DC/DC双向逆变电路及其控制方法与流程

本发明涉及开关电源领域，尤其涉及一种dc/dc双向逆变电路及其控制方法。

背景技术：

目前市面上的dc/dc双向逆变电源，在低电压转换高电压输出的转换过程中，为了获得更高的输出电压和升压比，较大功率的dc/dc双向逆变电源普遍采用的是交错模式和多相交错模式的拓扑架构来完成能量的双向传递，但在高电压转换低电压输出的模式下，功率器件的导通占空比是相对较小的，这个时候用交错模式显然会让占空比更小，交错模式功率部分开关器件及感性器件多，相对开关损耗也大，在好多应用情况下，比如变频器在电梯升降中，主轴伺服驱动单元在制动过程中，p,n直流母线端会产生一个很高的电压，这个时侯就需要一个简单的装置把这个能量储存起来，在合适的时候再回馈给母线端，用来吸收母线电压的能量并平滑母线电压，但交错模式功率器件多，成本高，功率电路转换复杂，利用率不高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种dc/dc双向逆变电路及其控制方法，旨在用于解决现有的逆变电路功率器件多，功率电路转换复杂，成本高的问题。

本发明是这样实现的：

一方面，本发明提供一种dc/dc双向逆变电路，包括buck/boost电路、输入/输出电压及电流隔离采样电路、pwm逻辑控制电路以及信号互锁及驱动电路；

所述buck/boost电路，包括第一主功率管和第二主功率管，其一侧用于连接外部的p,n母线端，另一侧用于连接蓄能模块，所述第一主功率管和所述第二主功率管在所述pwm逻辑控制电路的控制下轮流导通，使得p,n端直流电压和蓄能模块中的能量相互转换；

所述输入/输出电压及电流隔离采样电路，其输入端连接至所述buck/boost电路的输出端，输出端连接至所述pwm逻辑控制电路的输入端，用于实现对所述buck/boost电路输入、输出信号的隔离采样及传送；

所述pwm逻辑控制电路，其输出端连接至所述信号互锁及驱动电路的输入端，用于控制所述第一主功率管和所述第二主功率管轮流导通，完成对所述buck/boost电路的闭环控制；

所述信号互锁及驱动电路，其输入端连接至所述pwm逻辑控制电路的输出端，输出端连接至所述buck/boost电路的输入端，用于实现对所述buck/boost电路的强电隔离以及对其第一主功率管和第二主功率管的控制，以及提高对所述pwm逻辑控制电路的pwm波信号的驱动能力及逻辑互锁功能。

进一步地，所述buck/boost电路还包括第一电感、第一电容、第二电容及第一电阻；

所述第一主功率管的源极连接至所述第二主功率管的漏极和所述第一电感的一端；所述第一电感的另一端与所述第二电容的一端连接；所述第一主功率管漏极连接至所述第一电容的一端；所述第二主功率管的源极与所述第一电容的另一端及所述第一电阻的一端连接；所述第一电阻的另一端与所述第二电容的另一端连接；所述第一主功率管和所述第二主功率管的源极与漏极之间均连接有一续流二极管，每一所述续流二极管的阴极均与对应的主功率管的漏极连接，每一所述续流二极管的阳极均与对应的主功率管的源极连接。

进一步地，所述信号互锁及驱动电路包括光耦隔离驱动器1和光耦隔离驱动器2，所述第一主功率管的栅极和源极分别与所述光耦隔离驱动器1的输出侧连接；所述第二主功率管的栅极和源极分别与所述光耦隔离驱动器2的输出侧连接。

进一步地，所述pwm逻辑控制电路包括与所述信号互锁及驱动电路连接的pwma信号端、pwmb信号端、dicharge信号端和charge信号端。

进一步地，所述信号互锁及驱动电路还包括第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管及第六晶体管；

