一种隔离型双向DC‑DC变换装置的制作方法

本实用新型涉及DC-DC变换装置领域，尤其涉及一种隔离型双向DC-DC变换装置。

背景技术：

在UPS(不间断电源)、电动车、航空电源等领域，双向DC-DC电源的应用越来越广泛，具有成本低、重量轻等优势。DC-DC变换装置通过升压、降压等方式将一种直流电压转换为另一种直流电压，而双向DC-DC变换装置还可实现能量的双向流动。按结构来说，双向DC-DC变换装置可分为隔离型和非隔离型，隔离型的是用变压器将输入侧和输出侧进行电气隔离，能量通过磁化传递到输出侧，而非隔离型的是通过开关管直接完成输入侧和输出侧之间的能量传递。

现有的双向DC-DC变换装置均为硬开关电路，由于实际应用中双向DC-DC变换装置的开关器件长期处于开关频率较高的状态下，因此现有的双向DC-DC变换装置的开关损耗非常大，浪费能源；而且，二极管在开关频率较高的状态下，存在上一个脉冲走后未能完全反向关断则下一个脉冲又来的情况，此时二极管就会在正、反向都可导通，失去了开关作用。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提出一种通过软开关技术大大地降低开关损耗，并且有效过滤噪声，能量输出稳定，电压变换效率高的隔离型双向DC-DC变换装置。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种隔离型双向DC-DC变换装置，包括主体模块、升降压模块和软开关模块；

所述主体模块用于完成电源的能量双向变换和传递；

所述升降压模块用于对所述主体模块的输出电压进行升降压处理；

所述软开关模块用于控制所述升降压模块的零电流开通和零电压关断；

所述软开关模块包括电容Cr1、Cr2、电感Lr、开关管Q11和二极管D11、D12、D13，所述电感Lr的一端、电容Cr1的一端，电容Cr2的一端和二极管D11的正极均与所述开关管Q11的源极电连接，所述电容Cr2的另一端、二极管D11的负极和二极管D13的负极均与所述开关管Q11的漏极电连接，所述二极管D12的正极和所述电感Lr的另一端电连接，所述二极管D12的负极、二极管D13的正极和所述电容Cr1的另一端电连接。

优选地，所述升降压模块包括电感L1、继电器KM、开关管Q9、Q10、二极管D9、D10和电容C1、C2；

所述电感L1的一端和所述电容C1电连接，所述电感L1的另一端和继电器KM的触片电连接，所述继电器KM的第一触点A和所述电感Lr的一端电连接，所述继电器KM的第二触点B和所述电感Lr的另一端电连接，所述电容C2的一端和所述开关管Q11的漏极电连接，所述电容C1的另一端和所述电容C2的另一端电连接；

所述开关管Q9的漏极、二极管D9的负极和所述电感L1的另一端电连接，所述开关管Q10的漏极、二极管D10的负极和所述电感Lr的另一端电连接，所述开关管Q9的源极、二极管D9的正极、开关管Q10的源极和二极管D10的正极均与所述电容C2的另一端电连接。

优选地，所述主体模块包括蓄电池Bat、变压器T1、第一桥式变流电路、第二桥式变流电路,所述蓄电池Bat通过所述第一桥式变流电路和变压器T1的第一绕组N1电连接，所述电容C1通过所述第二桥式变流电路和变压器T1的第二绕组N2电连接。

优选地，所述第一桥式变流电路包括开关管Q1、Q2、Q3、Q4和二极管D1、D2、D3、D4，所述开关管Q1的漏极、开关管Q3的漏极、二极管D1的负极和二极管D3的负极均与所述蓄电池Bat的正极电连接，所述开关管Q2的源极、开关管Q4的源极、二极管D2的正极和二极管D4的正极均与所述蓄电池Bat的负极电连接，所述开关管Q1的源极、开关管Q2的漏极、二极管D1的正极和二极管D2的负极均与所述变压器T1的第一绕组N1的一端电连接，所述开关管Q3的源极、开关管Q4的漏极、二极管D3的正极和二极管D4的负极均与所述变压器T1的第一绕组N1的另一端电连接。

