CN202617004U - 隔离型双向dc/dc变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种隔离型双向DC/DC变换器，包括两个全桥变流器，每个全桥变流器由四个开关管及各开关管反并联的二极管构成；两个全桥变流器的交流侧通过隔离变压器连接，两个全桥变流器的直流侧均设有滤波电感，每个滤波电感均并联一个切换继电器。本实用新型采用隔离型方式，可以实现输入输出电气隔离，防止输入输出间的相互干扰；保证电气安全；调整隔离变压器的匝比，可以很方便地实现输入输出电压的变化。

Description

隔离型双向DC/DC变换器

技术领域

本实用新型涉及一种隔离型双向DC/DC变换器。

背景技术

随着低碳和新能源概念的兴起，在电动汽车、可再生能源、航空电源与UPS等的应用领域中，双向DC/DC是实现能量的双向流动的重要组成部分，可减少不必要的电能浪费，延长电池使用寿命。同时，随着城市化的不断发展，一些大城市的用电负荷昼夜不同导致电价不同，白天用电负荷大，电价高，夜晚用电负荷小，电价低，运用双向流的大功率储能装置，可实现夜晚储能，白天并网放电，减轻电网压力，还可赚取中间差价。

目前双向储能技术十分热门，对于其中的重要部分双向DC/DC，实现的方案通常为非隔离型双向DC/DC。非隔离型的双向DC/DC通常采用双向BUCK-BOOST电路模型，如图1。其中，Q1与Q2互补导通。基本原理如下：

1、VH作为输入电压源：当Q1导通时，Q2关断，L1储能，当Q1关断时，Q2导通，电感L1通过Q2续流，此时电路拓扑类似于BUCK电路，实现能量从VH到VL的流动。

2、VL作为输入电压源：当Q2导通时，Q1关断，L1储能，C1向负载供电；当Q2关断时，Q1导通，VL通过电感L1、Q1向负载供电，当电感电流为0时，C1向负载供电。此时的电路拓扑类似于BOOST电路，实现能量从VL到VH的流动。该电路拓扑实现了非隔离式的能量双向流动，是一种双向DC/DC的实现方案。

上述电路缺点主要有以下几点：由于是非隔离型的拓扑结构，原附边没有电气隔离，所以，输入输出之间的干扰不能得到有效的控制。在安全性方面，非隔离的结构不能保证。一旦发生输出短路等故障，如果不能做到快速关断，对开关器件的损坏不可避免。输入与输出之间的电压比匹配性比较差。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种隔离型双向DC/DC变换器，用以解决现有电路在隔离方面、安全性方面和性能方面的缺陷。

为实现上述目的，本实用新型的方案是：一种隔离型双向DC/DC变换器，包括两个全桥变流器（3、4），每个全桥变流器由四个开关管及各开关管反并联的二极管构成；两个全桥变流器的交流侧通过隔离变压器（T1）连接，两个全桥变流器的直流侧均设有滤波电感，每个滤波电感均并联一个切换继电器（K1、K2）。

每个全桥变流器的交流侧均设有隔直电容（C2、C3）。

每个全桥变流器的直流侧均并联有滤波电容（C1、C4）。

本实用新型采用隔离型方式，可以实现输入输出电气隔离，防止输入输出间的相互干扰；保证电气安全；调整隔离变压器的匝比，可以很方便地实现输入输出电压的变化。

附图说明

图1是现有的非隔离DC/DC变换器；

图2是本实用新型的工作流程图；

图3是本实用新型的电路原理图；

图4是本实用新型的详细流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。

如图3所示，本实用新型包括两个全桥变流器（3、4），每个全桥变流器由四个开关管及每个开关管反并联的二极管构成；两个全桥变流器的交流侧通过隔离变压器（T1）连接，两个全桥变流器的直流侧均设有滤波电感，每个滤波电感均并联一个切换继电器（K1、K2）。每个全桥变流器的交流侧均设有隔直电容（C2、C3）。每个全桥变流器的直流侧均并联有滤波电容（C1、C4）。变流器3包括开关管Q1、Q2、Q3、Q4及二极管D1、D2、D3、D4，变流器4包括开关管Q5、Q6、Q7、Q8及开关管D5、D6、D7、D8。DC/DC电路两端为VDC1和VDC2。