所述第二电阻的一端和所述第三电阻的一端分别与所述pwma信号端和所述pwmb信号端相连，所述第二电阻的另一端和所述第三电阻的另一端均与所述光耦隔离驱动器2的anode端相连；所述第四电阻的一端和所述第五电阻的一端分别与所述pwma信号端和所述pwmb信号端相连，所述第四电阻的另一端和所述第五电阻的另一端均与所述光耦隔离驱动器1的anode端相连；所述的第六电阻的一端和所述第七电阻的一端均与所述dicharge信号端连接，所述的第六电阻的另一端和所述第七电阻的另一端分别连接至所述第三晶体管的基极和所述第四晶体管的基极，所述第三晶体管和所述第四晶体管的发射极接地，集电极分别连接至所述光耦隔离驱动器2的cathode端及所述光耦隔离驱动器1的anode端；所述的第八电阻的一端和所述第九电阻的一端均与所述charge信号端连接，所述的第八电阻的另一端和所述第九电阻的另一端分别连接至所述第五晶体管的基极和所述第六晶体管的基极，所述第五晶体管和所述第六晶体管的发射极接地，集电极分别连接至所述光耦隔离驱动器2的anode端及光耦隔离驱动器1的cathode端。

另一方面，本发明还提供一种如上述的dc/dc双向逆变电路的控制方法，通过调节charge信号为高电平、discharge信号为低电平，使得buck/boost电路工作在降压模式，调节charge信号为低电平、discharge信号为高电平，使得buck/boost电路工作在升压模式。

进一步地，buck/boost电路工作在升压模式时，pwma信号以及pwmb信号为相位差互为180度、占空比小于百分之五十的信号，通过所述信号互锁及驱动电路将pwma信号和pwmb信号还原成大的占空比驱动信号并提供给所述第一主功率管及所述第二主功率管。

进一步地，charge信号以及discharge信号为互为非的两个控制信号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种dc/dc双向逆变电路及其控制方法，能实现大功率高低压能量的转换，使用最少的功率器件，充分发挥了buck/boost电路结构简单、控制电路简单优势，buck/boost电路能实现能量的输入、输出相互转换，在电路中信号互锁及驱动电路能提高主功率管的抗扰能力从而稳定可靠导通或关断，由于单级转换功率器件最少，大大降低了开关损耗，不仅成本低，还提高了整机的效率，特别适用变频器和伺服驱动装置中的能量回馈装置。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种dc/dc双向逆变电路的原理图；

图2为本发明实施例提供的一种dc/dc双向逆变电路的电路图；

图3为本发明实施例提供的一种dc/dc双向逆变电路的逻辑控制电路的波形图；其中：（a）为pwma波形；（b）为pwmb波形；（c）为控制第二主功率管栅极的开通及关断波形；（d）为控制第一主功率管栅极的开通及关断波形；（e）为升压模式下加载在第一主功率管上的信号；（f）为升压模式下加载在第二主功率管上的pwm波信号。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种dc/dc双向逆变电路，用于大功率高低压能量转换，该逆变电路包括buck/boost电路11（降压或升压斩波器）、输入/输出电压及电流隔离采样电路12、pwm逻辑控制电路13以及信号互锁及驱动电路14。

所述buck/boost电路11包括第一主功率管q1和第二主功率管q2，buck/boost电路11的一侧用于连接外部的p,n母线端，将外部的p,n母线端中的直流电压接入电路，另一侧用于连接蓄能模块，蓄能模块可以为超级电容或具有大电流充放电的储能单元，所述第一主功率管q1和所述第二主功率管q2在所述pwm逻辑控制电路13的控制下轮流导通，使得p,n端直流电压和蓄能模块中的能量相互转换，实现高低压转换的功能。

所述输入/输出电压及电流隔离采样电路12的输入端连接至所述buck/boost电路11的输出端，输出端连接至所述pwm逻辑控制电路13的输入端，用于实现对所述buck/boost电路11的输入、输出信号的隔离采样及传送。

所述pwm逻辑控制电路13的输入端连接至所述输入/输出电压及电流隔离采样电路12的输出端，输出端连接至所述信号互锁及驱动电路14的输入端，用于通过所述信号互锁及驱动电路14来控制所述第一主功率管q1和所述第二主功率管q2轮流导通，完成对buck/boost电路11的闭环控制，以实现电路中能量相互转换的目的。