优选地，所述第二桥式变流电路包括开关管Q5、Q6、Q7、Q8和二极管D5、D6、D7、D8，所述开关管Q5的漏极、开关管Q7的漏极、二极管D5的负极和二极管D7的负极均与所述电容C1的一端电连接，所述开关管Q6的源极、开关管Q8的源极、二极管D6的正极和二极管D8的正极均与所述电容C1的另一端电连接，所述开关管Q5的源极、开关管Q6的漏极、二极管D5的正极和二极管D6的负极均与所述变压器T1的第二绕组N2的一端电连接，所述开关管Q7的源极、开关管Q8的漏极、二极管D7的正极和二极管D8的负极均与所述变压器T1的第二绕组N2的另一端电连接。

优选地，所述第二桥式变流电路还包括电感L2，所述电感L2的一端和所述变压器T1的第二绕组N2的另一端电连接，所述电感L2的另一端和所述开关管Q8的漏极电连接。

所述隔离型双向DC-DC变换装置通过所述软开关模块3对所述开关管Q9、Q10、Q11起到谐振作用，实现所述开关管Q9、Q10、Q11的零电流开通和零电压关断，可大大地减少开关损耗，节能环保，减少器件功率损耗。所述隔离型双向DC-DC变换装置可实现能量双向变换和传递，并且有效过滤噪声，能量输出稳定，功率损耗低，大大地提高变换效率。

附图说明

附图对本实用新型做进一步说明，但附图中的内容不构成对本实用新型的任何限制。

图1是本实用新型其中一个实施例的模块结构示意图；

图2是本实用新型其中一个实施例的变换装置整体电路图；

图3是本实用新型其中一个实施例的软开关模块电路图；

图4是本实用新型其中一个实施例的升降压模块电路图；

图5是本实用新型其中一个实施例的主体模块电路图。

其中：主体模块1；升降压模块2；软开关模块3；蓄电池Bat；变压器T1；开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q11；电容C1、C2、Cr1、Cr2；电感Lr、L1、L2；二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11、D12、D13；继电器KM；第一绕组N1；第二绕组N2；第一触点A；第二触点B。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

本实施例的隔离型双向DC-DC变换装置，如图1、图2所示，包括主体模块1、升降压模块2和软开关模块3；

所述主体模块1用于完成电源的能量双向变换和传递；

所述升降压模块2用于对所述主体模块1的输出电压进行升降压处理；

所述软开关模块3用于控制所述升降压模块2的零电流开通和零电压关断；

如图2、图3所示，所述软开关模块3包括电容Cr1、Cr2、电感Lr、开关管Q11和二极管D11、D12、D13，所述电感Lr的一端、电容Cr1的一端，电容Cr2的一端和二极管D11的正极均与所述开关管Q11的源极电连接，所述电容Cr2的另一端、二极管D11的负极和二极管D13的负极均与所述开关管Q11的漏极电连接，所述二极管D12的正极和所述电感Lr的另一端电连接，所述二极管D12的负极、二极管D13的正极和所述电容Cr1的另一端电连接。

由于在升降压过程中所述开关管Q11的通断频率较高，因此所述开关管Q11的开关损耗非常大，所述软开关模块3对所述开关管Q11实现零电流开通和零电压关断，可大大地减少所述开关管Q11的开关损耗，节能环保，减少器件功率损耗。所述隔离型双向DC-DC变换装置可实现能量双向变换和传递，并且有效过滤噪声，能量输出稳定，功率损耗低，大大地提高变换效率。

所述电容Cr1、Cr2和电感Lr均对所述开关管Q11起到谐振作用，从而使得所述开关管Q11在导通前电流先降到零(即实现零电流开通)，以及在关断前电压先降到零(即实现零电压关断)，有效消除通断过程中电压、电流的重叠，从而大大地减小所述开关管Q11的开关损耗；而且，谐振可限制通断过程中电压和电流的变化，使得所述开关管Q11的开关噪声有效减小。