当能量从VDC1向VDC2流动（充电）时，Q1、Q2、Q3、Q4作为开关管，Q5、Q6、Q7、Q8断开，D5、D6、D7、D8构成全桥整流电路；当能量从VDC2向VDC1流动（放电）时，Q5、Q6、Q7、Q8作为开关管，Q1、Q2、Q3、Q4断开，D1、D2、D3、D4构成全桥整流电路。充放电切换电路1、2包括：电感L1（L2）及其切换继电器K1（K2）组成。当能量从VDC1向VDC2流动（充电）时，K1闭合，将L1短路，K2断开，L2作为输出滤波电感。当能量从VDC2向VDC1流动（放电）时，K2闭合，将L2短路，K1断开，L1作为输出滤波电感。隔直电容C2、C3：串联在变压器原副边，隔直电容可使变压器原边电流归零和防止变压器出现直偏而饱和。滤波电容C1、C4：用做原边和附边的电压滤波。隔离变压器T1，用来实现输入输出电气隔离和电压变比。

由于电路的对称性，充电状态下电路的工作过程和放电过程仅能量流向是相反的，但工作过程是基本相同的。下面依次介绍充电和放电状态的详细工作过程。

首先，介绍充电状态下的工作过程，并附以时序图。设周期为Ts。

1、在t0到ton时段，Q1、Q4导通，忽略C2上的压降，电源电压VDC1加在变压器T1的一次绕组N1上， 二次绕组上的感应电压为N2*VDC1/N1，整流二极管D6、D7正偏，二次侧电流经D6、D7流动，L2储能的同时，电容C4充电并提供负载电流。在一次侧电流Ip线性增长的同时，电感L2上的电流也线性增长。

2、在ton到Ts/2时段，Q1、Q4截止，一次侧变压器原边与二次侧电感电流均要维持原来流动的方向，进入死区时间。在一次侧，电感电流经Q2、Q3反并联的二极管续流，并将剩余的能量反馈给VDC1。由于漏感的存在，此时一次侧绕组上的电压有一定时间的反向，为-VDC1。在二次侧，感应电压使D5、D8正偏而导通，电感L2电流经D5、D8一组二极管续流，同时，变压器二次侧电感电流经D6、D7一组二极管续流，由于此时D5、D8和D6、D7同时导通，二次绕组电压为0，一次绕组电压也被钳位到0。-VDC1全部加在变压器漏感上，一次侧电感电流迅速下降，当一次侧电感电流降为0时，整流二极管D5、D8和D6、D7继续导通为电感L2续流。

3、在Ts/2至Ts时段，Q2、Q3导通，其工作过程与前半周期类似，仅电压、电流极性相反。

由于电路对称，放电状态与充电状态工作过程类似，详细工作过程如下。

1、在t0到ton时段，Q6、Q7导通，忽略C3上的压降，电源电压VDC2加在变压器T1的二次绕组N2上， 一次绕组上的感应电压为N1*VDC2/N2，整流二极管D1、D4正偏。一次侧电流经D1、D4流动，L1储能的同时，电容C1充电并提供负载电流。在二次侧电流Ip线性增长的同时，电感L1上的电流也线性增长。

2、在ton到Ts/2时段，Q6、Q7截止，变压器副边绕组及原边电感电流均要维持原来流动的方向，进入死区时间。在变压器副边，电感电流经Q5、Q8反并联的二极管续流，并将剩余的能量反馈给VDC2。由于漏感的存在，此时副边绕组上的电压有一定时间的反向，为-VDC2。在变压器原边，感应电压使D2、D3正偏而导通，电感L1电流经D2、D3一组二极管续流，同时，变压器原边电感电流经D1、D4一组二极管续流，由于此时D2、D3和D1、D4同时导通，原边绕组电压为0，副边绕组电压也被钳位到0。-VDC2全部加在变压器副边漏感上，副边电流迅速下降；当变压器原边电流降为0时，整流二极管D2、D3和D1、D4继续导通为电感L1续流。

3、在Ts/2至TsT时段，Q5、Q8导通，其工作过程与前半周期类似，仅电压、电流极性相反。

综上，主回路的工作过程是全桥变换器的延伸。

对于控制部分来讲，可将储能和放电部分的电压、电流采样通过采样电阻或者霍尔元件，将采样值的范围设计成相同的，并且，采样需要一边隔离，另一边不隔离。这样，由于电路是对称的，无论是储能还是放电回路，均可以共用一套PID控制电路和一套保护电路。

Claims (3)

1.一种隔离型双向DC/DC变换器，其特征在于，包括两个全桥变流器（3、4），每个全桥变流器由四个开关管及各开关管反并联的二极管构成；两个全桥变流器的交流侧通过隔离变压器（T1）连接，两个全桥变流器的直流侧均设有滤波电感，每个滤波电感均并联一个切换继电器（K1、K2）。

2.根据权利要求1所述的一种隔离型双向DC/DC变换器，其特征在于，每个全桥变流器的交流侧均设有隔直电容（C2、C3）。

3.根据权利要求1所述的一种隔离型双向DC/DC变换器，其特征在于，每个全桥变流器的直流侧均并联有滤波电容（C1、C4）。

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