所述信号互锁及驱动电路14的输入端连接至所述pwm逻辑控制电路13的输出端，输出端连接至所述buck/boost电路11的输入端，用于实现对buck/boost电路11的强电隔离以及根据所述pwm逻辑控制电路13提供的信号对其第一主功率管q1和第二主功率管q2进行控制，还用于提高对所述pwm逻辑控制电路13的pwm波信号的驱动能量及逻辑互锁功能。

本发明实施例提供的这种dc/dc双向逆变电路，能实现大功率高低压能量的转换，使用最少的功率器件，充分发挥了buck/boost电路结构简单、控制电路简单优势，buck/boost电路能实现能量的输入、输出相互转换，在电路中信号互锁及驱动电路能提高主功率管的抗扰能力从而稳定可靠导通或关断，由于单级转换功率器件最少，大大降低了开关损耗，不仅成本低，还提高了整机的效率，特别适用变频器和伺服驱动装置中的能量回馈装置。

如图2所示，为本发明实施例提供的dc/dc双向逆变电路的具体电路，现结合图2详述如下：

所述buck/boost电路11还包括第一电感l1、第一电容c1、第二电容c2及第一电阻r1；所述第一主功率管q1的源极连接至所述第二主功率管q2的漏极和所述第一电感l1的一端；所述第一电感l1的另一端与所述第二电容c2的一端连接；所述第一主功率管q1漏极连接至所述第一电容c1的一端；所述第二主功率管q2的源极与所述第一电容c1的另一端及所述第一电阻r1的一端连接；所述第一电阻r1的另一端与所述第二电容c2的另一端连接；所述第一主功率管q1和所述第二主功率管q2的源极与漏极之间均连接有一续流二极管，每一所述续流二极管的阴极均与对应的主功率管的漏极连接，每一所述续流二极管的阳极均与对应的主功率管的源极连接。

所述信号互锁及驱动电路14包括光耦隔离驱动器1和光耦隔离驱动器2，所述第一主功率管q1的栅极和源极分别与所述光耦隔离驱动器1的输出侧连接；所述第二主功率管q2的栅极和源极分别与所述光耦隔离驱动器2的输出侧连接。第一主功率管q1的栅极接收光耦隔离驱动器1输出的信号控制第一主功率管q1开通和关断，第二主功率管q2的栅极接收光耦隔离驱动器2输出的信号控制第二主功率管q2开通和关断。

所述pwm逻辑控制电路13包括与所述信号互锁及驱动电路14连接的pwma信号端、pwmb信号端、dicharge信号端和charge信号端；所述信号互锁及驱动电路14还包括第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第三晶体管q3、第四晶体管q4、第五晶体管q5及第六晶体管q6；所述第二电阻r2的一端和所述第三电阻r3的一端分别与所述pwma信号端和所述pwmb信号端相连，所述第二电阻r2的另一端和所述第三电阻r3的另一端均与所述光耦隔离驱动器2的anode端相连；所述第四电阻r4的一端和所述第五电阻r5的一端分别与所述pwma信号端和所述pwmb信号端相连，所述第四电阻r4的另一端和所述第五电阻r5的另一端均与所述光耦隔离驱动器1的anode端相连；所述的第六电阻r6的一端和所述第七电阻r7的一端均与所述dicharge信号端连接，所述的第六电阻r6的另一端和所述第七电阻r7的另一端分别连接至所述第三晶体管q3的基极和所述第四晶体管q4的基极，所述第三晶体管q3和所述第四晶体管q4的发射极接地，集电极分别连接至所述光耦隔离驱动器2的cathode端及所述光耦隔离驱动器1的anode端；所述的第八电阻r8的一端和所述第九电阻r9的一端均与所述charge信号端连接，所述的第八电阻r8的另一端和所述第九电阻r9的另一端分别连接至所述第五晶体管q5的基极和所述第六晶体管q6的基极，所述第五晶体管q5和所述第六晶体管q6的发射极接地，集电极分别连接至所述光耦隔离驱动器2的anode端及光耦隔离驱动器1的cathode端。信号互锁及驱动电路14接收pwm逻辑控制电路13的信号并通过光耦隔离驱动器2与光耦隔离驱动器1侧传送到buck/boost电路11中的第一主功率管q1、第二主功率管q2，光耦隔离驱动器2与光耦隔离驱动器1侧连接至第一主功率管q1、第二主功率管q2的栅极，第一主功率管q1、第二主功率管q2的驱动信号互锁能保证第一主功率管q1和第二主功率管q2稳定可靠在升压和降压模式下切换。