优选地，如图2、图4所示，所述升降压模块2包括电感L1、继电器KM、开关管Q9、Q10、二极管D9、D10和电容C1、C2；

所述电感L1的一端和所述电容C1电连接，所述电感L1的另一端和继电器KM的触片电连接，所述继电器KM的第一触点A和所述电感Lr的一端电连接，所述继电器KM的第二触点B和所述电感Lr的另一端电连接，所述电容C2的一端和所述开关管Q11的漏极电连接，所述电容C1的另一端和所述电容C2的另一端电连接；

所述开关管Q9的漏极、二极管D9的负极和所述电感L1的另一端电连接，所述开关管Q10的漏极、二极管D10的负极和所述电感Lr的另一端电连接，所述开关管Q9的源极、二极管D9的正极、开关管Q10的源极和二极管D10的正极均与所述电容C2的另一端电连接。

所述电感L1起到蓄能滤波作用，以减少升降压过程中的噪声，提高输出电压的稳定性。所述继电器KM用于升压模式和降压模式的选择和切换，响应瞬速可靠，当所述继电器KM的触片和第一触点A连接时，所述升降压模块2处于升压模式；当所述继电器KM的触片和第二触点B连接时，所述升降压模块2处于降压模式。所述开关管Q11的栅极和降压PWM控制器电连接，调节所述开关管Q11的通断占比即可控制所述升降压模块2的降压量。所述开关管Q9的栅极和升压PWM控制器电连接，调节所述开关管Q9的通断占比即可控制所述升降压模块2的升压量。所述开关管Q10为所述开关管Q9的辅助开关管，所述开关管Q10和所述软开关模块3共同作用，实现对所述开关管Q9的零电流开通和零电压关断，大大地减小所述开关管Q9的开关损耗和开关噪声，提高升压质量。

优选地，如图2、图5所示，所述主体模块1包括蓄电池Bat、变压器T1、第一桥式变流电路、第二桥式变流电路,所述蓄电池Bat通过所述第一桥式变流电路和变压器T1的第一绕组N1电连接，所述电容C1通过所述第二桥式变流电路和变压器T1的第二绕组N2电连接。

所述主体模块1实现能量双向变换和传递：所述蓄电池Bat可向所述电容C1供电，所述电容C1也可向所述蓄电池Bat充电；所述蓄电池Bat和所述电容C1之间设置所述变压器T1，从而所述蓄电池Bat和所述电容C1之间起到电气隔离作用，有效地对噪声进行过滤，大大地减少噪声对升降压效果的影响。并且在所述蓄电池Bat的那侧设置所述第一桥式变流电路，从而将所述蓄电池Bat输出的直流电转换成交流电，保证在所述蓄电池Bat那侧的能量可通过所述变压器T1传递给所述电容C1；同理，在所述电容C1的那侧设置所述第二桥式变流电路，从而将所述电容C1输出的直流电转换成交流电，保证在所述电容C1那侧的能量可通过所述变压器T1传递给所述蓄电池Bat。

所述升降压模块2用于对所述电容C1的电压进行升降压处理，当所述蓄电池Bat处于放电状态时，所述升降压模块2对所述电容C1的电压进行升压处理，以向外接负载提供稳定且电压值适合的电能；当所述蓄电池Bat处于充电状态时，所述升降压模块2对所述电容C1的电压进行降压处理，以将外接电源的输出电压值降至稳定且符合所述蓄电池Bat的输入电压要求，提高充电安全性。

优选地，如图5所示，所述第一桥式变流电路包括开关管Q1、Q2、Q3、Q4和二极管D1、D2、D3、D4，所述开关管Q1的漏极、开关管Q3的漏极、二极管D1的负极和二极管D3的负极均与所述蓄电池Bat的正极电连接，所述开关管Q2的源极、开关管Q4的源极、二极管D2的正极和二极管D4的正极均与所述蓄电池Bat的负极电连接，所述开关管Q1的源极、开关管Q2的漏极、二极管D1的正极和二极管D2的负极均与所述变压器T1的第一绕组N1的一端电连接，所述开关管Q3的源极、开关管Q4的漏极、二极管D3的正极和二极管D4的负极均与所述变压器T1的第一绕组N1的另一端电连接。

