一种双向直流变换电路及开关电源的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种双向直流变换电路及开关电源，通过采用谐振电路、两个全桥变换电路和Boost-Buck变换电路对母线电容两端的直流电压进行降压、整流后为电池充电，或者对电池输出的直流电压进行升压整流后，输出到后续电路，实现了采用同一个电路对电池充电和放电，减小了电源的体积，降低了电源的成本。
【专利说明】—种双向直流变换电路及开关电源
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及电源技术，尤其涉及一种双向直流变换电路及开关电源。
【背景技术】
[0002]在使用蓄电池作为储能装置的系统中，比如并离网逆变器、独立光伏逆变器、UPS(Uninterruptible Power System,不间断电源系统)等电源产品中，经常涉及到能量的储存和释放。能量往电池里储存的过程称为电池充电过程，能量从电池里释放出来的过程称为电池放电过程。在充电和放电过程中需要不同的直流变换电路来进行整流、升压或降压。
[0003]现有技术中，在充电过程通常使用正激或反激拓扑作为充电电路，放电过程通常采用推挽拓扑作为放电电路，即在充电过程中使用一种直流变换电路进行整流降压，在放电过程中使用另一种直流变换电路进行整流升压。这样，充放电需要采用两个不同的直流变换电路，导致电源的体积增加，同时也增加了电源产品的成本。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明实施例提供了一种双向直流变换电路及开关电源，实现了充电和放电双重功能，从而减小了电源的体积，降低了电源的成本。
[0005]一方面，本发明实施例提供了一种双向直流变换电路，所述电路包括:LLC变换电路和Boost-Buck变换电路，
[0006]所述LLC变换电路包括第一全桥变换电路、谐振电路和第二全桥变换电路，所述第一全桥变换电路的第一端用于与电池的正极相连，所述第一全桥变换电路的第二端用于与所述电池的负极相连，所述第一全桥变换电路的第三端与所述谐振电路的第一端相连，所述第一全桥变换电路的第四端与所述谐振电路的第二端相连，所述谐振电路的第三端与所述第二全桥变换电路的第一端相连，所述谐振电路的第四端与所述第二全桥变换电路的第二端相连，所述第二全桥变换电路的第三端和第四端分别与所述Boost-Buck变换电路相连；
[0007]在对所述电池的充电过程中，所述Boost-Buck变换电路用于对母线电容的直流电压进行第一次降压；所述第二全桥变换电路用于将所述Boost-Buck变换电路降压后的直流电压转换成交流方波电压；所述谐振电路用于对所述交流方波电压进行第二次降压，并将交流方波电压转换成交流正弦电压；所述第一全桥变换电路用于对所述谐振电路输出的交流正弦电压进行整流、滤波后，输出给所述电池；
[0008]在所述电池的放电过程中，所述第一全桥变换电路用于将所述电池输出的直流电压转换成交流方波电压；所述谐振电路用于对所述交流方波电压进行第一次升压，并将交流方波电压转换成交流正弦电压；所述第二全桥变换电路用于对所述谐振电路输出的交流正弦电压进行整流、滤波后输出给所述Boost-Buck变换电路进行第二次升压。
[0009]进一步的，所述Boost-Buck变换电路包括第一电感、第一开关管和第二开关管，所述第一电感的第一端与所述第二全桥变换电路的第三端相连，所述第一电感的第二端与所述第一开关管的源极和所述第二开关管的漏极相连，所述第一开关管的漏极用于与所述母线电容的第一极板相连，所述第二开关管的源极与所述第二全桥变换电路的第四端相连，所述第二开关管的源极用于与所述母线电容的第二极板相连。
[0010]进一步的，所述第一全桥变换电路包括:第一电容、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管，所述第一电容的第一极板用于与所述电池的正极相连，所述第一电容的第二极板用于所述电池的负极相连，所述第三开关管的漏极与所述第五开关管的漏极和所述第一电容的第一极板相连，所述第三开关管的源极与所述第四开关管的漏极和所述谐振电路的第一端相连，所述第四开关管的源极和所述第六开关管的源极和所述第一电容的第二极板相连，所述第五开关管的源极和所述第六开关管的漏极和所述谐振电路的第二端相连。
