雙向dc-dc變換器及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種雙向DC?DC變換器及其控制方法，所述雙向DC?DC變換器包括：包括可充電電池和變壓器的全橋變換器或推挽變換器；第一繞組；第二繞組；可控單向?qū)щ娧b置；整流濾波電路；相連的第一電容和第二電容；相連的第一開關(guān)管和第二開關(guān)管；以及開關(guān)裝置。所述開關(guān)裝置用于在放電模式中使得所述整流濾波電路與所述第一電容和第二電容構(gòu)成放電路徑，以及在充電模式中使得所述第一電容、第二電容、第一開關(guān)管和第二開關(guān)管構(gòu)成對所述可充電電池進(jìn)行充電的半橋逆變器。本發(fā)明的雙向DC?DC變換器成本低。
【專利說明】
雙向DC-DC變換器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電力電子領(lǐng)域，具體涉及一種雙向DC-DC變換器及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]雙向DC-DC變換器是一種能夠根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)能量雙向傳輸?shù)闹绷髯儞Q器。其在不間斷電源系統(tǒng)、航空電源系統(tǒng)、蓄電池儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車和混合能源動(dòng)力汽車等場合得到了廣泛應(yīng)用。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)采用圖1、圖2或圖3所示的DC-DC變換器和充電器15 (在圖1_3中僅以方框示出)在不間斷電源系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)可充電電池B和直流母線(圖1-3中未示出)中的電能的雙向傳輸。圖1-3中的DC-DC變換器都包括整流濾波電路12、串聯(lián)的電容Cl和電容C2。區(qū)別在于圖1、2和3分別還包括推挽變換器11、全橋變換器21和半橋變換器41。推挽變換器11、全橋變換器21和半橋變換器41都是現(xiàn)有技術(shù)中將直流轉(zhuǎn)換為交流的經(jīng)典電路，其具體結(jié)構(gòu)在此不再贅述。
[0004]如圖1-3所示，整流濾波電路12包括全橋整流電路和連接在全橋整流電路的輸出端的濾波電感，整流濾波電路12的輸入端連接至變壓器Tr的二次側(cè)，且輸出端連接至串聯(lián)的電容Cl、C2的兩端。電容Cl、C2的中間節(jié)點(diǎn)連接至變壓器Tr的二次側(cè)的中心抽頭。
[0005]推挽變換器11、全橋變換器21或半橋變換器41工作時(shí)將可充電電池B的直流電轉(zhuǎn)換為升壓的交流電輸出；整流濾波電路12將交流電經(jīng)過整流和濾波后輸出至電容C1、C2上，從而實(shí)現(xiàn)了將可充電電池B中的直流電升壓為所需的直流電。充電器15工作時(shí)利用電容C1、C2中的電能對可充電電池B進(jìn)行充電。
[0006]但是，由DC-DC變換器和充電器15構(gòu)成的雙向DC-DC變換器所使用的元器件數(shù)目多、成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種元器件數(shù)目少、成本低的雙向DC-DC
變換器。
[0008]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種雙向DC-DC變換器，包括:
[0009]全橋變換器或推挽變換器，其包括可充電電池和變壓器，所述變壓器的一次側(cè)包括第一端子和第二端子；
[0010]第一繞組，所述第一繞組的一個(gè)端子電連接至所述第一端子；
[0011]第二繞組，所述第二繞組的一個(gè)端子電連接至所述第二端子；
[0012]可控單向?qū)щ娧b置，用于在放電模式中斷開所述可充電電池的負(fù)極與所述第一繞組的另一端子和第二繞組的另一端子的電連接，以及在充電模式中形成從所述可充電電池的負(fù)極到所述第一繞組的另一端子的單向?qū)щ娐窂揭约皬乃隹沙潆婋姵氐呢?fù)極到所述第二繞組的另一端子的單向?qū)щ娐窂剑?br>[0013]與所述變壓器的二次側(cè)相連的整流濾波電路；
[0014]相連的第一電容和第二電容；
[0015]相連的第一開關(guān)管和第二開關(guān)管；以及
[0016]開關(guān)裝置，用于在放電模式中使得所述整流濾波電路與所述第一電容和第二電容構(gòu)成放電路徑，以及在充電模式中使得所述第一電容、第二電容、第一開關(guān)管和第二開關(guān)管構(gòu)成對所述可充電電池進(jìn)行充電的半橋逆變器。
[0017]優(yōu)選的，所述可控單向?qū)щ娧b置包括第一二極管、第二二極管和充電開關(guān)，所述第一二極管的陽極和第二二極管的陽極相連接的節(jié)點(diǎn)通過所述充電開關(guān)連接至所述可充電電池的負(fù)極。
[0018]優(yōu)選的，所述雙向DC-DC變換器還包括與所述充電開關(guān)串聯(lián)的電感。
[0019]優(yōu)選的，所述雙向DC-DC變換器還包括與所述第一開關(guān)管和第二開關(guān)管的節(jié)點(diǎn)電連接的電容，用于隔離所述半橋逆變器的輸出端的直流分量。
[0020]優(yōu)選的，所述開關(guān)裝置可選擇地使得所述整流濾波電路的輸出端或由所述第一開關(guān)管和第二開關(guān)管構(gòu)成的橋臂的兩端連接至所述相連的第一電容和第二電容的兩端。
[0021]優(yōu)選的，所述開關(guān)裝置可選擇地使得所述變壓器的二次側(cè)連接至所述整流濾波電路的輸入端或使得所述變壓器的二次側(cè)的部分繞組連接至所述半橋逆變器的輸出端。
