一种双向DC‑DC转换器及控制方法与流程

本发明涉及电力电子变换技术领域，具体涉及一种双向DC-DC转换器及控制方法。

背景技术：

DC转换器是一种将直流电转换为所需要的另一种直流电的设备，即把大电压小电流的输入通过DC转换器变换成小电压大电流或将小电压大电流的输入通过变换器变换成大电压小电流。因为一般的单向DC转换器中的主功率传输通路上都使用的是单向导通器件，故DC转换器的能量传递方向只能是一个方向的，不可以反向传递。而在其他的领域，如航天电源系统、电动汽车及直流不停电电源系统等，在这些领域都需要能量能够双向流动的DC转换器。

现有的双向DC-DC转换器，如中国专利文献CN 102201739 B公开了一种对称半桥LLC谐振式双向直流-直流变换器，该变换器进行正向功率变送时，开关网络的连接关系如下：反并联VD11快恢复二极管的V11开关管与反并联VD12快恢复二极管的V12开关管串联，然后与Udc1电压源以及C10滤波电容并联；谐振网络的连接关系如下：VD13二极管串联VD14二极管，VD15二极管串联VD16二极管，C11分体谐振电容串联C12分体谐振电容，上述三者并联形成回路，L11谐振电感的一端接VD15二极管、VD16二极管、C11分体谐振电容和C12分体谐振电容的公共节点，其另一端接VD13二极管、VD14二极管和Lm原边激磁电感的公共节点；Lm原边激磁电感连接V11开关管和V12开关管的公共节点；整流器-负载网络的连接关系如下：VD21二极管、VD22二极管，VD23二极管和VD24二极管组成单相全桥整流器回路，然后与Udc2电压源以及C20滤波电容并联。

上述双向DC-DC转换器所采用的电子元器件较多，其成本较高；结构复杂，电路检测及维护成本较高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中双向DC-DC转换器的电子元器件较多、结构复杂的缺陷。

为此，本发明提供一种双向DC-DC转换器，包括第一开关网络和第二开关网络，所述第一开关网络的第一端口连接第一电源，所述第二开关网络的第二端口连接第二电源；其中，所述第一电源的电压小于所述第二电源的电压，所述双向DC-DC转换器还包括：变压器，用于将其第一侧和第二侧的能量进行相互传递；所述变压器的第一侧通过电感连接所述第一开关网络，所述变压器的第二侧通过电容和电感连接所述第二开关网络。

优选地，所述第一开关网络包括开关组件SD1、SD2、SD3、SD4；所述SD1与所述SD3串联，所述SD2与所述SD4串联，所述SD1的第二连接端与所述SD3的第一连接端连接，所述SD2的第二连接端与所述SD4的第一连接端连接；所述SD1的第一连接端与所述SD2的第一连接端连接，并连接所述第一电源的正极；所述SD3的第二连接端与所述SD4的第二连接端连接，并连接所述第一电源的负极；所述第二开关网络包括开关组件SD5、SD6、SD7、SD8；所述SD5与所述SD7串联，所述SD6与所述SD8串联，所述SD5的第二连接端与所述SD7的第一连接端连接，所述SD6的第二连接端与所述SD8的第二连接端连接；所述SD5的第一连接端与所述SD6的第一连接端连接，并连接所述第二电源的正极；所述SD7的第二连接端与所述SD8的第二连接端连接，并连接所述第二电源的负极；所述变压器的第一侧的第一连接端通过电感Lr1连接所述SD1的第二连接端，所述变压器的第一侧的第二连接端连接所述SD2的第二连接端；所述变压器的第二侧的第一连接端通过电感Lr2连接所述SD5的第二连接端，所述变压器的第二侧的第二连接端通过电容Cr连接所述SD6的第二连接端；所述变压器的第一侧的第一连接端与所述变压器的第二侧的第一连接端为同名端。