[0011]进一步的，所述第二全桥变换电路包括:第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管和第二电容，所述七开关管的源极与所述第八开关管的漏极和所述谐振电路的第三端相连，所述第七开关管的漏极与所述第九开关管的漏极和所述第一电感的第一端相连，所述第八开关管的源极和所述第十开关管的源极和所述第二开关管的源极相连，所述第九开关管的源极与所述第十开关管的漏极和所述谐振电路的第四端相连，所述第二电容的第一极板与所述第九开关管的漏极相连，所述第二电容的第二极板与所述第十开关管的源极相连。
[0012]进一步的，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管和第十开关管均为MOS管或IGBT管。
[0013]进一步的，所述第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管和第十开关管的工作频率等于所述谐振电路的谐振频率；
[0014]在对所述电池的充电过程中，所述第八开关管与所述第九开关管的驱动信号相同，占空比为D，所述第七开关管和所述第十开关管的驱动信号相同，与所述第八开关管的驱动信号互补，所述第七开关管和所述第十开关管的驱动信号的占空比为D，所述第三开关管和所述第六开关管的驱动信号相同，与所述第七开关管在相同时刻开启，所述第四开关管和所述第五开关管的驱动信号相同，与所述第八开关管在相同时刻开启，所述第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管的驱动信号的占空比小于或等于D ;
[0015]在所述电池的放电过程中，所述第三开关管与所述第六开关管的驱动信号相同，占空比为D，所述第四开关管与所述第五开关管的驱动信号相同，占空比为D，与所述第三开关管的驱动信号互补，所述第七开关管和第十开关管的驱动信号相同，与所述第三开关管在相同时刻开启，所述第八开关管和所述第九开关管的驱动信号相同，与所述第四开关管在相同时刻开启，所述第七开关管、第八开关管、第九开关管和第十开关管的驱动信号的占空比小于或等于D。
[0016]进一步的，所述Boost-Buck变换电路工作在闭环状态，所述LLC变换电路工作在开环状态。。
[0017]进一步的，所述谐振电路包括:变压器、第二电感和第三电容，
[0018]所述变压器的第一端与所述第三开关管的源极相连，所述变压器的第二端与所述第五开关管的源极相连，所述变压器的第三端与所述第二电感的第一端相连，所述第三电容的第一极板与所述第二电感的第二端相连，所述第三电容的第二极板与所述第七开关管的源极相连，所述变压器的第四端与所述第九开关管的源极相连；或者
[0019]所述第二电感的第一端与所述第三开关管的源极相连，所述第三电容的第一极板与所述第二电感的第二端相连，所述第三电容的第二极板与所述变压器的第一端相连，所述变压器的第二端与所述第五开关管的源极相连，所述变压器的第三端与所述第七开关管的源极相连，所述变压器的第四端与所述第九开关管的源极相连。
[0020]进一步的，还包括:第四电容和第五电容中的至少一个，所述第四电容的第一极板与所述第一开关管的漏极相连，第二极板与所述第一开关管的源极相连，所述第五电容的第一极板与所述第二开关管的漏极相连，第二极板与所述第二开关管的源极相连。
[0021]另一方面，本发明实施例还提供了一种开关电源，包括电池、母线电容和上述双向直流变换电路提供的双向直流变换电路，所述双向直流变换电路分别与所述电池和所述母线电容相连，用于在所述电池充电过程中，对所述母线电容两端的直流电压进行两次降压、整流、滤波后输出给所述电池，在所述电池放电过程中，对所述电池输出的直流电压进行第一次升压、整流、滤波和第二次升压。