[0022]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種雙向DC-DC變換器的控制方法，控制所述可控單向?qū)щ娧b置以斷開所述可充電電池的負(fù)極與所述第一繞組的另一端子和第二繞組的另一端子的電連接，控制所述開關(guān)裝置使得整流濾波電路與所述第一電容和第二電容構(gòu)成放電路徑，控制所述全橋變換器或推挽變換器工作。
[0023]本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例提供了一種雙向DC-DC變換器的控制方法，控制所述可控單向?qū)щ娧b置形成從所述可充電電池的負(fù)極到所述第一繞組的另一端子的單向?qū)щ娐窂揭约皬乃隹沙潆婋姵氐呢?fù)極到所述第二繞組的另一端子的單向?qū)щ娐窂?，控制所述開關(guān)裝置使得所述第一電容、第二電容、第一開關(guān)管和第二開關(guān)管構(gòu)成對所述可充電電池進(jìn)行充電的半橋逆變器，控制所述半橋逆變器工作。
[0024]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了另一種雙向DC-DC變換器，包括:
[0025]半橋變換器，其包括可充電電池、第一充電電容、第二充電電容、兩個(gè)開關(guān)管和變壓器，所述變壓器的一次側(cè)包括與所述兩個(gè)開關(guān)管的節(jié)點(diǎn)電連接的第一端子和與所述第一充電電容和第二充電電容的節(jié)點(diǎn)電連接的第二端子；
[0026]繞組，所述繞組的一個(gè)端子連接至所述第一端子；
[0027]可控單向?qū)щ娧b置，用于在放電模式中斷開所述繞組的另一端子與所述可充電電池的正極和負(fù)極的電連接，以及在充電模式中形成從所述繞組的另一端子到所述可充電電池的正極的單向?qū)щ娐窂揭约皬乃隹沙潆婋姵氐呢?fù)極到所述繞組的另一端子的單向?qū)щ娐窂剑?br>[0028]與所述變壓器的二次側(cè)相連的整流濾波電路；
[0029]相連的第一電容和第二電容；
[0030]相連的第一開關(guān)管和第二開關(guān)管；以及
[0031]開關(guān)裝置，用于在放電模式中使得所述整流濾波電路與所述第一電容和第二電容構(gòu)成放電路徑，以及在充電模式中使得所述第一電容、第二電容、第一開關(guān)管和第二開關(guān)管構(gòu)成對所述可充電電池進(jìn)行充電的半橋逆變器。
[0032]優(yōu)選的，所述可控單向?qū)щ娧b置包括第一二極管、第二二極管和充電開關(guān)，所述第一二極管的陽極和第二二極管的陰極相連接的節(jié)點(diǎn)通過所述充電開關(guān)連接至所述繞組的另一端子，所述可充電電池的正極和負(fù)極分別連接至所述第一二極管的陰極和所述第二二極管的陽極。
[0033]優(yōu)選的，所述雙向DC-DC變換器還包括與所述充電開關(guān)串聯(lián)的電感。
[0034]優(yōu)選的，所述雙向DC-DC變換器還包括與所述第一開關(guān)管和第二開關(guān)管的節(jié)點(diǎn)電連接的電容，用于隔離所述半橋逆變器的輸出端的直流分量。
[0035]優(yōu)選的，所述開關(guān)裝置可選擇地使得所述整流濾波電路的輸出端或由所述第一開關(guān)管和第二開關(guān)管構(gòu)成的橋臂的兩端連接至所述相連的第一電容和第二電容的兩端。
[0036]優(yōu)選的，所述開關(guān)裝置可選擇地使得所述變壓器的二次側(cè)連接至所述整流濾波電路的輸入端或使得所述變壓器的二次側(cè)的部分繞組連接至所述半橋逆變器的輸出端。
[0037]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種雙向DC-DC變換器的控制方法，控制所述可控單向?qū)щ娧b置以斷開所述繞組的另一端子與所述可充電電池的正極和負(fù)極的電連接，控制所述開關(guān)裝置使得整流濾波電路與所述第一電容和第二電容構(gòu)成放電路徑，控制所述半橋變換器工作。
[0038]本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例提供了一種雙向DC-DC變換器的控制方法，控制所述可控單向?qū)щ娧b置形成從所述繞組的另一端子到所述可充電電池的正極的單向?qū)щ娐窂揭约皬乃隹沙潆婋姵氐呢?fù)極到所述繞組的另一端子的單向?qū)щ娐窂?，控制所述開關(guān)裝置使得所述第一電容、第二電容、第一開關(guān)管和第二開關(guān)管構(gòu)成對所述可充電電池進(jìn)行充電的半橋逆變器，控制所述半橋逆變器工作。
[0039]本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例提供了一種雙向DC-DC變換器，包括:
[0040]全橋變換器，其包括可充電電池和變壓器，所述變壓器的一次側(cè)包括第一端子和
Λ-Λ- _-上山弟一棲子；
[0041]繞組，所述繞組的一個(gè)端子連接至所述第一端子；
[0042]可控單向?qū)щ娧b置，用于在放電模式中斷開所述繞組的另一端子與所述可充電電池的正極和負(fù)極的電連接，以及在充電模式中形成從所述繞組的另一端子到所述可充電電池的正極的單向?qū)щ娐窂揭约皬乃隹沙潆婋姵氐呢?fù)極到所述繞組的另一端子的單向?qū)щ娐窂剑?br>[0043]與所述變壓器的二次側(cè)相連的整流濾波電路；
[0044]相連的第一電容和第二電容；
[0045]相連的第一開關(guān)管和第二開關(guān)管；以及
[0046]開關(guān)裝置，用于在放電模式中使得所述整流濾波電路與所述第一電容和第二電容構(gòu)成放電路徑，以及在充電模式中使得所述第一電容、第二電容、第一開關(guān)管和第二開關(guān)管構(gòu)成對所述可充電電池進(jìn)行充電的半橋逆變器。
[0047]優(yōu)選的，所述可控單向?qū)щ娧b置包括第一二極管、第二二極管和充電開關(guān)，所述第一二極管的陽極和第二二極管的陰極相連接的節(jié)點(diǎn)通過所述充電開關(guān)連接至所述繞組的另一端子，所述可充電電池的正極和負(fù)極分別連接至所述第一二極管的陰極和所述第二二極管的陽極。
[0048]優(yōu)選的，所述雙向DC-DC變換器還包括與所述充電開關(guān)串聯(lián)的電感。
