一种高效双向DC‑DC变换器的制作方法

本发明涉及电源转换技术领域，更具体地涉及一种高效双向dc-dc变换器。

背景技术：

双向dc-dc变换器是能够根据需要调节能量双向传输的直流/直流的变换器，其主要运用于直流不断电电源系统、航天电源系统、直流电机驱动系统、混合能源电动汽车等场合。隔离双向dc-dc变换器使用变压器利用磁耦合可以实现具有电气绝缘的电能变换。现有的隔离双向dc-dc变换器由于变压器原边和副边线圈的匝比可以根据需要进行合理的设计，可获得相应的的电压，以实现电压转换。

在较多的应用场合，直流电源的输入电压较高，而要求其变换后的输出电压较低，但现有的隔离双向dc-dc变换器的高/低压的升降压比一般不超过5：1，为了提高升降压比，目前大都采用交错并联boost方式、多电平boost升压等方式获得高升降压比的dc-dc变换器。其比传统的dc-dc变换器可获得较高的升降压比，但其升降压比一般仅达到10多倍，并不能得到更高的升降压比。

鉴于此，有必要提供一种可获得高升降压比的高效双向dc-dc变换器以解决上述缺陷。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种可获得高升降压比的高效双向dc-dc变换器。

为解决上述技术问题，本发明提供一种高效双向dc-dc变换器，该高效双向dc-dc变换器包括电容电路、第一隔离双向dc-dc变换电路、第二隔离双向dc-dc变换电路以及滤波电容，所述电容电路包括第四电容以及与该第四电容串联的第五电容，所述电容电路的两端作为该高效双向dc-dc变换器的第一连接端，所述第四电容的两端分别与所述第一隔离双向dc-dc变换电路输入侧的两端连接，所述第五电容的两端分别与所述第二隔离双向dc-dc变换电路输入侧的两端连接，所述第一隔离双向dc-dc变换电路的输出端连接所述第二隔离双向dc-dc变换电路的输出端，且连接至滤波电容两端，所述滤波电容的两端作为该高效双向dc-dc变换器的第二连接端。本发明中第一隔离双向dc-dc变换电路和第二隔离双向dc-dc变换电路的输入侧串联且输出侧并联连接，基于上述两个隔离双向dc-dc变换电路的连接设计，当所述第一连接端接入外部电源时，所述第一、第二隔离双向dc-dc变换电路均可获得所述第一连接端接入电源的一半电压，同样的变压器匝比下，可获得更高的降压比；而当所述第二连接端接入外部电源时，两个隔离双向dc-dc变换电路的输出电压可进行叠加，输入的低电压转换为更高的输出电压，进而获得更高的升压比。

其进一步技术方案为：所述第一隔离双向dc-dc变换电路包括第一变压器、第二开关管以及第三开关管；其中，所述第一变压器初级绕组的异名端连接所述第四电容的一端，其同名端与所述第二开关管串联后连接至该第四电容的另一端，所述第一变压器次级绕组的同名端与所述第二隔离双向dc-dc变换电路输出侧的一端及滤波电容的一端连接，其异名端与第三开关管串联后与该第二隔离双向dc-dc变换电路输出侧的另一端及滤波电容的另一端连接。

其进一步技术方案为：所述第一隔离双向dc-dc变换电路还包括第一钳位电路，所述第一钳位电路包括第一开关管以及第一电容，所述第一开关管与所述第一电容串联后并联至所述第一变压器初级绕组两端。基于第一钳位电路的设计，可将第二开关管关断后的瞬态尖峰能量通过该电路上的第一电容和第一开关管泄放，以防止所述第二开关管被损坏。

其进一步技术方案为：所述第二隔离双向dc-dc变换电路包括第二变压器、第五开关管以及第六开关管；其中，所述第二变压器初级绕组的异名端连接至所述第五电容中与所述第四电容连接的一端，其同名端与所述第五开关管串联后连接至该第五电容的另一端，所述第二变压器次级绕组的同名端连接至所述滤波电容中与第一变压器次级绕组的同名端连接的一端，其异名端与第六开关管串联后连接至所述滤波电容中与所述第三开关管连接的一端。