[0022]本发明实施例提供的双向直流变换电路及开关电源，通过谐振电路、两个全桥变换电路和Boost-Buck变换电路对母线电容两端的直流电压进行降压、整流后为电池充电，或者对电池输出的直流电压进行升压整流后，输出到后续电路，实现了采用同一个电路对电池充电和放电，减小了电源的体积，降低了电源的成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本发明实施例提供的一种双向直流变换电路的示意图；
[0024]图2是本发明实施例提供的双向直流变换电路中Boost-Buck变换电路的示意图；
[0025]图3是本发明实施例提供的另一种双向直流变换电路的示意图；
[0026]图4是本发明实施例提供的双向直流变换电路中另一种谐振电路的不意图；
[0027]图5是本发明实施例提供的一种开关电源的示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
[0029]图1示出了本发明实施例提供的一种双向直流变换电路的示意图，本发明实施例提供的双向直流变换电路可用于并离网逆变器、独立光伏逆变器、UPS等产品中，主要用于对电池充电或放电。如图1所示，所述双向直流变换电路包括:LLC变换电路I和Boost-Buck变换电路2，其中，所述LLC变换电路I可包括第一全桥变换电路11、谐振电路12和第二全桥变换电路13。
[0030]所述第一全桥变换电路11的第一端用于与电池的正极相连，所述第一全桥变换电路11的第二端用于与所述电池的负极相连，所述第一全桥变换电路的第三端与所述谐振电路12的第一端相连，所述第一全桥变换电路11的第四端与所述谐振电路12的第二端相连，所述谐振电路12的第三端与所述第二全桥变换电路13的第一端相连，所述谐振电路12的第四端与所述第二全桥变换电路13的第二端相连，所述第二全桥变换电路13的第三端和第四端分别与所述Boost-Buck变换电路2相连。
[0031 ] 在对所述电池的充电过程中，所述Boost-Buck变换电路2用于对母线电容两端的直流电压进行第一次降压；所述第二全桥变换电路13用于将所述Boost-Buck变换电路2降压后的直流电压转换成交流方波电压；所述谐振电路12用于对所述交流电压进行第二次降压，并将交流方波电压转换成交流正弦电压；所述第一全桥变换电路11用于对所述谐振电路12输出的交流正弦电压进行整流、滤波后，输出给所述电池。
[0032]在所述电池的放电过程中，所述第一全桥变换电路11用于将所述电池输出的直流电压转换成交流方波电压；所述谐振电路12用于对所述交流方波电压进行第一次升压，并将交流方波电压转换成交流正弦电压；所述第二全桥变换电路13用于对所述谐振电路12输出的交流正弦电压进行整流、滤波后输出给所述Boost-Buck变换电路2进行第二次升压。
[0033]本发明实施例提供的双向直流变换电路，通过采用谐振电路、两个全桥变换电路和Boost-Buck变换电路对母线电容两端的直流电压进行降压、整流后为电池充电，或者对电池输出的直流电压进行升压整流后，输出到后续电路，从而实现了采用同一个电路对电池充电和放电，减小了电源的体积，降低了电源的成本。
[0034]在上述实施例的基础上，所述Boost-Buck变换电路2，如图2所示，可包括第一电感L1、第一开关管Ql和第二开关管Q2，所述第一电感LI的第一端与所述第二全桥变换电路13的第三端相连，所述第一电感LI的第二端与所述第一开关管Ql的源极和所述第二开关管Q2的漏极相连，所述第一开关管Ql的漏极用于与所述母线电容的第一极板相连，所述第二开关管Q2的源极与所述第二全桥变换电路13的第四端相连，所述第二开关管Q2的源极用于与所述母线电容的第二极板相连。所述第一开关管Ql和所述第二开关管Q2的栅极均连接驱动电路，所述驱动电路由控制系统来控制，用于驱动所述第一开关管Ql和所述第二开关管Q2导通或截止。