[0049]優(yōu)選的，所述雙向DC-DC變換器還包括與所述第一開關(guān)管和第二開關(guān)管的節(jié)點(diǎn)電連接的電容，用于隔離所述半橋逆變器的輸出端的直流分量。
[0050]優(yōu)選的，所述開關(guān)裝置可選擇地使得所述整流濾波電路的輸出端或由所述第一開關(guān)管和第二開關(guān)管構(gòu)成的橋臂的兩端連接至所述相連的第一電容和第二電容的兩端。
[0051]優(yōu)選的，所述開關(guān)裝置可選擇地使得所述變壓器的二次側(cè)連接至所述整流濾波電路的輸入端或使得所述變壓器的二次側(cè)的部分繞組連接至所述半橋逆變器的輸出端。
[0052]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種雙向DC-DC變換器的控制方法，控制所述可控單向?qū)щ娧b置以斷開所述繞組的另一端子與所述可充電電池的正極和負(fù)極的電連接，控制所述開關(guān)裝置使得整流濾波電路與所述第一電容和第二電容構(gòu)成放電路徑，控制所述半橋變換器工作。
[0053]本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例提供了一種雙向DC-DC變換器的控制方法，控制所述可控單向?qū)щ娧b置形成從所述繞組的另一端子到所述可充電電池的正極的單向?qū)щ娐窂揭约皬乃隹沙潆婋姵氐呢?fù)極到所述繞組的另一端子的單向?qū)щ娐窂剑刂扑鲩_關(guān)裝置使得所述第一電容、第二電容、第一開關(guān)管和第二開關(guān)管構(gòu)成對所述可充電電池進(jìn)行充電的半橋逆變器，控制所述半橋逆變器工作。
[0054]本發(fā)明的雙向DC-DC變換器使用元器件數(shù)量少，成本低。
【附圖說明】
[0055]以下參照附圖對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說明，其中:
[0056]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的第一個(gè)DC-DC變換器的電路圖。
[0057]圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的第二個(gè)DC-DC變換器的電路圖。
[0058]圖3是現(xiàn)有技術(shù)中的第三個(gè)DC-DC變換器的電路圖。
[0059]圖4是根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的雙向DC-DC變換器的電路圖。
[0060]圖5是圖4所示的雙向DC-DC變換器在可充電電池放電模式下的等效電路圖。
[0061]圖6是圖4所示的雙向DC-DC變換器在可充電電池充電模式下的等效電路圖。
[0062]圖7是根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的雙向DC-DC變換器的電路圖。
[0063]圖8是圖7所示的雙向DC-DC變換器在可充電電池放電模式下的等效電路圖。
[0064]圖9是圖7所示的雙向DC-DC變換器在可充電電池充電模式下的等效電路圖。
[0065]圖10是根據(jù)本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例的雙向DC-DC變換器的電路圖。
[0066]圖11是根據(jù)本發(fā)明第四個(gè)實(shí)施例的雙向DC-DC變換器的電路圖。
[0067]圖12是根據(jù)本發(fā)明第五個(gè)實(shí)施例的雙向DC-DC變換器的電路圖。
[0068]圖13是根據(jù)本發(fā)明第六個(gè)實(shí)施例的雙向DC-DC變換器的電路圖。
[0069]圖14是圖13所示的雙向DC-DC變換器在可充電電池放電模式下的等效電路圖。
[0070]圖15是圖13所示的雙向DC-DC變換器在可充電電池充電模式下的等效電路圖。
[0071]圖16是根據(jù)本發(fā)明第七個(gè)實(shí)施例的雙向DC-DC變換器的電路圖。
[0072]圖17是根據(jù)本發(fā)明第八個(gè)實(shí)施例的雙向DC-DC變換器的電路圖。
[0073]圖18是根據(jù)本發(fā)明第九個(gè)實(shí)施例的雙向DC-DC變換器的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0074]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖通過具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0075]圖4是根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的雙向DC-DC變換器的電路圖。其與圖1中的DC-DC變換器類似，區(qū)別在于，雙向DC-DC變換器10還包括金氧半場效晶體管Tl、T2，可控單向?qū)щ娧b置14，繞組W11、W12，以及開關(guān)S12。
[0076]推挽電路11中的變壓器Tr的一次側(cè)包括端子1、端子2和中心抽頭3。
[0077]可控單向?qū)щ娧b置14包括二極管Dll、D12和充電開關(guān)S11。充電開關(guān)Sll的一端電連接至可充電電池B的負(fù)極，另一端連接至二極管Dll、D12的陽極。與二極管Dll串聯(lián)的繞組Wll連接至端子1，與二極管D12串聯(lián)的繞組W12連接至端子2。
[0078]開關(guān)S12為雙刀雙擲開關(guān)，其兩個(gè)公共端子分別連接至串聯(lián)的電容C1、C2的兩端，開關(guān)S12可選擇地使得整流濾波電路12的輸出端或由金氧半場效晶體管Tl、T2形成的一個(gè)橋臂連接至串聯(lián)的電容C1、C2的兩端。金氧半場效晶體管T1、T2相連接的節(jié)點(diǎn)連接至變壓器Tr的二次側(cè)的一端。
[0079]以下將分別結(jié)合圖5和圖6描述圖4的可充電電池B的放電模式和充電模式。