优选地，所述开关组件包括开关管和二极管，所述开关管与所述二极管反向并联。

优选地，所述开关管包括三极管或MOS管。

优选地，该双向DC-DC转换器还包括：控制器，分别连接所述开关组件SD1、SD2、SD3、SD4、SD5、SD6、SD7、SD8的第三连接端，用于根据电能转换方向控制所述开关组件SD1、SD2、SD3、SD4、SD5、SD6、SD7、SD8的开关管闭合或断开。

相应地，本发明实施例公开了一种控制电能从所述第一电源向所述第二电源转换的方法，用于上述双向DC-DC转换器的控制器中，所述方法包括：控制所述SD1和所述SD4的开关管闭合，同时所述SD8的开关管闭合；控制所述SD1和所述SD4的开关管闭合，同时所述SD8的开关管断开；控制所述SD2和所述SD3的开关管闭合，同时所述SD7的开关管闭合；控制所述SD2和所述SD3的开关管闭合，同时所述SD7的开关管断开。

优选地，所述SD1、SD2、SD3、SD4的开关管的控制信号为固定占空比的方波，所述SD7和所述SD8的开关管的控制信号占空比可调。

优选地，所述SD1和所述SD4的控制信号相同；所述SD2和所述SD3的开关管的控制信号相同，并与所述SD1和所述SD4的控制信号互补。

优选地，所述SD1、SD2、SD3、SD4的开关管的控制信号频率为

本发明实施例还公开了一种控制电能从所述第二电源向所述第一电源转换的方法，用于上述双向DC-DC转换器的控制器中，所述方法包括：控制所述SD6和所述SD7的开关管闭合，同时所述SD2和所述SD3的开关管闭合；控制所述SD6的开关管闭合、所述SD7的开关管断开，同时所述SD2和所述SD3的开关管闭合；控制所述SD5和所述SD8的开关管闭合，同时所述SD1和所述SD4的开关管闭合；控制所述SD5的开关管闭合、所述SD8的开关管断开，同时所述SD1和所述SD4的开关管闭合。

优选地，所述SD5和SD6的开关管的控制信号为固定占空比的方波，所述SD7和SD8的开关管的控制信号占空比可调。

优选地，所述SD1和所述SD4的控制信号相同；所述SD2和所述SD3的开关管的控制信号相同，并与所述SD1和所述SD4的控制信号互补。

优选地，所述SD1、SD2、SD3、SD4的开关管的控制信号频率为

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明实施例提供的双向DC-DC转换器，通过第一开关网络的第一端口连接第一电源，第二开关网络的第二端口连接第二电源，其中第一电源的电压小于第二电源的电压，变压器的第一侧通过电感连接第一开关网络，变压器的第二侧通过电容和电感连接第二开关网络，将电容设置于变压器的第二侧可以降低对电容耐压范围的要求，减少并联的电容个数，从而节省双向DC-DC转换器的成本；结构简洁，便于检测及维护。

2.本发明实施例提供的控制电能从第一电源向第二电源转换的方法，通过控制SD1和SD4的开关管闭合、同时SD8的开关管闭合，然后通过控制SD1和SD4的开关管闭合、同时SD8的开关管断开；再控制SD2和SD3的开关管闭合、同时SD7的开关管闭合，然后控制SD2和SD3的开关管闭合，同时SD7的开关管断开，使电能先从第一电源向电感转移，然后电感所储存的电能再向第二电源转换，此外电能还从第一电源直接向第二电源转换，充分利用了电感储能的特性，在保持电路连接简洁的同时，实现电能从第一电源向第二电源转换。

3.本发明实施例提供的控制电能从第二电源向第一电源转换的方法，通过控制SD6和SD7的开关管闭合、同时SD2和SD3的开关管闭合，然后控制SD6的开关管闭合、SD7的开关管断开、同时SD2和SD3的开关管闭合；再控制SD5和SD8的开关管闭合、同时SD1和SD4的开关管闭合，然后控制SD5的开关管闭合、SD8的开关管断开、同时SD1和SD4的开关管闭合，使电能先从第二电源向电感转移，然后电感所储存的电能再向第一电源转换，此外电能还从第二电源直接向第一电源转换，充分利用了电感储能的特性，在保持电路连接简洁的同时，实现电能从第二电源向第一电源转换。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A为本发明实施例1中双向DC-DC转换器的原理框图；