其进一步技术方案为：所述第二隔离双向dc-dc变换电路还包括第二钳位电路，所述第二钳位电路包括第四开关管以及第二电容，所述第四开关管与所述第二电容串联后并联至所述第二变压器初级绕组两端。

其进一步技术方案为：所述第一隔离双向dc-dc变换电路包括第三变压器、第一电感、第七开关管、第八开关管以及第九开关管；其中，所述第三变压器初级绕组的同名端与所述第七开关管串联后连接至所述第四电容的一端，其异名端与所述第八开关管串联后连接至该第四电容的另一端，所述第三变压器次级绕组的同名端连接所述第一电感的一端，该第一电感的另一端与所述第二隔离双向dc-dc变换电路输出侧的一端及滤波电容的一端连接，其异名端与第九开关管串联后与该第二隔离双向dc-dc变换电路输出侧的另一端及滤波电容的另一端连接。

其进一步技术方案为：所述第一隔离双向dc-dc变换电路还包括第一复位电路，所述第一复位电路包括第一二极管及第二二极管，所述第一二极管的阳极与所述第三变压器初级绕组的异名端连接，其阴极连接至所述第四电容中与第七开关管连接的一端，所述第二二极管的阴极与所述第三变压器初级绕组的同名端连接，其阳极连接至所述第四电容的另一端。基于所述第一复位电路的设计，可在第三变压器初级绕组侧的两个开关管关断后，通过二极管吸收所述第三变压器上的漏感能量，可避免漏感能量给开关管结电容充电，导致开关管两端电压超过管子耐压而损坏。

其进一步技术方案为：所述第一隔离双向dc-dc变换电路包括第四变压器、第二电感、第十开关管、第十一开关管以及第十二开关管；其中，所述第四变压器初级绕组的同名端与所述第十开关管串联后连接至所述第五电容中与所述第四电容连接的一端，其异名端与所述第十一开关管串联后连接至该第五电容的另一端，所述第四变压器次级绕组的同名端连接所述第二电感的一端，该第二电感的另一端连接至滤波电容中与所述第一电感连接的一端，其异名端与第十二开关管串联后连接至滤波电容中与所述第九开关管连接的一端。

其进一步技术方案为：所述第一隔离双向dc-dc变换电路还包括第二复位电路，所述第二复位电路包括第三二极管及第四二极管，所述第三二极管的阳极与所述第四变压器初级绕组的异名端连接，其阴极连接至所述第五电容中与所述第四电容连接的一端，所述第四二极管的阴极与所述第四变压器初级绕组的同名端连接，其阳极连接至所述第五电容的另一端。

其进一步技术方案为：所述开关管选用mosfet、sic或igbt。

与现有技术相比，本发明的高效双向dc-dc变换器中第一隔离双向dc-dc变换电路和第二隔离双向dc-dc变换电路的输入侧串联且输出侧并联连接，基于两个隔离双向dc-dc变换电路的连接设计，当能量正向流动时，即当所述第一连接端接入外部电源时，所述第一、第二隔离双向dc-dc变换电路均可获得所述第一连接端接入电源的一半电压，同样的变压器匝比下，可获得更高的降压比；而当能量反向流动时，即当所述第二连接端外接电源时，两个隔离双向dc-dc变换电路的输出电压可进行叠加，输入的低电压转换为更高的输出电压，进而获得更高的升压比。