[0035]在对所述电池充电的过程中，所述Boost-Buck变换电路2工作在Buck状态，所述第一开关管Ql工作在高频状态，此时所述第二开关管Q2相当于一个二极管，与所述第一开关管Ql的工作状态互补，即所述第一开关管Ql导通，所述第二开关管Q2截止，或者所述第一开关管Ql截止，所述第二开关管Q2导通。
[0036]在所述电池放电的过程中，所述Boost-Buck变换电路2工作在Boost状态，所述第二开关管Q2工作在高频状态，此时所述第一开关管Ql相当于一个二极管，与所述第二开关管Q2的工作状态互补。
[0037]上述实施例中，所述Boost-Buck变换电路2可工作在闭环状态，实现对输出电压或电流的控制。当工作在充电状态时，控制系统通过采样电路检测电池电压和充电电流，并与预设值进行比较产生误差信号，误差信号经过处理后产生相应脉宽的PWM(Pulse WidthModulation，脉冲宽度调制)信号去控制Boost-Buck变换电路2，使其输出参数在设定的范围内。当工作在放电状态时，控制系统通过采样电路采样母线电压，并将母线电压作为控制量，与预设值进行比较产生误差信号，误差信号经过处理后产生相应脉宽的PWM信号去控制Boost-Buck变换电路2，使母线电压在设定的范围内。
[0038]上述实施例中，所述Boost-Buck变换电路2还可包括:第四电容C4和第五电容C5中的至少一个，所述第四电容C4的第一极板与所述第一开关管Ql的漏极相连，第二极板与所述第一开关管Ql的源极相连，所述第五电容C5的第一极板与所述第二开关管Q2的漏极相连，第二极板与所述第二开关管Q2的源极相连，通过参数优化设计，调节所述第一电感LI的值和所述四电容C4与第五电容C5中的至少一个电容值，可以使所述Boost-Buck变换电路工作在软开关状态，从而减小了开关管的能量损耗，提高了能量转换的效率。
[0039]图3示出了本发明实施例的另一种双向直流变换器的示意图，如图3所示，本实施例中的Boost-Buck变换电路与图2所示的Boost-Buck变换电路相同,在此不再赘述。本实施例中，所述第一全桥变换电路11，具体的，可包括:第一电容Cl、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5和第六开关管Q6，所述第一电容Cl的第一极板用于与所述电池的正极相连，所述第一电容Cl的第二极板用于所述电池的负极相连，所述第三开关管Q3的漏极与所述第五开关管Q5的漏极和所述第一电容Cl的第一极板相连，所述第三开关管Q3的源极与所述第四开关管Q4的漏极和所述谐振电路12的第一端相连，所述第四开关管Q4的源极和所述第六开关管Q6的源极和所述第一电容Cl的第二极板相连，所述第五开关管Q5的源极和所述第六开关管Q6的漏极和所述谐振电路12的第二端相连。本实施例中，所述第一全桥变换电路11的第一端为所述第三开关管Q3的漏极，所述第一全桥变换电路11的第二端为所述第四开关管Q4的源极，所述第一全桥变换电路11的第三端为所述第三开关管Q3的源极，所述第一全桥变换电路11的第四端为所述第五开关管Q5的源极。
[0040]所述第二全桥变换电路13，具体的，可包括:第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九开关管Q9、第十开关管QlO和第二电容C2，所述七开关管Q7的源极与所述第八开关管Q8的漏极和所述谐振电路12的第三端相连，所述第七开关管Q7的漏极与所述第九开关管Q9的漏极和所述第一电感LI的第一端相连，所述第八开关管Q8的源极和所述第十开关管QlO的源极和所述第二开关管Q2的源极相连，所述第九开关管Q9的源极与所述第十开关管QlO的漏极和所述谐振电路12的第四端相连，所述第二电容C2的第一极板与所述第九开关管Q9的漏极相连，所述第二电容C2的第二极板与所述第十开关管QlO的源极相连。本实施例中，所述第二全桥变换电路13的第一端为所述第七开关管Q7的源极，所述第二全桥变换电路13的第二端为所述第九开关管Q9的源极，所述第二全桥变换电路13的第三端为所述第九开关管Q9的漏极，所述第二全桥变换电路13的第四端为所述第十开关管QlO的源极。