[0080]在放電模式下，充電開關(guān)Sll斷開，且切換開關(guān)S12使得整流濾波電路12的輸出端連接至串聯(lián)的電容Cl、C2的兩端，形成的等效電路圖如圖5所示(與圖1中的DC-DC變換器相同)?；诂F(xiàn)有的控制方法使得推挽變換器11工作，最終實(shí)現(xiàn)了將可充電電池B中的直流電升壓為所需的直流電。
[0081]在充電模式中，充電開關(guān)Sll閉合，且切換開關(guān)S12以使得變壓器Tr的二次側(cè)的部分繞組連接至由金氧半場效晶體管Τ1、Τ2和電容C1、C2構(gòu)成的半橋逆變器13的輸出端，形成的等效電路圖如圖6所示。半橋逆變器13也是現(xiàn)有技術(shù)中用于將直流轉(zhuǎn)換為交流的經(jīng)典電路，其具體連接關(guān)系在此不再贅述。如圖6所示，繞組W11、W12與變壓器TH參見圖4和圖5)形成了新的變壓器Trl。其中變壓器Tr的二次側(cè)的部分繞組作為變壓器Trl的一次側(cè)，繞組Wll的端子4和繞組W12的端子5作為變壓器Trl的二次側(cè)的兩個(gè)端子。
[0082]為了實(shí)現(xiàn)對可充電電池B進(jìn)行充電，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可知通過設(shè)計(jì)繞組Wl1、W12的匝數(shù)，以滿足如下條件:端子4和中心抽頭3之間的電壓的最大值大于可充電電池B的電壓，并且端子5和中心抽頭3之間的電壓的最大值大于可充電電池B的電壓。因而形成一個(gè)充電回路是:可充電電池B的負(fù)極-充電開關(guān)Sll-二極管Dll-端子4-中心抽頭3-可充電電池B的正極；以及另一個(gè)充電回路是:可充電電池B的負(fù)極-充電開關(guān)SI 1- 二極管D12-端子5-中心抽頭3-可充電電池B的正極。
[0083]基于現(xiàn)有的控制方法使得半橋逆變器13工作，將電容C1、C2上的直流電轉(zhuǎn)換為交流電輸出。通過上述兩個(gè)充電回路交替對可充電電池B進(jìn)行充電。
[0084]圖7是根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的雙向DC-DC變換器的電路圖。其與圖2中的DC-DC變換器類似，區(qū)別在于，雙向DC-DC變換器20還包括金氧半場效晶體管Tl、T2，可控單向?qū)щ娧b置24，繞組W21、W22，以及開關(guān)S22。
[0085]在本實(shí)施例中，全橋變換器21中與可充電電池B的正極連接的兩個(gè)金氧半場效晶體管分別與充電二極管D23和充電二極管D24反向并聯(lián)連接。充電二極管D23、D24可以是獨(dú)立的二極管，也可以是相應(yīng)的金氧半場效晶體管的寄生二極管。
[0086]可控單向?qū)щ娧b置24包括二極管D21、D22和充電開關(guān)S21。充電開關(guān)S21的一端電連接至可充電電池B的負(fù)極，另一端連接至二極管D21、D22的陽極。與二極管D21串聯(lián)的繞組W21連接至端子1，與二極管D22串聯(lián)的繞組W22連接至端子2。
[0087]整流濾波電路12的輸出端與串聯(lián)的電容Cl和電容C2電連接。金氧半場效晶體管Tl、T2和電容Cl、C2構(gòu)成了半橋逆變器13，其具體連接關(guān)系在此不再贅述。
[0088]開關(guān)S22為雙刀雙擲開關(guān)，其兩個(gè)公共端子分別連接至全橋變換器21的輸出端(即變壓器Tr的二次側(cè))，開關(guān)S22可選擇地使得變壓器Tr的二次側(cè)連接至整流濾波電路12的輸入端或變壓器Tr的二次側(cè)的部分繞組連接至半橋逆變器13的輸出端。
[0089]以下將分別結(jié)合圖8和圖9描述圖7的可充電電池B的放電模式和充電模式。
[0090]在放電模式下，充電開關(guān)S21斷開，切換開關(guān)S22以使得變壓器Tr的二次側(cè)連接至整流濾波電路12的輸入端，并且金氧半場效晶體管Tl和金氧半場效晶體管T2不工作，形成了如圖8所示的等效電路圖(與圖2中的DC-DC變換器相同)。基于現(xiàn)有的控制方法使得全橋變換器21工作，將可充電電池B的直流電轉(zhuǎn)換為升壓的交流電輸出。最終實(shí)現(xiàn)將可充電電池B中的直流電升壓為所需的直流電。
[0091]在充電模式中，充電開關(guān)S21導(dǎo)通，切換開關(guān)S22以使得半橋逆變器13的輸出端連接至變壓器Tr的二次側(cè)的部分繞組、且使得變壓器Tr的二次側(cè)與整流濾波電路12的輸入端斷開連接，形成的等效電路圖如圖9所示。繞組W21、繞組W22和變壓器TH參見圖7和圖8)形成了新的變壓器Tr2。其中變壓器Tr的二次側(cè)的部分繞組作為變壓器Tr2的一次側(cè)，繞組W21的端子6和繞組W22的端子7作為變壓器Tr2的二次側(cè)的兩個(gè)端子。
[0092]為了實(shí)現(xiàn)對可充電電池B進(jìn)行充電，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可知通過設(shè)計(jì)繞組W21、W22的匝數(shù)，以滿足如下條件:端子6和端子2之間的電壓最大值大于可充電電池B的電壓，且端子I和端子7之間的電壓最大值大于可充電電池B的電壓。因而形成一個(gè)充電回路是:可充電電池B的負(fù)極-充電開關(guān)S21- 二極管D21-端子6、2- 二極管D23-可充電電池B的正極；以及另一個(gè)充電回路是:可充電電池B的負(fù)極-充電開關(guān)S21- 二極管D22-端子7、1- 二極管D24-可充電電池B的正極。
[0093]基于現(xiàn)有的控制方法使得半橋逆變器13工作，將電容C1、C2上的直流電轉(zhuǎn)換為交流電輸出。通過上述兩個(gè)充電回路交替對可充電電池B進(jìn)行充電。
