一种隔离型双向变换器装置的制作方法

本发明涉及电力电子产品领域，具体涉及一种隔离型双向变换器装置。

背景技术：

随着微电网技术和储能技术的发展，双向ac-dc变换器技术的研究得到了广泛的关注。双向ac-dc变换器可用于交流电压与直流电压的双向变换，能量能够实现在变换器的输入端和输出端双向流动。

传统的非隔离型双向ac-dc变换器应用在上述市场时，需要在交流侧加入工频变压器进行隔离，存在体积大、损耗大等缺点，并不适合上述新兴的市场的高效率、高功率密度应用需求。在《一种三相交流和直流双向变换器》(专利号cn202406057u)中，主电路拓扑采用原边一颗数字控制器(dsp)控制，需要复杂的隔离型采样和隔离型驱动电路，拓扑中只采用单母线电压方式，母线电压比较高，对母线电容的选取和母线电压采样带来很大的难度。在《功率变换装置与功率变换方法》(专利申请号cn201611056616.6)中，主电路采用三级串联拓扑的结果实现了双向变换功能，后面两级拓扑采用了定频llc电路加升降压电路的方式实现直流/直流双向变换，主电路拓扑复杂，开关器件较多，并不能实现最优的整机效率。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是一种隔离型双向变换器装置，通过该电路拓扑，能够实现三相或单相交流电压与直流电压之间的双向变换、直流电压与直流电压双向隔离变换，整个装置具有高效率、高功率密度的优势，由于第一、第二数字控制器分别对第一、第二单元变换电路进行控制，相比于采用一个数字控制器的方式，在异常情况下两个数字控制器能够及时关断各自控制的单元变换电路，阻止出现功率流倒灌的情况。由于配备了两路对外通讯接口，变换器装置在整流或逆变时，除了一条通讯线接监控系统外，另外一条通讯线可以直接接电池管理系统，简化了整个系统的监控设计。第二数字控制器通过隔离采样母线电压，使得第一数字控制器和第一数字控制器能够独自快检测母线电压，通过控制可以有效防止工作过程中母线电压出现过压和欠压的情况。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种隔离型双向变换器装置，包括第一单元变换电路和第二单元变换电路；所述第一单元变换电路和第二单元变换电路均为双向变换电路，所述第二单元变换电路最少包含一个隔离变压器；还包括第一数字控制器、第二数字控制器、隔离电路，所述第一数字控制器电路连接控制第一单元变换电路，所述第二数字控制器电路连接控制所述第二单元变换电路，所述第一数字控制器与所述第二数字控制器通过隔离电路进行连接。

作为优选的技术方案，所述第一单元变换电路为交流/直流双向变换电路或者直流/直流双向变换电路。

作为优选的技术方案，所述第一单元变换电路为三相桥式电路。

作为优选的技术方案，所述三相桥式电路包含三个电感、三组桥臂和母线电容，每组桥臂由两个开关器件串联构成，每组所述桥臂的中点分别连接一个所述电感的一端，三组所述桥臂的两端与所述母线电容一起并联连接所述第一单元变换电路的输出端，三个电感的另一端分别连接第一单元变换电路的输入端。

作为优选的技术方案，所述第一单元变换电路为i型三电平电路、t型三电平电路、飞跨电容型三电平电路中的任意一种电路。

作为优选的技术方案，所述第二单元变换电路为直流/直流双向变换电路，与所述隔离变压器直接连接的主功率回路中最少串联一个隔直电容。

作为优选的技术方案，所述第二单元变换电路包含一个电感、一个电容、一个隔离变压器和四组桥臂，每组桥臂由两个开关器件串联构成，其中两组桥臂的中点分别与隔离变压器一侧连接，两组桥臂的两端并联连接第二单元变换电路的输入端；另外两组桥臂的中点分别与隔离变压器另一侧连接，该桥臂的两端并联连接第二单元变换电路的输出端，四组桥臂与隔离变压器任意回路中串联电感。

作为优选的技术方案，所述双向直流/直流变换电路为多电平双向直流/直流变换电路。

作为优选的技术方案，所述第二数字控制器通过隔离采样电路采样母线电压。

作为优选的技术方案，所述第一数字控制器和所述第二数字控制器最少分别连接一路对外通讯接口。

本发明的有益效果是：一、通过本发明的隔离型双向变换器装置，可以实现三相或单相交流电压与直流电压之间的双向变换、直流电压与直流电压双向隔离变换，整个装置具有高效率、高功率密度的优势；

二、由于第一、第二数字控制器分别对第一、第二单元变换电路进行控制，相比于采用一个数字控制器的方式，在异常情况下两个数字控制器能够及时关断各自控制的单元变换电路，阻止出现功率流倒灌的情况；

三、由于配备了两路对外通讯接口，变换器装置在整流或逆变时，除了一条通讯线接监控系统外，另外一条通讯线可以直接接电池管理系统，简化了整个系统的监控设计；

四、第二数字控制器通过隔离采样母线电压，使得第一数字控制器和第一数字控制器能够独自快检测母线电压，通过控制可以有效防止工作过程中母线电压出现过压和欠压的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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1为一种三相交流和直流双向变换器专利电路图；