附图说明

图1是本发明高效双向dc-dc变换器的方框示意图。

图2是本发明高效双向dc-dc变换器中两个隔离双向dc-dc变换电路第一实施例的具体电路示意图。

图3是本发明高效双向dc-dc变换器中两个隔离双向dc-dc变换电路第二实施例的具体电路示意图。

具体实施方式

为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

参照图1，图1展示了本发明高效双向dc-dc变换器10的方框原理示意图。如附图所示，所述高效双向dc-dc变换器10包括电容电路13、第一隔离双向dc-dc变换电路11、第二隔离双向dc-dc变换电路12以及滤波电容c3，所述电容电路包括第四电容c4以及与该第四电容c4串联的第五电容c5，所述电容电路13的两端作为该高效双向dc-dc变换器10的第一连接端，所述第四电容c4的两端分别与所述第一隔离双向dc-dc变换电路11输入侧的两端连接，所述第五电容c5的两端分别与所述第二隔离双向dc-dc变换电路12输入侧的两端连接，所述第一隔离双向dc-dc变换电路11的输出端连接所述第二隔离双向dc-dc变换电路12的输出端，且连接至滤波电容c3，所述滤波电容c3的两端作为该高效双向dc-dc变换器10的第二连接端。本实施例中当能量正向流动时，第一连接端作为直流输入端，可外接电源，则第二连接端作为直流输出端，可外接负载；而当能量反向流动时，则第二连接端作为直流输入端，第一连接端作为直流输出端。本发明中第一隔离双向dc-dc变换电路11和第二隔离双向dc-dc变换电路12的输入侧串联且输出侧并联连接，当能量正向流动时，即当所述第一连接端接入外部电源时，所述第一、第二隔离双向dc-dc变换电路均可获得所述第一连接端接入电源的一半电压，同样的变压器匝比下，可获得更高的降压比；而当能量反向流动时，即所述第二连接端外接电源时，则两个隔离双向dc-dc变换电路的输出电压可进行叠加，输入的低电压转换为更高的输出电压，进而获得更高的升压比。

参照图2，图2展示了本发明高效双向dc-dc变换器10中两个隔离双向dc-dc变换电路第一实施例的具体电路示意图。在附图所示的实施例中，所述第一隔离双向dc-dc变换电路11包括第一变压器t1、第二开关管q2、第三开关管q3以及第一钳位电路111；本发明中的开关管内均自带有二极管。优选地，所述开关管选用mosfet、sic或igbt。其中，所述第一变压器t1初级绕组的异名端连接所述第四电容c4的一端，其同名端与所述第二开关管q2串联后连接至该第四电容c4的另一端，所述第一变压器t1次级绕组的同名端与所述第二隔离双向dc-dc变换电路12输出侧的一端及滤波电容c3的一端连接，其异名端与第三开关管q3串联后与该第二隔离双向dc-dc变换电路12输出侧的另一端及滤波电容c3的另一端连接；所述第一钳位电路111包括第一开关管q1以及第一电容c1，所述第一开关管q1与所述第一电容c1串联后并联至所述第一变压器t1初级绕组两端，本实施例中，所述第一电容c1未与所述第一开关管q1连接的一端与所述第一变压器t1初级绕组的异名端连接，所述第一变压器t1初级绕组的同名端与所述第一开关管q1连接。因第二开关管q2从开通状态转换为关断状态的瞬间，由于漏感的存在，其上的电流不能突变为零，其续流的电流将在第一变压器t1初级侧产生尖峰电压，可能导致第二开关管q2两端电压超过管子耐压而损坏，而基于本电路中第一钳位电路111的设计，其可将第二开关管q2关断的瞬态尖峰能量通过第一开关管q1自带的二极管存储到第一电容c1中，可避免初级侧漏感的续流能量给第二开关管q2结电容充电，导致第二开关管q2两端电压超过管子耐压而损坏。

在某些实施例，例如本实施例中，所述第二隔离双向dc-dc变换电路12与所述第一隔离双向dc-dc变换电路11结构相同。该第二隔离双向dc-dc变换电路12包括第二变压器t2、第五开关管q5、第六开关管q6以及第二钳位电路121；其中，所述第二变压器t2初级绕组的异名端连接所述第五电容c5中与所述第四电容c4连接的一端，其同名端与所述第五开关管q5串联后连接至该第五电容c5的另一端，所述第二变压器t2次级绕组的同名端连接至所述滤波电容c3中与第一变压器t1次级绕组的同名端连接的一端，其异名端与第六开关管q6串联后连接至所述滤波电容c3中与所述第三开关管q3连接的一端；所述第二钳位电路121包括第四开关管q4以及第二电容c2，所述第四开关管q4与所述第二电容c2串联后并联至所述第二变压器t2初级绕组两端，本实施例中，所述第二电容c2未与所述第四开关管q4连接的一端与所述第二变压器t2初级绕组的异名端连接，所述第二变压器t2初级绕组的同名端与所述第四开关管q4连接。