[0041]本发明实施例中，所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九开关管Q9和第十开关管QlO的栅极与驱动电路相连，所述驱动电路用于控制所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九开关管Q9和第十开关管QlO的导通与关闭。所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九开关管Q9和第十开关管QlO可以都为MOS (Metal Oxide Semiconductor,金属氧化物半导体型场效应管)管，也可以都为IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)管。图3所示的双向直流变换电路以MOS管为例。
[0042]本发明实施例中，所述第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九开关管Q9和第十开关管QlO的工作频率&固定，都等于所述谐振电路12的谐振频率，即
【权利要求】
1.一种双向直流变换电路，其特征在于，所述电路包括:LLC变换电路和Boost-Buck变换电路， 所述LLC变换电路包括第一全桥变换电路、谐振电路和第二全桥变换电路，所述第一全桥变换电路的第一端用于与电池的正极相连，所述第一全桥变换电路的第二端用于与所述电池的负极相连，所述第一全桥变换电路的第三端与所述谐振电路的第一端相连，所述第一全桥变换电路的第四端与所述谐振电路的第二端相连，所述谐振电路的第三端与所述第二全桥变换电路的第一端相连，所述谐振电路的第四端与所述第二全桥变换电路的第二端相连，所述第二全桥变换电路的第三端和第四端分别与所述Boost-Buck变换电路相连； 在对所述电池的充电过程中，所述Boost-Buck变换电路用于对母线电容的直流电压进行第一次降压；所述第二全桥变换电路用于将所述Boost-Buck变换电路降压后的直流电压转换成交流方波电压；所述谐振电路用于对所述交流方波电压进行第二次降压，并将交流方波电压转换成交流正弦电压(文中其他地方也请一并修改)；所述第一全桥变换电路用于对所述谐振电路输出的交流正弦电压进行整流、滤波后，输出给所述电池； 在所述电池的放电过程中，所述第一全桥变换电路用于将所述电池输出的直流电压转换成交流方波电压；所述谐振电路用于对所述交流方波电压进行第一次升压，并将交流方波电压转换成交流正弦电压(文中其他地方也请一并修改)；所述第二全桥变换电路用于对所述谐振电路输出的交流正弦电压进行整流、滤波后输出给所述Boost-Buck变换电路进行第二次升压。
2.根据权利要求1所述的双向直流变换电路，其特征在于， 所述Boost-Buck变换电路包括第一电感、第一开关管和第二开关管，所述第一电感的第一端与所述第二全桥变 换电路的第三端相连，所述第一电感的第二端与所述第一开关管的源极和所述第二开关管的漏极相连，所述第一开关管的漏极用于与所述母线电容的第一极板相连，所述第二开关管的源极用于与所述母线电容的第二极板相连，所述第二开关管的源极还与所述第二全桥变换电路的第四端相连。
3.根据权利要求2所述的双向直流变换电路，其特征在于，所述第一全桥变换电路包括:第一电容、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管，所述第一电容的第一极板用于与所述电池的正极相连，所述第一电容的第二极板用于所述电池的负极相连，所述第三开关管的漏极与所述第五开关管的漏极和所述第一电容的第一极板相连，所述第三开关管的源极与所述第四开关管的漏极和所述谐振电路的第一端相连，所述第四开关管的源极和所述第六开关管的源极和所述第一电容的第二极板相连，所述第五开关管的源极和所述第六开关管的漏极和所述谐振电路的第二端相连。
