[发明专利]一种双向DC-DC变换器

摘要

本发明提出了一种双向DC‑DC拓扑结构，以及基于该结构的双向DC‑DC变换器，该变换器包括耦合电感L、变压器T和开关管Q1、Q2、Q3，二极管D1、D2、D3、D4；其中电感L的两个绕组Lc1和Lc2具有相同匝比，其电感量为Lc，变压器的两个绕组也具有相同匝比。本发明可应用在PCU中作为BCDR，亦可应用在所有的电池、电容等需要进行充放电的领域，其具有四种工作状态：放电工作状态，放电状态切换到充电状态，充电工作状态，充电状态切换到放电状态。该双向拓扑正反向的数值模型均是二阶最小相位系统，使得该双向变换器易于并联控制，双向变换器在充放电过程中共用同一个耦合电感，二阶最小相位系统和共用同一个耦合电感一起作用，因此本发明具备能量双向高频切换能力。

主权项

1.一种双向DC‑DC 变换器，其特征在于：所述变换器包括耦合电感L、变压器T 和开关管Q1、Q2、Q3，二极管D1、D2、D3、D4；其中，耦合电感L 由两个绕组Lc1 和Lc2 构成；绕组Lc1 的同名端与电池相连，绕组Lc1 的异名端与绕组Lc2 的同名端相连，绕组Lc2 的异名端与二极管D1的正极相连，D1 的负极与母线（Vbus）相连，二极管D4 的负极与D1 的正极相连，D4 的正极接地；变压器T 的原边T1 的同名端与绕组Lc2 的同名端相连，T1 的异名端与开关管Q1 的漏极相连，开关管的Q1 源极接地；变压器T 的副边T2 的异名端与绕组Lc2 的同名端相连，T2 的同名端与开关管Q2 的漏极相连，开关管Q2 的源极接地；二极管D2 的正极与开关管Q2 的漏极相连，D2 的负极与D1 的负极相连，二极管D3 的正极与开关管Q1 的漏极相连，D3 的负极与D1 的负极相连；开关管Q3 的源极与D1 的正极相连，Q3 的漏极与D1 的负极相连；开关管Q1、Q2、Q3的栅极输入PWM 控制信号，所述耦合电感L 的两个绕组Lc1 和Lc2 具有相同的匝比，其电感量为Lc，变压器的两个绕组也具有相同的匝比；所述二极管D1 利用Q3 的源漏间寄生的反向二极管来实现，所述双向DC‑DC变换器具有四种工作状态：放电工作状态，放电状态切换到充电状态，充电工作状态，充电状态切换到放电状态，在放电工作状态时，开关管Q1、Q2 工作在相移为180°的PWM 状态，每只开关管的PWM 占空比在0~50%之间调节，二极管D1、D2、D3 工作在截止或续流导通状态，Q3 和D4 不工作，在放电状态切换到充电状态时，开关管Q1 和Q2 关闭，Q3 工作在直通状态，二极管D1、D2、D3、D4 和变压器T 均不工作；耦合电感电流由放电电流值ID 续流到0，之后继续反向充电储能，达到充电电流值IC，之后Q3 受闭环控制工作在PWM 状态，维持充电电流恒定在充电电流值IC，在充电工作状态时，开关管Q3 工作在PWM 波状态，开关周期为Tc，占空比Dc_on 在0~100%之间调节，二极管D4 工作在截止或续流导通状态，Q1、Q2、D1、D2、D3和变压器T 均不工作，在充电状态切换到放电状态时，开关管Q3 立即关闭，二极管D4 续流导通，直到耦合电感续流到电流为0，在此期间开关管Q1 和Q2、二极管D1、D2、D3 和变压器T均不工作；然后，Q1 和Q2 立即工作在最大占空比情况下，忽略Q1 和Q2 工作的PWM 波的占空比之间的死区，则两个开关管轮流给绕组Lc1 支路进行充电，直到该绕组Lc1支路电流达到2 倍放电电流值2·ID；之后，Q1 和Q2 受闭环控制工作在PWM 调节状态，维持放电电流恒定在放电电流值ID。