[0094]結(jié)合圖5和圖8可知，在放電模式下，通過切換開關(guān)S12、S22的結(jié)果都是使得整流濾波電路12的輸入端連接至變壓器Tr的二次側(cè)，且輸出端連接至串聯(lián)的電容Cl、C2的兩端，即使得整流濾波電路12與電容Cl、電容C2構(gòu)成放電路徑。結(jié)合圖6和圖9可知，在充電模式下，通過切換開關(guān)S12、S22的結(jié)果都是使得變壓器Tr的二次側(cè)的部分繞組連接至半橋逆變器13的輸出端。因此本發(fā)明的開關(guān)S12、S22包括滿足上述功能的所有開關(guān)，并不限于圖4和圖7所示的雙刀雙擲開關(guān)或同時(shí)動(dòng)作的兩個(gè)單刀雙擲開關(guān)。
[0095]圖10是根據(jù)本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例的雙向DC-DC變換器的電路圖。其與圖7基本相同，區(qū)別在于，雙向DC-DC變換器30還包括與充電開關(guān)S21串聯(lián)的電感L，以及與金氧半場效晶體管Tl、T2的節(jié)點(diǎn)電連接的電容C ;雙向DC-DC變換器30中的全橋變換器31包括四個(gè)絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，其中與可充電電池B的正極連接的兩個(gè)IGBT分別與充電二極管D31、充電二極管D32反向并聯(lián)連接。
[0096]雙向DC-DC變換器30的充放電模式與雙向DC-DC變換器20相同，在此不再贅述。在充電模式中，電容C用于隔離半橋逆變器13的輸出端的直流分量，防止變壓器Tr磁偏置；且電感L對可充電電池B的充電電流進(jìn)行濾波，避免充電電流瞬間過高，有效保護(hù)線路中的元件。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)需求在雙向DC-DC變換器10、20中增加電容C和/或電感L。
[0097]圖11是根據(jù)本發(fā)明第四個(gè)實(shí)施例的雙向DC-DC變換器的電路圖。其與圖10基本相同，區(qū)別在于，雙向DC-DC變換器30’中的可控單向?qū)щ娧b置24’包括雙刀開關(guān)S21’、二極管D21和二極管D22。雙刀開關(guān)S21’的公共端連接至電感L，其兩個(gè)切換端分別連接至二極管D21、D22的陽極。雙刀開關(guān)S21’與圖10中的充電開關(guān)S21的作用相同，在此不再贅述。
[0098]圖12是根據(jù)本發(fā)明第五個(gè)實(shí)施例的雙向DC-DC變換器的電路圖。其與圖10基本相同，區(qū)別在于，雙向DC-DC變換器30”中的可控單向?qū)щ娧b置24”包括晶閘管D21”、D22”。晶閘管D21”、D22”的陽極連接至電感L的一端，晶閘管D21”、D22”的陰極分別連接至端子
6、端子7。在放電模式下，控制晶閘管D21”、D22”截止。在充電模式下，控制晶閘管D21”、D22”導(dǎo)通。
[0099]在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，可以將圖4中的可控單向?qū)щ娧b置14替換為可控單向?qū)щ娧b置24 ’或可控單向?qū)щ娧b置24 ”?？梢詫D7中的可控單向?qū)щ娧b置24替換為可控單向?qū)щ娧b置24’或可控單向?qū)щ娧b置24”。
[0100]在放電模式下，通過控制可控單向?qū)щ娧b置14、24、24’、24”的結(jié)果都是斷開可充電電池B的負(fù)極與端子6和端子7的電連接。在充電模式中，通過控制可控單向?qū)щ娧b置
14、24、24’、24”的結(jié)果都是使得可充電電池8中的充電電流交替流向端子6和端子7。因此本發(fā)明的可控單向?qū)щ娧b置包括滿足上述功能的所有單向?qū)щ娧b置。
[0101]圖13是根據(jù)本發(fā)明第六個(gè)實(shí)施例的雙向DC-DC變換器的電路圖。其與圖3中的DC-DC變換器類似，區(qū)別在于，雙向DC-DC變換器40還包括金氧半場效晶體管Tl、T2，可控單向?qū)щ娧b置44，繞組W41，以及開關(guān)S22。
[0102]從圖13可看出，變壓器Tr的二次側(cè)的電路與圖7完全相同，圖7與圖13的區(qū)別在于變壓器Tr的一次側(cè)的電路的結(jié)構(gòu)。
[0103]半橋變換器41包括可充電電池B，充電電容C41、C42，兩個(gè)金氧半場效晶體管，以及變壓器Tr。變壓器Tr的一次側(cè)包括端子I和端子2，端子I連接至兩個(gè)金氧半場效晶體管的節(jié)點(diǎn)，端子2連接至充電電容C41和充電電容C42的節(jié)點(diǎn)。
[0104]可控單向?qū)щ娧b置44包括二極管D41、D42和充電開關(guān)S41。繞組W41的一個(gè)端子連接至端子1，且另一端子8通過充電開關(guān)S41與二極管D41的陽極和二極管D42的陰極連接?？沙潆婋姵谺的正極和負(fù)極分別連接至二極管D41的陰極和二極管D42的陽極。
[0105]以下將分別結(jié)合圖14和圖15描述圖13的可充電電池B的放電模式和充電模式。
[0106]在放電模式下，充電開關(guān)S41斷開，切換開關(guān)S22以使得變壓器Tr的二次側(cè)連接至整流濾波電路12的輸入端，并且金氧半場效晶體管Tl和金氧半場效晶體管T2不工作，形成了如圖14所示的等效電路圖(與圖3中的DC-DC變換器相同)?；诂F(xiàn)有的控制方法使得半橋變換器41工作，將可充電電池B的直流電轉(zhuǎn)換為升壓的交流電輸出。最終實(shí)現(xiàn)將可充電電池B中的直流電升壓為所需的直流電。
[0107]在充電模式中，充電開關(guān)S41導(dǎo)通，切換開關(guān)S22以使得半橋逆變器13的輸出端連接至變壓器Tr的二次側(cè)的部分繞組、且使得變壓器Tr的二次側(cè)與整流濾波電路12的輸入端斷開連接，形成的等效電路圖如圖15所示。繞組W41和變壓器TH參見圖13和圖14)形成了新的變壓器Tr4。其中變壓器Tr的二次側(cè)的部分繞組作為變壓器Tr4的一次側(cè)，繞組W41的端子8和變壓器Tr的一次側(cè)的端子2作為變壓器Tr4的二次側(cè)的兩個(gè)端子。