当所述蓄电池Bat向外接负载供电时，通过控制所述开关管Q1、Q2、Q3、Q4的通断即可将所述蓄电池Bat输出的直流电逆变成交流电，保证在所述蓄电池Bat那侧的能量可通过所述变压器T1传递给所述电容C1。当外接电源给所述蓄电池Bat充电时，所述开关管Q1、Q2、Q3、Q4均处于关断状态，所述变压器T1输出的交流电通过二极管D1、D2、D3、D4的整流作用转换成直流电，以符合所述蓄电池Bat的充电要求，保证充电的可靠安全性。

优选地，如图5所示，所述第二桥式变流电路包括开关管Q5、Q6、Q7、Q8和二极管D5、D6、D7、D8，所述开关管Q5的漏极、开关管Q7的漏极、二极管D5的负极和二极管D7的负极均与所述电容C1的一端电连接，所述开关管Q6的源极、开关管Q8的源极、二极管D6的正极和二极管D8的正极均与所述电容C1的另一端电连接，所述开关管Q5的源极、开关管Q6的漏极、二极管D5的正极和二极管D6的负极均与所述变压器T1的第二绕组N2的一端电连接，所述开关管Q7的源极、开关管Q8的漏极、二极管D7的正极和二极管D8的负极均与所述变压器T1的第二绕组N2的另一端电连接。

当外接电源给所述蓄电池Bat充电时，通过控制所述开关管Q5、Q6、Q7、Q8的通断即可将所述电容C1输出的直流电逆变成交流电，保证在所述电容C1那侧的能量可通过所述变压器T1传递给所述蓄电池Bat。当所述蓄电池Bat向外接负载供电时，所述开关管Q5、Q6、Q7、Q8均处于关断状态，所述变压器T1输出的交流电通过二极管D5、D6、D7、D8的整流作用转换成直流电，以符合所述升降压模块2的输入电压要求，保证升降压的可靠安全性。

优选地，如图2、图5所示，所述第二桥式变流电路还包括电感L2，所述电感L2的一端和所述变压器T1的第二绕组N2的另一端电连接，所述电感L2的另一端和所述开关管Q8的漏极电连接。所述电感L2设置于所述变压器T1的第二绕组N2和所述开关管Q8之间，起到减少所述第二桥式变流电路的纹波，所述电感L2对直流的阻抗小，交流的阻抗大，因此能够得到较好的滤波效果而直流损失小，使输出电流波形较为平滑，大大地减少所述第二桥式变流电路的纹波电流。

优选地，所述隔离型双向DC-DC变换装置的控制方法，包括蓄电池充电方法：

步骤A1,电容C2外接电源，继电器KM的触片打向第二触点B，导通开关管Q11，关断开关管Q9、Q10，从而在电容C2上的电量通过开关管Q11、电感L1和电感Lr输送给电容C1，并且经过电感L1、Lr的电流增加；

步骤A2，关断开关管Q11，从而在电感L1的电量输送给电容C1；

步骤A3，导通开关管Q5、Q8，关断开关管Q6、Q7，从而在电容C1的电量通过开关管Q5、Q8输送给变压器T1的第二绕组N2，使变压器T1的第二绕组N2被激励，变压器T1的第一绕组N1感应出正电压，在变压器T1的电量通过二极管D1、D4输送给蓄电池Bat；

步骤A4，关断开关管Q5、Q8，导通开关管Q6、Q7，从而在电容C1的电量通过开关管Q6、Q7输送给变压器T1的第二绕组N2，使变压器T1的第二绕组N2被消磁，变压器T1的第一绕组N1感应出负电压，在变压器T1的电量通过二极管D2、D3输送给蓄电池Bat。

所述电容C2外接电源，所述步骤A1和步骤A2的结合为所述升降压模块2在降压模式下的工作过程：所述开关管Q11导通时，电流经电容C2——开关管Q11——电感Lr——继电器KM——电感L1——电容C1形成回路，此过程中经过电感L1、Lr的电流增加，起到储能作用；所述开关管Q11关断时，电感L1释放能量，电流经电感L1——电容C1——二极管D9、D10形成回路，从而完成能量从电容C2到电容C1的转移。