图1B为本发明实施例1中双向DC-DC转换器的一个具体示例的原理框图；

图2A至2D为本发明实施例2中控制电能从第一电源向第二电源转换的方法步骤对应的电路回路示意图；

图2E为为本发明实施例2中开关管S1-S7的控制信号时间对应关系示意图；

图3A至3D为本发明实施例3中控制电能从第二电源向第一电源转换的方法步骤对应的电路回路示意图；

图3E为为本发明实施例3中开关管S1-S7的控制信号时间对应关系示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种双向DC-DC转换器，如图1A所示，包括第一开关网络和第二开关网络，第一开关网络的第一端口连接第一电源，第二开关网络的第二端口连接第二电源。其中，第一电源的电压小于第二电源的电压，通常情况下，第一电源为电池，第二电源为交流母线转换为直流后的电压。

该双向DC-DC转换器还包括：变压器，用于将其第一侧和第二侧的能量进行相互传递。变压器的第一侧通过电感连接第一开关网络，变压器的第二侧通过电容和电感连接第二开关网络，即变压器的第二侧构成LC串联电路。由于第一电源的电压小于第二电源的电压，在电能转换时，变压器两侧的功率相等，因此变压器第一侧的电流大于第二侧的电流，将电容设置于变压器的第二侧，即连接第二电源的一侧，可以降低对电容耐压范围的要求，减少并联的电容个数，从而节省双向DC-DC转换器的成本。

上述双向DC-DC转换器，通过第一开关网络的第一端口连接第一电源，第二开关网络的第二端口连接第二电源，其中第一电源的电压小于第二电源的电压，变压器的第一侧通过电感连接第一开关网络，变压器的第二侧通过电容和电感连接第二开关网络，将电容设置于变压器的第二侧可以降低对电容耐压范围的要求，减少并联的电容个数，从而节省双向DC-DC转换器的成本；结构简洁，便于检测及维护。

作为本实施例的一种优选实施方式，如图1B所示，第一开关网络包括开关组件SD1、SD2、SD3、SD4，第二开关网络包括开关组件SD5、SD6、SD7、SD8。开关组件包括开关管和二极管，优选地，开关管包括三极管或MOS管。开关管与二极管反向并联，当开关组件的第一连接端的电压大于第二连接端的电压时，开关管才会导通，此时二极管反向截止；当开关组件的第二连接端的电压大于第一连接端的电压时，二极管才会导通，此时开关管不导通。

例如，当开关管为NPN型三极管时，三极管的集电极C连接二极管的阴极，并将该连接点一端作为开关组件的第一连接端；三极管的发射极E连接二极管的阳极，并将该连接点一端作为开关组件的第二连接端；三极管的基极B作为开关组件的第三连接端，用于连接控制器。当开关管为P沟道MOS管时，MOS管的漏极D连接二极管的阴极，并将该连接点一端作为开关组件的第一连接端；MOS管的源极S连接二极管的阳极，并将该连接点一端作为开关组件的第二连接端；MOS的栅极G作为开关组件的第三连接端，用于连接控制器。

第一开关网络中开关组件的连接关系如下：SD1与SD3串联，SD2与SD4串联，SD1的第二连接端与SD3的第一连接端连接，SD2的第二连接端与SD4的第一连接端连接；SD1的第一连接端与SD2的第一连接端连接，并连接第一电源的正极；SD3的第二连接端与SD4的第二连接端连接，并连接第一电源的负极。

第二开关网络中开关组件的连接关系如下：SD5与SD7串联，SD6与SD8串联，SD5的第二连接端与SD7的第一连接端连接，SD6的第二连接端与SD8的第二连接端连接；SD5的第一连接端与SD6的第一连接端连接，并连接第二电源的正极；SD7的第二连接端与SD8的第二连接端连接，并连接第二电源的负极。