[0108]充電開關(guān)S41導(dǎo)通時(shí)，變壓器Tr4的二次側(cè)、二極管D41和充電電容C41構(gòu)成了一充電回路；且二極管D42、變壓器Tr4的二次側(cè)和充電電容C42構(gòu)成了另一充電回路。
[0109]基于現(xiàn)有的控制方法使得半橋逆變器13工作，將電容Cl、C2上的直流電轉(zhuǎn)換為交流電輸出。變壓器Tr4的二次側(cè)通過上述兩個(gè)充電回路交替對充電電容C41、C42進(jìn)行充電。串聯(lián)的充電電容C41、C42與可充電電池B并聯(lián)連接，充電電容C41、C42同時(shí)對可充電電池B進(jìn)行充電。為了實(shí)現(xiàn)交替對充電電容C41、C42進(jìn)行充電，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可知通過設(shè)計(jì)繞組W41的匝數(shù)，以滿足:變壓器Tr4的二次側(cè)的電壓(即變壓器Tr4的端子8和端子2之間的電壓)的最大值大于可充電電池B的電壓的一半。
[0110]圖16是根據(jù)本發(fā)明第七個(gè)實(shí)施例的雙向DC-DC變換器的電路圖。其與圖13基本相同，區(qū)別在于，雙向DC-DC變換器40’中的可控單向?qū)щ娧b置44’包括二極管D41、D42以及雙刀開關(guān)S41’，雙刀開關(guān)S41’的公共端連接至端子8，其兩個(gè)切換端分別連接至二極管D41的陽極和二極管D42的陰極。
[0111]圖17是是根據(jù)本發(fā)明第八個(gè)實(shí)施例的雙向DC-DC變換器的電路圖。其與圖13基本相同，區(qū)別在于，雙向DC-DC變換器40”中的可控單向?qū)щ娧b置44”包括晶閘管D41”、D42”。晶閘管D41”的陽極連接至端子8，其陰極連接至可充電電池B的陽極。晶閘管D42”的陽極連接至可充電電池B的陰極，其陰極連接至端子8。在放電模式下，控制晶閘管D41”、D42”截止。在充電模式下，控制晶閘管D41”、D42”導(dǎo)通。
[0112]圖18是根據(jù)本發(fā)明第九個(gè)實(shí)施例的雙向DC-DC變換器的電路圖。雙向DC-DC變換器50與圖13的雙向DC-DC變換器40基本相同，將雙向DC-DC變換器40中的半橋變換器41替換為圖7中的全橋變換器21即為雙向DC-DC變換器50。
[0113]雙向DC-DC變換器50與雙向DC-DC變換器20的放電模式相同，在此不再贅述。
[0114]在充電模式中，充電開關(guān)S41導(dǎo)通，切換開關(guān)S22以使得半橋逆變器13的輸出端連接至變壓器Tr的二次側(cè)的部分繞組、且使得變壓器Tr的二次側(cè)與整流濾波電路12的輸入端斷開連接。形成的一個(gè)充電回路是:端子2-端子8-充電開關(guān)S41- 二極管D41-可充電電池B-連接在端子2和可充電電池B的負(fù)極之間的二極管；形成的另一個(gè)充電回路是:端子8-端子2-連接在端子2和可充電電池B的正極之間的二極管-可充電電池B- 二極管D42-充電開關(guān)S41?；诂F(xiàn)有的控制方法使得半橋逆變器13工作，將電容Cl、C2上的直流電轉(zhuǎn)換為交流電輸出，并通過上述兩個(gè)充電回路交替對可充電電池B進(jìn)行充電。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可知通過設(shè)計(jì)繞組W41的匝數(shù)，以滿足:端子8和端子2之間的電壓的最大值大于可充電電池B的電壓。
[0115]在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，可以將雙向DC-DC變換器50中的全橋變換器21的金氧半場效晶體管全部替換為IGBT。其中與端子2連接的兩個(gè)IGBT分別與二極管反向并聯(lián)連接。
[0116]在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，可以將雙向DC-DC變換器50中的可控單向?qū)щ娧b置44替換為圖16中的可控單向?qū)щ娧b置44’或圖17中的可控單向?qū)щ娧b置44”。
[0117]根據(jù)圖13-18可知，在放電模式下，可控單向?qū)щ娧b置44、44’和44”都是斷開繞組W41的端子8和可充電電池B的正極和負(fù)極的電連接；在充電模式中，都是形成了從繞組W41的端子8到可充電電池B的正極的單向?qū)щ娐窂揭约皬目沙潆婋姵谺的負(fù)極到繞組W41的端子8的單向?qū)щ娐窂健?br>[0118]在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，可以將圖13、16-18中的開關(guān)S22和半橋逆變器13替換為圖4中的開關(guān)S12，金氧半場效晶體管Tl、T2，以及電容Cl、C2。
[0119]在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，雙向DC-DC變換器40、50還包括與充電開關(guān)S41串聯(lián)的電感。
[0120]在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，雙向DC-DC變換器40、50還包括與金氧半場效晶體管T1、T2的節(jié)點(diǎn)電連接的電容。該電容用于隔離半橋逆變器13的輸出端的直流分量，防止變壓器Tr磁偏置。
[0121 ] 在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，圖4中的開關(guān)S12，金氧半場效晶體管Tl、Τ2，以及電容Cl、C2與圖7中的開關(guān)S22和半橋逆變器13可相互替換。
[0122]在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，圖4中的推挽變換器11、圖7中的全橋變換器21和圖10中的全橋變換器31可以相互替換。
[0123]在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，還可以采用IGBT代替雙向DC-DC變換器10、雙向DC-DC變換器20或雙向DC-DC變換器40中的金氧半場效晶體管。