所述步骤A3和步骤A4的结合为所述主体模块1将能量从电容C1转移到蓄电池Bat的过程，需要说明的是此过程中所述开关管Q1、Q2、Q3、Q4均处于关断状态：导通开关管Q5、Q8并关断开关管Q6、Q7时，电流经电容C1——开关管Q5——变压器T1的第二绕组N2——电感L2——开关管Q8形成回路，所述变压器T1的第二绕组N2被激励；同过变压器T1的第一绕组N1感应出正电压，电流经变压器T1的第一绕组N1——二极管D1——蓄电池Bat——二极管D4形成回路，蓄电池Bat处于充电状态。关断开关管Q5、Q8，导通开关管Q6、Q7时，电流经电容C1——开关管Q7——电感L2——变压器T1的第二绕组N2——开关管Q6形成回路，所述变压器T1的第二绕组N2被消磁，使变压器T1恢复磁平衡；同时变压器T1的第一绕组N1感应出负电压，电流经变压器T1的第一绕组N1——二极管D3——蓄电池Bat——二极管D2形成回路，蓄电池Bat处于充电状态。

而且，在所述步骤A1和步骤A2中还包括开关管Q11的零电流开通和零电压关断的过程：开关管Q11导通时，由于电感Lr的谐振作用，所述开关管Q11的电流从零开始增加，开关管Q11实现零电流开通，降低开关管Q11的开关损耗。随着电感Lr的电流增加，流过二极管D9、D10的电流减少，当电感Lr的电流增加到和电感L1的电流一样大时，流过二极管D9、D10的电流减少到零，二极管D9两端的电压和二极管D10两端的电压均上升，二极管D9、D10实现了软关断，保证二极管D9、D10完全关断，并降低二极管D9、D10的开关损耗。

当开关管Q11关断时，由于电容Cr2的谐振作用，开关管Q11两端的电压缓慢上升，实现了开关管Q11的零电压关断，降低开关管Q11的开关损耗。并且电容C2通过电感Lr、L1对电容Cr2充电，当电容Cr2两端的电压接近电容C2两端的电压时，二极管D9、D10实现导通。此后，电容C2——电容Cr2——电感Lr——电感L1——电容C1进行谐振，电感Lr的电流减少，二极管D9、D10的电流增大，电容Cr2两端的电压升高。当电感Lr的电流减少到0时，电容Cr2两端的电压达到峰值。此后电容Cr2——电容C2——二极管D9、D10——电感Lr进行反向谐振，当电容Cr2两端的电压减少到0时，电容Cr2被二极管D11钳位，电感Lr的电流继续减少，谐振结束，为下一次开关管Q11的导通做好准备。所述蓄电池充电方法实现了对开关管Q11的零电流开通和零电压关断，降低了给所述蓄电池Bat充电时的开关损耗，提高能量利用率。

优选地，还包括蓄电池放电方法：

步骤B1，电容C2外接负载，导通开关管Q1、Q4，关断开关管Q2、Q3，蓄电池Bat通过开关管Q1、Q4向变压器T1的第一绕组N1放电，变压器T1的第一绕组N1被激励，从而使变压器T1的第二绕组N2感应出正电压，在所述变压器T1的电量通过二极管D5、D8输送给电容C1；

步骤B2，关断开关管Q1、Q4，导通开关管Q2、Q3，蓄电池Bat通过开关管Q2、Q3向变压器T1的第一绕组N1放电，变压器T1的第一绕组N1被消磁，从而使变压器T1的第二绕组N2感应出负电压，在所述变压器T1的电量通过二极管D6、D7输送给电容C1；

步骤B3，继电器KM的触片打向第一触点A，关断开关管Q11，导通开关管Q9、Q10，从而在电容C1上的电量通过开关管Q9、Q10输送给电感L1，使经过电感L1的电流增加；

