池组中非相邻的电池需要均衡时,能量逐级传递降低了总体效率,且任一电池单元电压欠压或超压时,要全部打开,才能实现均衡,整体效率并不高。反激变换器具有器件少,可靠性高的特点。申请号为201310558811.9,名为《蓄电池组双向无损均衡与脉冲活化系统》的专利技术申请,以下称为背景文献2,示出了利用反激变换器组成的双向变换器,由主开关管Q5、反激整流管Q6、以及反激变压器T3,检测电阻R3和R4组成,众所周知,背景文献2由于没有设置处理反激变换器变压器漏感的电路,是不能工作的,参见张兴柱博士所著的书号为ISBN978-7-5083-9015-4的《开关电源功率变换器拓扑与设计》第61页最后2行至62页的论述。申请号为201410724447.3,名为《双向无损主动均衡装置》的专利技术申请,以下称为背景文献3,示出了利用反激变换器组成的双向变换器就克服了背景文献2的不足,为了方便,本申请把背景文献3的图1呈现在本申请中,参见本申请的图3。可以看到,其单体侧设立了由二极管D1、电阻R1、电容C2组成的RCD吸收电路,其总体侧设立了由二极管D4、电
阻R3、电容C4组成的RCD吸收电路,图3中用于标记变压器B1的同名端黑点较小,望注意。RCD吸收电路的工作原理为公知技术,可参考上述的《开关电源功率变换器拓扑与设计》第67页“4.3RCD吸收反激变换器”一节。背景文献3的不足分析:以单体侧工作为例,当功率管Q1处于PWM开关状态时,即正常工作时,Q1饱和导通后,激磁电流的流动方向为:单体侧+→SW1→变压器B1的同名端,图3中B1的上端→变压器B1的异名端,图3中B1的下端→二极管D3→Q1集电极→Q1发射极→电流检测电阻R2→单体侧-,形成一个回路,此时,变压器B1的副边感应出上负、下正的感应电压,此刻,D5处于反偏不导通;Q1由导通转为截止时,变压器B1中的激磁电流不能消失,原流动方向为:原边的同名端流向异名端,变压器B1作为储能电感运行,该电流会出现在副边,流动方向仍是同名端流向异名端,B1的副边出现从下向上的电流,这时D5处于正向导通状态,能量从原边转移至副边,向总体侧充电,完成变换;此时,由于变压器B1存在漏感,漏感储存的能量由单体侧的D1、R1、C2组成的RCD吸收电路所吸收;背景文献3的不足:当Q1饱和导通时,变压器B1的副边感应出上负、下正的感应电压,这个电压让二极管D4导通,副边的RCD电路吸收电路参与了工作,R3消耗了能量。副边的RCD电路本意是用来吸收Q2处于开关状态时漏感储存的能量。同样,当总体侧工作时,Q2饱和导通时,变压器B1的原边感应出上负、下正的感应电压,二极管D1导通,原边的RCD电路吸收电路参与了工作,R1消耗了能量。RCD电路吸收电路原来只是工作在反激变换器的功率管由饱和导通变为截止的瞬间,而在背景文献3中,在原边激磁时,副边的RCD吸收电路全程参与了工作,消耗的能量比较大,无法实现背景文献3所述的“无损”吸收。申请号为201610251403.2,名为《一种双向变换器》的专利技术申请,以下称为背景文献4,克服了背景文献3的不足,为了方便,本申请把背景文献4的技术方案对应的图4呈现在本申请中,参见本申请的图4。背景文献4存在的不足分析:以第一侧Vs处于PWM为例,即通过P1端口施加PWM信号给Q1的栅极,功率管Q1饱和导通后,激磁电流的流动方向为:第一侧Vs+→变压器B的同名端,即图4中变压器B的原边绕组Np的上端→变压器B的异名端,图4中变压器B的原边绕组Np的下端→第一功率管Q1的漏极D→第一功率管Q1的源极S→第一侧Vs-,形成一个回路,此时,利用同名端的关系可知,变压器B的副边绕组Ns感应出上负、下正的感应电压,称为“副边绕组Ns感应电压”,此刻,第二二极管D2处于反偏不导通。副边绕组Ns感应电压等于:(Ns/Np)Vs。匝比乘上第一侧的工作电压,第一侧的工作电压的变化范围较大,如用于锂电的均衡充电中,Vs的工作范围则为3.0V至4.20V,变化达40%,若匝比为10。那么背景文献4中,为了正常工作,稳压二极管W2的稳压值大于副边绕