[0124]本發(fā)明的雙向DC-DC變換器與現(xiàn)有技術(shù)中需要采用單獨(dú)的充電器相比，元器件數(shù)量減少，且成本降低。
[0125]雖然本發(fā)明已經(jīng)通過優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，然而本發(fā)明并非局限于這里所描述的實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下還包括所作出的各種改變以及變化。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種雙向DC-DC變換器，包括: 全橋變換器或推挽變換器，其包括可充電電池和變壓器，所述變壓器的一次側(cè)包括第一端子和第二端子； 第一繞組，所述第一繞組的一個(gè)端子電連接至所述第一端子； 第二繞組，所述第二繞組的一個(gè)端子電連接至所述第二端子； 可控單向?qū)щ娧b置，用于在放電模式中斷開所述可充電電池的負(fù)極與所述第一繞組的另一端子和第二繞組的另一端子的電連接，以及在充電模式中形成從所述可充電電池的負(fù)極到所述第一繞組的另一端子的單向?qū)щ娐窂揭约皬乃隹沙潆婋姵氐呢?fù)極到所述第二繞組的另一端子的單向?qū)щ娐窂剑? 與所述變壓器的二次側(cè)相連的整流濾波電路； 相連的第一電容和第二電容； 相連的第一開關(guān)管和第二開關(guān)管；以及 開關(guān)裝置，用于在放電模式中使得所述整流濾波電路與所述第一電容和第二電容構(gòu)成放電路徑，以及在充電模式中使得所述第一電容、第二電容、第一開關(guān)管和第二開關(guān)管構(gòu)成對所述可充電電池進(jìn)行充電的半橋逆變器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向DC-DC變換器，其特征在于，所述可控單向?qū)щ娧b置包括第一二極管、第二二極管和充電開關(guān)，所述第一二極管的陽極和第二二極管的陽極相連接的節(jié)點(diǎn)通過所述充電開關(guān)連接至所述可充電電池的負(fù)極。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙向DC-DC變換器，其特征在于，所述雙向DC-DC變換器還包括與所述充電開關(guān)串聯(lián)的電感。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的雙向DC-DC變換器，其特征在于，所述雙向DC-DC變換器還包括與所述第一開關(guān)管和第二開關(guān)管的節(jié)點(diǎn)電連接的電容，用于隔離所述半橋逆變器的輸出端的直流分量。5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的雙向DC-DC變換器，其特征在于，所述開關(guān)裝置可選擇地使得所述整流濾波電路的輸出端或由所述第一開關(guān)管和第二開關(guān)管構(gòu)成的橋臂的兩端連接至所述相連的第一電容和第二電容的兩端。6.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的雙向DC-DC變換器，其特征在于，所述開關(guān)裝置可選擇地使得所述變壓器的二次側(cè)連接至所述整流濾波電路的輸入端或使得所述變壓器的二次側(cè)的部分繞組連接至所述半橋逆變器的輸出端。7.一種用于權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的雙向DC-DC變換器的控制方法，其特征在于，控制所述可控單向?qū)щ娧b置以斷開所述可充電電池的負(fù)極與所述第一繞組的另一端子和第二繞組的另一端子的電連接，控制所述開關(guān)裝置使得整流濾波電路與所述第一電容和第二電容構(gòu)成放電路徑，控制所述全橋變換器或推挽變換器工作。8.一種用于權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的雙向DC-DC變換器的控制方法，其特征在于，控制所述可控單向?qū)щ娧b置形成從所述可充電電池的負(fù)極到所述第一繞組的另一端子的單向?qū)щ娐窂揭约皬乃隹沙潆婋姵氐呢?fù)極到所述第二繞組的另一端子的單向?qū)щ娐窂?，控制所述開關(guān)裝置使得所述第一電容、第二電容、第一開關(guān)管和第二開關(guān)管構(gòu)成對所述可充電電池進(jìn)行充電的半橋逆變器，控制所述半橋逆變器工作。9.一種雙向DC-DC變換器，包括: 半橋變換器，其包括可充電電池、第一充電電容、第二充電電容、兩個(gè)開關(guān)管和變壓器，所述變壓器的一次側(cè)包括與所述兩個(gè)開關(guān)管的節(jié)點(diǎn)電連接的第一端子和與所述第一充電電容和第二充電電容的節(jié)點(diǎn)電連接的第二端子； 繞組，所述繞組的一個(gè)端子連接至所述第一端子； 可控單向?qū)щ娧b置，用于在放電模式中斷開所述繞組的另一端子與所述可充電電池的正極和負(fù)極的電連接，以及在充電模式中形成從所述繞組的另一端子到所述可充電電池的正極的單向?qū)щ娐窂揭约皬乃隹沙潆婋姵氐呢?fù)極到所述繞組的另一端子的單向?qū)щ娐窂剑? 與所述變壓器的二次側(cè)相連的整流濾波電路； 相連的第一電容和第二電容； 相連的第一開關(guān)管和第二開關(guān)管；以及 開關(guān)裝置，用于在放電模式中使得所述整流濾波電路與所述第一電容和第二電容構(gòu)成放電路徑，以及在充電模式中使得所述第一電容、第二電容、第一開關(guān)管和第二開關(guān)管構(gòu)成對所述可充電電池進(jìn)行充電的半橋逆變器。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的雙向DC-DC變換器，其特征在于，所述可控單向?qū)щ娧b置包括第一二極管、第二二極管和充電開關(guān)，所述第一二極管的陽極和第二二極管的陰極相連接的節(jié)點(diǎn)通過所述充電開關(guān)連接至所述繞組的另一端子，所述可充電電池的正極和負(fù)極分別連接至所述第一二極管的陰極和所述第二二極管的陽極。