步骤B4，关断开关管Q9、Q10，在电容C1上的电量通过电感L1和二极管D11输送给电容C2。

所述电容C2外接负载，所述步骤B1和步骤B2的结合为所述主体模块1将能量从蓄电池Bat转移到电容C1的过程，需要说明的是此过程中所述开关管Q5、Q6、Q7、Q8均处于关断状态：导通开关管Q1、Q4，关断开关管Q2、Q3时，电流经蓄电池Bat——开关管Q1——变压器T1的第一绕组N1——开关管Q4形成回路，变压器T1的第一绕组N1被激励；同时变压器T1的第二绕组N2感应出正电压，电流经变压器T1的第二绕组N2——二极管D5——电容C1——二极管D8——电感L2形成回路，蓄电池Bat处于放电状态。关断开关管Q1、Q4，导通开关管Q2、Q3时，电流经蓄电池Bat——开关管Q3——变压器T1的第一绕组N1——开关管Q2形成回路，变压器T1的第一绕组N1被消磁，使变压器T1恢复磁平衡；同时变压器T1的第二绕组N2感应出负电压，电流经变压器T1的第二绕组N2——电感L2——二极管D7——电容C1——二极管D6形成回路，蓄电池Bat处于放电状态。

所述步骤B3和步骤B4的结合为所述升降压模块2在升压模式下的工作过程：关断开关管Q11并导通开关管Q9、Q10时，电流经电容C1——电感L1——继电器KM——开关管Q9形成回路，所述电感L1的电流增加。关断开关管Q9、Q10时，所述电感L1释放能量，电流经电容C1——电感L1——继电器KM——二极管D11——电容C2形成回路，从而完成能量从电容C1到电容C2的转移。

而且，在所述步骤B3和步骤B4中还包括开关管Q9在开关管Q10的辅助下实现零电流开通和零电压关断的过程：当开关管Q9关断时，电感L1释放能量，电流经电容C1——电感L1——继电器KM——二极管D11——电容C2形成回路。开关管Q10先于开关管Q9导通，由于电感Lr的谐振作用，所述开关管Q10的电流从零开始增加，开关管Q10实现零电流开通，降低开关管Q10的开关损耗。随着电感Lr电流的增加，流过二极管D11的电流减少，当电感Lr的电流增加到和电感L1的电流一样大时，流过二极管D11的电流减少到零，二极管D11实现了软关断，此时电流经电容C1——电感L1——继电器KM——电感Lr——开关管Q10形成回路。由于电感Lr的感值远小于电感L1的感值，电感Lr两端的电压很低，此时导通开关管Q9，从而实现开关管Q9的零电压、零电流开通，降低开关管Q9的开关损耗。此时关断开关管Q10，则电感Lr的电流通过电感Lr——二极管D12——电容Cr1以及电感Lr——二极管D12、D13——电容Cr2形成回路。由于电容Cr1、Cr2两端的电压均缓慢上升，开关管Q10实现了零电压关断，电感Lr的能量转移到电容Cr1和电容Cr2中。当开关管Q9关断时，由于电容Cr1、Cr2积聚了电压，电感L1的电流需要对电容Cr1、Cr2放电，电容Cr1、Cr2的电压缓慢下降，开关管Q9两端的电压缓慢上升，使得开关管Q9实现了零电压关断，电容Cr1、Cr2的能量转移到电容C2中。所述蓄电池放电方法实现了开关管Q9的零电流开通和零电压关断，开关管Q10实现零电流开通和零电压关断，及二极管D11的软关断，降低了所述蓄电池Bat放电时的开关损耗，提高能量利用率。

本实施例的隔离型双向DC-DC变换装置具有以下有益效果：1.所述电容Cr1、Cr2和电感Lr均对所述开关管Q9、Q10、Q11起到谐振作用，实现开关管Q9、Q10、Q11的零电流开通和零电压关断，大大地减小开关损耗；2.所述主体模块1实现能量双向变换和传递，所述蓄电池Bat和所述电容C1之间设置所述变压器T1，有效地对噪声进行过滤，大大地减少噪声对升降压效果的影响；3.所述电感L2使输出电流波形较为平滑，大大地减少所述第二桥式变流电路的纹波电流。

以上结合具体实施例描述了本实用新型的技术原理。这些描述只是为了解释本实用新型的原理，而不能以任何方式解释为对本实用新型保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其它具体实施方式，这些方式都将落入本实用新型的保护范围之内。