变压器与第一开关网络、第二开关网络的连接关系如下：变压器的第一侧的第一连接端通过电感Lr1连接SD1的第二连接端，变压器的第一侧的第二连接端连接SD2的第二连接端；变压器的第二侧的第一连接端通过电感Lr2连接SD5的第二连接端，变压器的第二侧的第二连接端通过电容Cr连接SD6的第二连接端。变压器的第一侧的第一连接端与变压器的第二侧的第一连接端为同名端。

作为上述连接方式的一种变形，电感Lr1还可以串联在变压器的第一侧的第二连接端与SD2的第二连接端之间；电感Lr2还可以串联在变压器的第二侧的第二连接端与SD6的第二连接端之间；电容Cr还可以串联在变压器的第二侧的第一连接端与SD5的第二连接端之间。

此外，变压器的第一侧还并联有电感Lm。上述电感Lm、Lr1、Lr2可以为变压器自身的等效电感，也可以为额外连接的电感器。

另外，第一电源两端还并联有电容C1，第二电源两端并联有电容C2。

作为本实施例的一种优选实施方式，为了对开关组件SD1、SD2、SD3、SD4、SD5、SD6、SD7、SD8进行控制，该双向DC-DC转换器还包括控制器，分别连接开关组件SD1、SD2、SD3、SD4、SD5、SD6、SD7、SD8的第三连接端，该第三连接端作为控制输入端，用于根据电能转换方向通过控制输入的电压信号的高低来控制开关组件D1、SD2、SD3、SD4、SD5、SD6、SD7、SD8的开关管闭合或断开。

实施例2

本实施例提供一种控制电能从第一电源向第二电源转换的方法，用于实施例1所述的双向DC-DC转换器的控制器中，该方法包括：

S10：控制SD1和SD4的开关管闭合，同时SD8的开关管闭合。

当SD1的开关管S1和SD4的开关管S4闭合，并且SD8的开关管S8闭合时，电流回路如图2A所示，此时电感Lr1和Lr2处于储能状态，电能从第一电源DC1向Lr1和Lr2转移。

S20：控制SD1和SD4的开关管闭合，同时SD8的开关管断开。

当SD1的开关管S1和SD4的开关管S4闭合，并且SD8的开关管S8断开时，电流回路如图2B所示，此时电能从第一电源DC1向第二电源DC2转换，同时Lr1和Lr2所储存的电能也向第二电源DC2转换。

S30：控制SD2和SD3的开关管闭合，同时SD7的开关管闭合。

当SD2的开关管S2和SD3的开关管S3闭合，并且SD7的开关管S7闭合时，电流回路如图2C所示，此时电感Lr1和Lr2处于储能状态，电能从第一电源DC1向Lr1和Lr2转移。

S40：控制SD2和SD3的开关管闭合，同时SD7的开关管断开。

当SD2的开关管S2和SD3的开关管S3闭合，并且SD7的开关管S7断开时，电流回路如图2D所示，此时电能从第一电源DC1向第二电源DC2转换，同时Lr1和Lr2所储存的电压也向第二电源DC2转换。

上述控制电能从第一电源向第二电源转换的方法，通过控制SD1和SD4的开关管闭合、同时SD8的开关管闭合，然后通过控制SD1和SD4的开关管闭合、同时SD8的开关管断开；再控制SD2和SD3的开关管闭合、同时SD7的开关管闭合，然后控制SD2和SD3的开关管闭合，同时SD7的开关管断开，使电能先从第一电源向电感转移，然后电感所储存的电能再向第二电源转换，此外电能还从第一电源直接向第二电源转换，充分利用了电感储能的特性，在保持电路连接简洁的同时，实现电能从第一电源向第二电源转换。

优选地，开关管S1-S7的控制信号时间对应关系如图2E所示，SD1、SD2、SD3、SD4的开关管的控制信号为固定占空比的方波，SD7和SD8的开关管的控制信号占空比可调，通过调整占空比可以调整该双向DC-DC转换器所输出的第二电源端的电压，从而获取较宽范围内的电压，适应第二电源端母线电压波动较大的情形。