组Ns感应电压的最大值4.2V*10=42V,才能保证良好工作,当第二侧Vo需要工作时,处于PWM的开关状态,这时D4、C2、R2、W2组成的RCD吸收电路,其吸收电压过高,Q2的漏极在同样的时间,要从更高的电压降为0V,即dU/dt更大了,电磁辐射也会更大,背景文献4存在的不足:Q2的耐压要高,高耐压的MOS管做成同样的通态内阻,其成本大幅升高;EMI较差;特别在输入电压工作范围较宽时,缺点更明显。同样Q1也存在这个问题。RCD吸收电路最终也浪费了漏感的能量,引发效率下降。当然,这让人自然想到,第一侧和第二侧都使用双管反激电路组成双向变换器,双管反激使用了两只二极管回收了漏感能量,是不是就可以解决问题了?双管反激电路在所述的参考文献第72页有述,叫二极管吸收双反激变换器,简称为双管反激电路。图5直接示出了这个构想,由对称的第1侧和第2侧组成,原理图对称,但器件的参数可能各不相同,以适应不同的工作电压,第1侧由功率管Q1s上管与Q1x下管,以及两个续流二极管组成,分别为二极管D1s、D1x,其中器件编号中,数字后的s列示上管,x表示下管,为拼音的第一个字母;注意,为了图面简洁,图中没有画出与4只功率管分别并联的整流二极本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种双向变换器,至少包括第一侧、第二侧,一只变压器,第一功率管、第二功率管上管、第二功率管下管、第一二极管、第二二极管上管、第二二极管下管,第三二极管、第一电容、第一负载,连接关系为:所述的第一功率管的源极与所述的第一二极管的阳极连接,并形成第一侧的输入负,所述的第一功率管的漏极与所述的第一二极管的阴极连接并形成第一连接点,所述的第一连接点还连接所述的变压器的原边绕组的异名端,所述的第一负载与所述的第一电容并联,并联后的一端连接所述的变压器的原边绕组的同名端,并形成第一侧的输入正,并联后的另一端形成第二连接点;所述的第二功率管上管的漏极连接第二侧的输入正,连接点还连接所述的第二二极管上管的阴极;所述的第二功率管上管的源极连接所述的变压器的副边绕组的异名端;所述的变压器的副边绕组的同名端连接所述的第二功率管下管的漏极,连接点同时连接所述的第二二极管上管的阳极;所述的第二功率管下管的源极连接第二侧的输入负;其特征是:还包括第三功率管、第四功率管,所述的第三功率管与所述的第三二极管串联,串联的方式为以下两种之一:(1)所述的第三功率管的漏极连接所述的第三二极管的阴极,所述的第三二极管的阳极连接所述的第一连接点,所述的第三功率管的源极连接所述的第二连接点;(2)所述的第三功率管的源极连接所述的第三二极管的阳极,所述的第三二极管的阴极连接所述的第二连接点,所述的第三功率管的漏极连接所述的第一连接点;所述的第四功率管与所述的第二二极管下管串联,串联的方式为以下两种之一:(1)所述的第四功率管的源极连接所述的第二二极管下管的阳极,所述的第二二极管下管的阴极连接所述的第二功率管上管的源极,所述的第四功率管的漏极连接所述的第二侧的输入负;(2)所述的第四功率管的漏极连接所述的第二二极管下管的阴极,所述的第二二极管下管的阳极连接所述的第二侧的输入负,所述的第四功率管的源极连接所述的第二功率管上管的源极;所述的第一侧的第一功率管处于PWM工作状态时,即能量从所述的第一侧向所述的第二侧转移时,所述的第三功率管的栅极至源极处于高电平状态,所述的第三功率管处于饱和导通状态,同时,所述的第四功率管的栅极至源极处于低电平状态,所述的第四功率管处于关断状态;或者:所述的第二侧的第二功率管上管和下管同步处于PWM工作状态时,即能量从所述的第二侧向第一侧转移时,所述的第四功率管的栅极至源极处于高电平状态,所述的第四功率管处于饱和导通状态,同时,所述的第三功率管的栅极至源极处于低电平状态,所述的第三功率管处于关断状态。...