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的雙向DC-DC變換器，其特征在于，所述雙向DC-DC變換器還包括與所述充電開關(guān)串聯(lián)的電感。12.根據(jù)權(quán)利要求9至11中任一項(xiàng)所述的雙向DC-DC變換器，其特征在于，所述雙向DC-DC變換器還包括與所述第一開關(guān)管和第二開關(guān)管的節(jié)點(diǎn)電連接的電容，用于隔離所述半橋逆變器的輸出端的直流分量。13.根據(jù)權(quán)利要求9至11中任一項(xiàng)所述的雙向DC-DC變換器，其特征在于，所述開關(guān)裝置可選擇地使得所述整流濾波電路的輸出端或由所述第一開關(guān)管和第二開關(guān)管構(gòu)成的橋臂的兩端連接至所述相連的第一電容和第二電容的兩端。14.根據(jù)權(quán)利要求9至11中任一項(xiàng)所述的雙向DC-DC變換器，其特征在于，所述開關(guān)裝置可選擇地使得所述變壓器的二次側(cè)連接至所述整流濾波電路的輸入端或使得所述變壓器的二次側(cè)的部分繞組連接至所述半橋逆變器的輸出端。15.一種用于權(quán)利要求9至14中任一項(xiàng)所述的雙向DC-DC變換器的控制方法，其特征在于，控制所述可控單向?qū)щ娧b置以斷開所述繞組的另一端子與所述可充電電池的正極和負(fù)極的電連接，控制所述開關(guān)裝置使得整流濾波電路與所述第一電容和第二電容構(gòu)成放電路徑，控制所述半橋變換器工作。16.一種用于權(quán)利要求9至14中任一項(xiàng)所述的雙向DC-DC變換器的控制方法，其特征在于，控制所述可控單向?qū)щ娧b置形成從所述繞組的另一端子到所述可充電電池的正極的單向?qū)щ娐窂揭约皬乃隹沙潆婋姵氐呢?fù)極到所述繞組的另一端子的單向?qū)щ娐窂剑刂扑鲩_關(guān)裝置使得所述第一電容、第二電容、第一開關(guān)管和第二開關(guān)管構(gòu)成對所述可充電電池進(jìn)行充電的半橋逆變器，控制所述半橋逆變器工作。17.—種雙向DC-DC變換器，包括: 全橋變換器，其包括可充電電池和變壓器，所述變壓器的一次側(cè)包括第一端子和第二端子； 繞組，所述繞組的一個(gè)端子連接至所述第一端子； 可控單向?qū)щ娧b置，用于在放電模式中斷開所述繞組的另一端子與所述可充電電池的正極和負(fù)極的電連接，以及在充電模式中形成從所述繞組的另一端子到所述可充電電池的正極的單向?qū)щ娐窂揭约皬乃隹沙潆婋姵氐呢?fù)極到所述繞組的另一端子的單向?qū)щ娐窂剑? 與所述變壓器的二次側(cè)相連的整流濾波電路； 相連的第一電容和第二電容； 相連的第一開關(guān)管和第二開關(guān)管；以及 開關(guān)裝置，用于在放電模式中使得所述整流濾波電路與所述第一電容和第二電容構(gòu)成放電路徑，以及在充電模式中使得所述第一電容、第二電容、第一開關(guān)管和第二開關(guān)管構(gòu)成對所述可充電電池進(jìn)行充電的半橋逆變器。18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的雙向DC-DC變換器，其特征在于，所述可控單向?qū)щ娧b置包括第一二極管、第二二極管和充電開關(guān)，所述第一二極管的陽極和第二二極管的陰極相連接的節(jié)點(diǎn)通過所述充電開關(guān)連接至所述繞組的另一端子，所述可充電電池的正極和負(fù)極分別連接至所述第一二極管的陰極和所述第二二極管的陽極。19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的雙向DC-DC變換器，其特征在于，所述雙向DC-DC變換器還包括與所述充電開關(guān)串聯(lián)的電感。20.根據(jù)權(quán)利要求17至19中任一項(xiàng)所述的雙向DC-DC變換器，其特征在于，所述雙向DC-DC變換器還包括與所述第一開關(guān)管和第二開關(guān)管的節(jié)點(diǎn)電連接的電容，用于隔離所述半橋逆變器的輸出端的直流分量。21.根據(jù)權(quán)利要求17至19中任一項(xiàng)所述的雙向DC-DC變換器，其特征在于，所述開關(guān)裝置可選擇地使得所述整流濾波電路的輸出端或由所述第一開關(guān)管和第二開關(guān)管構(gòu)成的橋臂的兩端連接至所述相連的第一電容和第二電容的兩端。22.根據(jù)權(quán)利要求17至19中任一項(xiàng)所述的雙向DC-DC變換器，其特征在于，所述開關(guān)裝置可選擇地使得所述變壓器的二次側(cè)連接至所述整流濾波電路的輸入端或使得所述變壓器的二次側(cè)的部分繞組連接至所述半橋逆變器的輸出端。23.根據(jù)權(quán)利要求17至22中任一項(xiàng)所述的雙向DC-DC變換器的控制方法，其特征在于，控制所述可控單向?qū)щ娧b置以斷開所述繞組的另一端子與所述可充電電池的正極和負(fù)極的電連接，控制所述開關(guān)裝置使得整流濾波電路與所述第一電容和第二電容構(gòu)成放電路徑，控制所述半橋變換器工作。24.根據(jù)權(quán)利要求17至22中任一項(xiàng)所述的雙向DC-DC變換器的控制方法，其特征在于，控制所述可控單向?qū)щ娧b置形成從所述繞組的另一端子到所述可充電電池的正極的單向?qū)щ娐窂揭约皬乃隹沙潆婋姵氐呢?fù)極到所述繞組的另一端子的單向?qū)щ娐窂?，控制所述開關(guān)裝置使得所述第一電容、第二電容、第一開關(guān)管和第二開關(guān)管構(gòu)成對所述可充電電池進(jìn)行充電的半橋逆變器，控制所述半橋逆變器工作。
【文檔編號】H02M3/335GK106033931SQ201510119603
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月18日
【發(fā)明人】鄭東文
【申請人】山特電子（深圳）有限公司