本实施例中高效双向dc-dc变换器10中第一隔离双向dc-dc变换电路11的工作原理如下：当初级侧控制开关即第二开关管q2开通时，第四电容c4供电，输入电流从第四电容c4的一端流出，流经所述第一变压器t1初级绕组异名端及同名端，此时该第一变压器t1初级绕组侧的感应电动势为上正下负，再通过第二开关管q2流回第四电容c4的另一端，而该第一变压器t1次级绕组侧的感应电动势为上负下正，第三开关管q3将处于截止状态，所述第一变压器t1次级绕组侧电路不工作，该第一变压器t1存储能量，而所述第一钳位电路111中的第一开关管q1在所述第二开关管q2开通时处于截止状态，即所述第一钳位电路111不工作。

当第二开关管q2关断时，第一变压器t1中存储的能量被释放到输出侧即其次级绕阻侧。此时第一变压器t1初级绕组侧的感应电动势为上负下正，其次级绕组侧的感应电动势为上正下负，电流从第一变压器t1次级绕组的同名端流出，流经滤波电容c3、第三开关管q3及其异名端。

同时存储在第一变压器t1漏感的续流能量通过第一开关管q1自带的二极管存储到第一电容c1中，同步开通第一开关管q1，第一电容c1中吸收的能量通过所述第一变压器t1释放到负载以及存储到漏感中，当漏感中的续流能量完全被第一电容c1吸收时，第一变压器t1初级绕组侧的电流下降到零，关断第一开关管q1，此时，第一电容c1，第一开关管q1、漏感、第一变压器t1初级绕组侧这个回路断开，而电感电流不能突变，电流通过漏感、第一变压器t1初级绕组侧、第四电容c4、第二开关管q2的体二极管，回到漏感，此时，开通第二开关管q2，q2实现zvs软开关导通。

综上可知，当第二开关管q2开通时，直流输入电压加到所述第一变压器t1初级绕组，该第一变压器t1存储能量；当所述第二开关管q2关断时，直流输入电压与所述第一变压器t1初级绕组断开，该第一变压器t1在所述第二开关管q2开通期间所存储的能量通过其次级绕阻可释放给外接负载；且此时所述第一钳位电路111工作，吸收第二开关管q2关断后漏感续流的能量，能量吸收完后可反向通过所述第一变压器t1将能量释放到外接负载以及存储到漏感中，通过关断第一开关管q1，然后漏感续流，实现第二开关管q2的zvs软开关导通。所述第二隔离双向dc-dc变换电路12的工作原理与所述第一隔离双向dc-dc变换电路11一致，在此不再赘述。

参照图3，图3展示了本发明高效双向dc-dc变换器10中两个隔离双向dc-dc变换电路第二实施例的具体电路示意图。本实施例与第一实施例的不同之处在于两个所述隔离双向dc-dc变换电路的具体电路结构与第一实施例中的隔离双向dc-dc变换电路不同，第一实施例中的隔离双向dc-dc变换电路采用的是反激式电路，而本实施例中的隔离双向dc-dc变换电路采用的是正激式电路。

在某些实施例，例如本实施例中，所述第一隔离双向dc-dc变换电路11包括第三变压器t3、第一电感l1、第七开关管q7、第八开关管q8、第九开关管q9以及第一复位电路112；其中，所述第三变压器t3初级绕组的同名端与所述第七开关管q7串联后连接至所述第四电容c4的一端，其异名端与所述第八开关管q8串联后连接至该第四电容c4的另一端，所述第三变压器t3次级绕组的同名端连接所述第一电感l1的一端，该第一电感l1的另一端与所述第二隔离双向dc-dc变换电路12输出侧的一端及滤波电容c3的一端连接，其异名端与第九开关管q9串联后与该第二隔离双向dc-dc变换电路12输出侧的另一端及滤波电容c3的另一端连接；所述第一复位电路112包括第一二极管d1及第二二极管d2，所述第一二极管d1的阳极与所述第三变压器t3初级绕组的异名端连接，其阴极连接至所述第四电容c4中与第七开关管连接的一端，所述第二二极管d2的阴极与所述第三变压器t3初级绕组的同名端连接，其阳极连接至所述第四电容c4的另一端。基于所述第一复位电路112的设计，可在初级绕组侧的两个开关管关断后，通过所述二极管吸收所述第三变压器上的漏感能量，可避免漏感能量给开关管结电容充电，导致开关管两端电压超过管子耐压而损坏。