【技术特征摘要】
1.一种双向变换器,至少包括第一侧、第二侧,一只变压器,第一功率管、第二功率管上管、第二功率管下管、第一二极管、第二二极管上管、第二二极管下管,第三二极管、第一电容、第一负载,连接关系为:所述的第一功率管的源极与所述的第一二极管的阳极连接,并形成第一侧的输入负,所述的第一功率管的漏极与所述的第一二极管的阴极连接并形成第一连接点,所述的第一连接点还连接所述的变压器的原边绕组的异名端,所述的第一负载与所述的第一电容并联,并联后的一端连接所述的变压器的原边绕组的同名端,并形成第一侧的输入正,并联后的另一端形成第二连接点;所述的第二功率管上管的漏极连接第二侧的输入正,连接点还连接所述的第二二极管上管的阴极;所述的第二功率管上管的源极连接所述的变压器的副边绕组的异名端;所述的变压器的副边绕组的同名端连接所述的第二功率管下管的漏极,连接点同时连接所述的第二二极管上管的阳极;所述的第二功率管下管的源极连接第二侧的输入负;其特征是:还包括第三功率管、第四功率管,所述的第三功率管与所述的第三二极管串联,串联的方式为以下两种之一:(1)所述的第三功率管的漏极连接所述的第三二极管的阴极,所述的第三二极管的阳极连接所述的第一连接点,所述的第三功率管的源极连接所述的第二连接点;(2)所述的第三功率管的源极连接所述的第三二极管的阳极,所述的第三二极管的阴极连接所述的第二连接点,所述的第三功率管的漏极连接所述的第一连接点;所述的第四功率管与所述的第二二极管下管串联,串联的方式为以下两种之一:(1)所述的第四功率管的源极连接所述的第二二极管下管的阳极,所述的第二二极管下管的阴极连接所述的第二功率管上管的源极,所述的第四功率管的漏极连接所述的第二侧的输入负;(2)所述的第四功率管的漏极连接所述的第二二极管下管的阴极,所述的第二二极管下管的阳极连接所述的第二侧的输入负,所述的第四功率管的源极连接所述的第二功率管上管的源极;所述的第一侧的第一功率管处于PWM工作状态时,即能量从所述的第一侧向所述的第二侧转移时,所述的第三功率管的栅极至源极处于高电平状态,所述的第三功率管处于饱和导通状态,同时,所述的第四功率管的栅极至源极处于低电平状态,所述的第四功率管处于关断状态;或者:所述的第二侧的第二功率管上管和下管同步处于PWM工作状态时,即能量从所述的第二侧向第一侧转移时,所述的第四功率管的栅极至源极处于高电平状态,所述的第四功率管处于饱和导通状态,同时,所述的第三功率管的栅极至源极处于低电平状态,所述的第三功率管处于关断状态。2.一种双向变换器,至少包括第一侧、第二侧,一只变压器,第一功率管、第二功率管上管、第二功率管下管、第一二极管、第二二极管上管、第二二极管下管,第三二极管、第一电容、第一负载,连接关系为:所述的第一功率管的源极与所述的第一二极管的阳极连接,并形成所述的第一侧的输入负,所述的第一功率管的漏极与所述的第一二极管的阴...

【专利技术属性】
技术研发人员:王保均尹向阳
申请(专利权)人:广州金升阳科技有限公司
类型:发明
国别省市:广东;44

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