4.根据权利要求3所述的双向直流变换电路，其特征在于，所述第二全桥变换电路包括:第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管和第二电容，所述七开关管的源极与所述第八开关管的漏极和所述谐振电路的第三端相连，所述第七开关管的漏极与所述第九开关管的漏极和所述第一电感的第一端相连，所述第八开关管的源极和所述第十开关管的源极和所述第二开关管的源极相连，所述第九开关管的源极与所述第十开关管的漏极和所述谐振电路的第四端相连，所述第二电容的第一极板与所述第九开关管的漏极相连，所述第二电容的第二极板与所述第十开关管的源极相连。
5.根据权利要求4所述的双向直流变换电路，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管和第十开关管均为MOS管或IGBT管。
6.根据权利要求5所述的双向直流变换电路，其特征在于，所述第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管和第十开关管的工作频率等于所述谐振电路的谐振频率； 在对所述电池的充电过程中，所述第八开关管与所述第九开关管的驱动信号相同，占空比为D，所述第七开关管和所述第十开关管的驱动信号相同，与所述第八开关管的驱动信号互补，所述第七开关管和所述第十开关管的驱动信号的占空比为D，所述第三开关管和所述第六开关管的驱动信号相同，与所述第七开关管在相同时刻开启，所述第四开关管和所述第五开关管的驱动信号相同，与所述第八开关管在相同时刻开启，所述第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管的驱动信号的占空比小于或等于D ; 在所述电池的放电过程中，所述第三开关管与所述第六开关管的驱动信号相同，占空比为D，所述第四开关管与所述第五开关管的驱动信号相同，与所述第三开关管的驱动信号互补，所述第四开关管与所述第五开关管的驱动信号占空比为D，所述第七开关管和第十开关管的驱动信号相同，与所述第三开关管在相同时刻开启，所述第八开关管和所述第九开关管的驱动信号相同，与所述第四开关管在相同时刻开启，所述第七开关管、第八开关管、第九开关管和第十开关管的驱动信号的占空比小于或等于D。
7.根据权利要求1-6任一项所述的双向直流变换电路,其特征在于,所述Boost-Buck变换电路工作在闭环状态，所述LLC变换电路工作在开环状态。
8.根据权利要求4所述的双向直流变换电路，其特征在于，所述谐振电路包括:变压器、第二电感和第三电容， 所述变压器的第一端与所述第三开关管的源极相连，所述变压器的第二端与所述第五开关管的源极相连，所述变压器`的第三端与所述第二电感的第一端相连，所述第三电容的第一极板与所述第二电感的第二端相连，所述第三电容的第二极板与所述第七开关管的源极相连，所述变压器的第四端与所述第九开关管的源极相连；或者 所述第二电感的第一端与所述第三开关管的源极相连，所述第三电容的第一极板与所述第二电感的第二端相连，所述第三电容的第二极板与所述变压器的第一端相连，所述变压器的第二端与所述第五开关管的源极相连，所述变压器的第三端与所述第七开关管的源极相连，所述变压器的第四端与所述第九开关管的源极相连。
9.根据权利要求8所述的双向直流变换电路，其特征在于，还包括:第四电容和第五电容中的至少一个，所述第四电容的第一极板与所述第一开关管的漏极相连，第二极板与所述第一开关管的源极相连，所述第五电容的第一极板与所述第二开关管的漏极相连，第二极板与所述第二开关管的源极相连。
10.一种开关电源，其特征在于，包括电池、母线电容和上述权利要求1-9任一项所述的双向直流变换电路，所述双向直流变换电路分别与所述电池和所述母线电容相连，用于在所述电池充电过程中，对所述母线电容两端的直流电压进行整流、降压后输出给所述电池，在所述电池放电过程中，对所述电池输出的直流电压进行升压、整流。
【文档编号】H02M3/338GK103780099SQ201410027890
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月21日 优先权日:2014年1月21日
【发明者】陈书生 申请人:广东易事特电源股份有限公司