进一步地，SD1和SD4的控制信号相同；SD2和SD3的开关管的控制信号相同，并与SD1和SD4的控制信号互补，即任一时刻，SD2和SD3的开关管闭合，或者SD1和SD4的开关管闭合。

作为本实施例的一种优选实施方式，SD1、SD2、SD3、SD4的开关管的控制信号频率为该频率为变压器第二侧的LC串联谐振频率，从而构成串联谐振电路，使得电能转换效率最高、速度最快；此外，串联谐振情形下，电路的电流接近正弦波，在电流过零点时开通或关闭开关管，实现软开关工作，能够减小开关损耗，延长开关使用寿命。

实施例3

本实施例提供一种控制电能从第二电源向第一电源转换的方法，用于实施例1所述的双向DC-DC转换器的控制器中，该方法包括：

S50：控制SD6和SD7的开关管闭合，同时SD2和SD3的开关管闭合。

当SD6的开关管S6和SD7的开关管S7闭合，并且SD2的开关管S2和SD3的开关管S3闭合时，电流回路如图3A所示，此时，电能从第二电源DC2向第一电源DC1转换；同时电感Lr1和Lr2处于储能状态，电能也向Lr1和Lr2转移。

S60：控制SD6的开关管闭合、SD7的开关管断开，同时SD2和SD3的开关管闭合。

当SD6的开关管S6闭合、SD7的开关管S7断开，并且SD2的开关管S2和SD3的开关管S3闭合时，电流回路如图3B所示，Lr1和Lr2所储存的电能向第一电源DC1转换。

S70：控制SD5和SD8的开关管闭合，同时SD1和SD4的开关管闭合。

当SD5的开关管S5和SD8的开关管S8闭合，并且SD1的开关管S1和SD4的开关管S4闭合时，电流回路如图3C所示，此时，电能从第二电源DC2向第一电源DC1转换；同时，电感Lr1和Lr2处于储能状态，电能也向Lr1和Lr2转移。

S80：控制SD5的开关管闭合、SD8的开关管断开，同时SD1和SD4的开关管闭合。

当SD5的开关管S5闭合、SD8的开关管S8断开，并且SD1的开关管S1和SD4的开关管S4闭合时，电流回路如图3D所示，Lr1和Lr2所储存的电能向第一电源DC1转换。

上述控制电能从第二电源向第一电源转换的方法，通过控制SD6和SD7的开关管闭合、同时SD2和SD3的开关管闭合，然后控制SD6的开关管闭合、SD7的开关管断开、同时SD2和SD3的开关管闭合；再控制SD5和SD8的开关管闭合、同时SD1和SD4的开关管闭合，然后控制SD5的开关管闭合、SD8的开关管断开、同时SD1和SD4的开关管闭合，使电能先从第二电源向电感转移，然后电感所储存的电能再向第一电源转换，此外电能还从第二电源直接向第一电源转换，充分利用了电感储能的特性，在保持电路连接简洁的同时，实现电能从第二电源向第一电源转换。

优选地，开关管S1-S7的控制信号时间对应关系如图3E所示，SD5和SD6的开关管的控制信号为固定占空比的方波，SD7和SD8的开关管的控制信号占空比可调，可以将第二电源端较宽范围内的电压转换成第一电源的电压范围，以适应第二电源端母线电压波动较大的情形。

进一步地，SD1和SD4的控制信号相同；SD2和SD3的开关管的控制信号相同，并与SD1和SD4的控制信号互补，即任一时刻，SD2和SD3的开关管闭合，或者SD1和SD4的开关管闭合。

作为本实施例的一种优选实施方式，SD1、SD2、SD3、SD4的开关管的控制信号频率为该频率为变压器第二侧的LC串联谐振频率，从而构成串联谐振电路，使得电能转换效率最高、速度最快；此外，串联谐振情形下，电路的电流接近正弦波，在电流过零点时开通或关闭开关管，实现软开关工作，能够减小开关损耗，延长开关使用寿命。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。