采用上述dc/dc双向逆变电路，通过调pwm逻辑控制电路13输出的两路互为180度的pwma、pwmb波占空比及charge信号、discharge信号来实现降压和升压闭环控制，完成能量的双向传递。本电路结构简单，其中信号互锁及驱动电路能提高dc/dc电路中的信号抗扰能力使之稳定可靠的工作，在升、降压过程中pwma、pwmb信号经信号互锁及驱动电路及过光耦隔离驱动器能输出大的占空比信号，尤其在升压过程中能大大提高升压比，完成升压控制中低电压转换为高电压的输出过程。整个电路架构以最少功率器件能实现大功率转换及输出。

本发明实施例还提供上述的dc/dc双向逆变电路的控制方法，通过调节charge信号为高电平、discharge信号为低电平，使得buck/boost电路11工作在降压模式，完成高电压到低电压的转换，在高电压到转换成低电压时pwm信号加载到第一主功率管q1的栅极，使电路工作在降压模式；调节charge信号为低电平、discharge信号为高电平，使得buck/boost电路11工作在升压模式。进一步地，buck/boost电路11工作在升压模式时，pwma信号以及pwmb信号为相位差互为180度、工作频率为大于20kc并留有死区时间、占空比小于百分之五十的信号，通过所述信号互锁及驱动电路14将pwma信号和pwmb信号还原成大的占空比驱动信号并提供给所述第一主功率管q1及所述第二主功率管q2，pwma信号以及pwmb信号经过光耦隔离驱动器2加载第二主功率管q2的栅极，从而提高升压比，使传送电压大大提高。

优选地，charge信号以及discharge信号为互为非的两个控制信号，除控制升压和降压的模式互换，还保第一主功率管和第二主功率管的pwm波的信号互锁作用，大大提高电路的可靠性。

具体地，如图3所示，见图3（d），在升压模式下，discharge信号为高电平，charge信号为低电平，作用于第三晶体管q3、第四晶体管q4时，第三晶体管q3、第四晶体管q4导通，第四晶体管q4的集电极接至光耦隔离驱动器1的anode端，由于第四晶体管q4的导通将传送到光耦隔离驱动器2的pwma信号旁路到地，第三晶体管q3集电极接至光耦隔离驱动器2的cathode端，此时第三晶体管q3导通，图3（a）图3（b）的pwma信号、pwmb信号通过第二电阻r2、第三电阻r3流入光耦隔离驱动器2的anode端，并通过第三晶体管q3构成回路，光耦隔离驱动器2侧将pwma、pwmb波或成更大的占空比信号驱动第二主功率管q2，见图3（f），在第二主功率管q2上产生一个占空比大于百分之九十的pwm信号，在这个信号的作用下可以大大提高升压比，提升输出电压的能力。在升压模式下charge信号为低电平，有效的保证第五晶体管q5、第六晶体管q6的关断，在降压模式下discharge信号为低电平，charge信号为高电平，原理同升压模式。相比交错模式电路，整个电路就两个功率器件（也可以是一个两单元的igbt）和一个电感，控制电路简单，体积小。

在本发明实施例中，主功率管和晶体管都可以为igbt管或mos管等开关器件。dc/dc双向逆变电路中的输入/输出及电流隔离采样电路12及信号互锁及驱动电路14中的光耦隔离驱动器1和光耦隔离驱动器2中的隔离器件可以采用磁隔离或光隔离器件等，其工作原理不再赘述。其中，所述的pwm逻辑控制电路13优选dsp（digitalsignalprocessor,数字信号处理器），此外，也可以采用单片机或plc（programmablelogiccontroller,可编程逻辑控制器）等其他类型的可编程逻辑器件，并不局限。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。