在某些实施例，例如本实施例中，所述第二隔离双向dc-dc变换电路12与上述第一隔离双向dc-dc变换电路11结构相同。所述第二隔离双向dc-dc变换电路12包括第四变压器t4、第二电感l2、第十开关管q10、第十一开关管q11、第十二开关管q12以及第二复位122电路；其中，所述第四变压器t4初级绕组的同名端与所述第十开关管q10串联后连接至所述第五电容c5中与所述第四电容连接的一端，其异名端与所述第十一开关管q11串联后连接至该第五电容c5的另一端，所述第四变压器t4次级绕组的同名端连接所述第二电感l2的一端，该第二电感l2的另一端连接至滤波电容c3中与所述第一电感l1连接的一端，其异名端与第十二开关管q12串联后连接至滤波电容中c3与所述第九开关管q9连接的一端；所述第二复位电路122包括第三二极管d3及第四二极管d4，所述第三二极管d3的阳极与所述第四变压器t4初级绕组的异名端连接，其阴极连接至所述第五电容c5与所述第四电容连接的一端，所述第四二极管d4的阴极与所述第四变压器t4初级绕组的同名端连接，其阳极连接至所述第五电容c5的另一端。

本实施例中高效双向dc-dc变换器10中第一隔离双向dc-dc变换电路11的工作原理如下：当第七开关管q7及第八开关管q8开通时，所述第一二极管d1及所述第二二极管d2均处于反向截止状态，所述第一复位电路112不工作；而输入电流从第四电容c4的一端流出，流经第七开关管q7、所述第三变压器t3初级绕组同名端、异名端，此时该第三变压器t3初级绕组侧的感应电动势为上正下负，再通过第八开关管q8流回第四电容c4的另一端，而该第三变压器t3次级绕组侧的感应电动势也为上正下负，电流从所述第三变压器t3次级绕组的同名端流入，流经第一电感l1、滤波电容c3、第九开关管q9及其异名端。

当第七开关管q7及第八开关管q8关断时，所述第一二极管d1及所述第二二极管d2均处于正向导通状态，所述第一复位电路112工作，此时存储在第三变压器t3漏感的续流能量需要泄放，其泄放时电流从所述第三变压器t3初级绕组的异名端流出，流经第一二极管d1、第四电容c4，第二二极管d2以及其初级绕组的同名端，此时第三变压器t3初级绕组侧的感应电动势为上负下正，该第三变压器t3次级绕组侧的感应电动势也为上负下正，此时第九开关管q9处于截止状态，所述第三变压器t3次级绕组侧电路不工作。

综上可知，当所述第七开关管q7及第八开关管q8开通时，第三变压器t3初级绕组侧的电流上升，且向次级绕组传递能量，第九开关管q9导通，可向外接负载释放能量；当所述第七开关管q7及第八开关管q8关断时，直流输入电压与所述第三变压器t3初级绕组断开，此时所述第一复位电路112工作，吸收两个开关管关断后漏感续流的能量，第三变压器t3进行磁复位。所述第二隔离双向dc-dc变换电路12的工作原理与所述第一隔离双向dc-dc变换电路11一致，在此不再赘述。

如上所述，本发明的高效双向dc-dc变换器中第一隔离双向dc-dc变换电路和第二隔离双向dc-dc变换电路的输入侧串联且输出侧并联连接，当能量正向流动时，即当所述第一连接端接入外部电源时，所述第一、第二隔离双向dc-dc变换电路均可获得所述第一连接端接入电源的一半电压，同样的变压器匝比下，可获得更高的降压比；而当能量反向流动时，即所述第二连接端外接电源时，两个隔离双向dc-dc变换电路的输出电压可进行叠加，输入的低电压转换为更高的输出电压，进而获得更高的升压比。

以上所述仅为本发明的优选实施例，而非对本发明做任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。