图2为功率变换装置与功率变换方法电路框图；

图3为本发明的隔离型双向变换器装置的示意图；

图4为本发明的隔离型双向变换器装置的具体示意图；

图5为本发明装置第一单元变换电路为单相桥式电路图；

图6为本发明装置第一单元变换电路为单相i型三电平电路图；

图7为本发明装置第一单元变换电路为单相t型三电平电路图；

图8为本发明装置第一单元变换电路为三相桥式电路图；

图9为本发明装置第一单元变换电路为三相i型三电平电路图；

图10为本发明装置第一单元变换电路为三相t型三电平电路图；

图11为本发明装置第二单元变换电路为两组全桥电路图；

图12为本发明装置第二单元变换电路为两组全桥i型三电平电路图；

图13为本发明装置第二单元变换电路为两组全桥t型三电平电路图；

图14为本发明的隔离型双向变换器装置的第一实施例电路图；

图15为本发明的隔离型双向变换器装置的第二实施例电路图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本发明使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“套接”、“连接”、“贯穿”、“插接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1-图3所示，图3中功率端口1连接第一单元变换电路的输入端，第一单元变换电路的输出端连接第二单元变换电路的输入端，第二单元变换电路的输出端连接功率端口2。第一数字控制器连接控制第一单元变换电路，第二数字控制器连接控制第二单元变换电路，第一数字控制器与第二数字控制器通过隔离电路进行连接。功率端口1和功率端口2分别支持交流电压输入、直流电压输出，或者交流电压输出、直流电压输入，或者直流电压与直流电压双向输入和输出。

图4给出了本发明的隔离型双向变换器装置的具体示意图，图中第一单元变换电路具体为交流/直流双向变换电路，或者为直流/直流双向变换电路，第二单元变换电路具体为直流/直流双向变换电路。

当隔离型双向变换器装置具体实施例中第一单元变换电路为单相桥式电路时，电路如图5所示。图中开关器件q1与q2串联构成一组桥臂，桥臂的中点连接到电感l1一端，电感l1的另一端连接第一单元变换电路的输入端，桥臂的两端连接第一单元变换电路的输出端。

当隔离型双向变换器装置具体实施例中第一单元变换电路为单相i型三电平电路时，电路如图6所示。图中开关器件q1、q2、q7和q8串联构成一组桥臂，其中q1与q7构成上桥臂，q2与q8构成下桥臂；母线电容c1与c2串联连接点作为参考地电平，串联中点连接到二极管d13的阳极和d14的阴极，d13的阴极连接q1与q7的串联中点，d14的阳极连接q2与q8的串联中点，上桥臂和下桥臂的串联中点连接到电感l1一端，电感l1的另一端连接第一单元变换电路的输入端，桥臂的两端和母线电容c1、c2串联的两端并联连接第一单元变换电路的输出端。

当隔离型双向变换器装置具体实施例中第一单元变换电路为单相t型三电平电路时，具体电路如图7所示。图中开关器件q1与q2串联构成一组桥臂，开关器件q7与q8对顶串联构成另外一组桥臂，母线电容c1与c2串联连接点作为参考地电平，q7与q8桥臂两端分别连接到q1、q2桥臂的中点与母线电容c1、c2串联的中点，q1与q2桥臂中点连接到电感l1一端，q1与q2桥臂的两端和母线电容c1、c2串联的两端并联连接第一单元变换电路的输出端，电感l1的另一端连接第一单元变换电路的输入端。

当隔离型双向变换器装置具体实施例中第一单元变换电路为三相桥式电路时，电路如图8所示。电路由三路并联单相桥式电平单元电路组成，每路单元电路连接与图5相同，三个电感的一端分别连接第一单元变换电路的输入端，三个桥臂的两端和母线电容的两端并联连接到第一单元变换电路的输出端。

当隔离型双向变换器装置具体实施例中第一单元变换电路为三相i型三电平电路时，电路如图9所示。电路由三路并联i型三电平电路组成，每路单元电路连接与图6相同，三个电感的一端分别连接第一单元变换电路的输入端，三个桥臂的两端和母线电容的两端并联连接到第一单元变换电路的输出端。

当隔离型双向变换器装置具体实施例中第一单元变换电路为三相t型三电平电路时，具体电路如图10所示。电路由三路并联t型三电平电路组成，每路单元电路连接与图7相同，三个电感的一端分别连接第一单元变换电路的输入端，三个桥臂的两端和母线电容的两端并联连接到第一单元变换电路的输出端。

当隔离型双向变换器装置具体实施例中第二单元变换电路隔离变压器两侧均为全桥电路时，电路如图11所示。电路由四路单相桥式单元电路组成，每路单元电路连接与图5相同，两路单元电路组成一组全桥电路，每一组全桥电路中的桥臂中点分别连接隔离变压器的一侧的两个端口，四组桥臂中点与隔离变压器连接的主功率回路中串联一个隔直电容和一个电感。

当隔离型双向变换器装置具体实施例中第二单元变换电路隔离变压器两侧均为全桥i型三电平电路时，电路如图12所示。电路由四路i型三电平单元电路组成，每路单元电路连接与图6相同，两路单元电路组成一组全桥电路，每一组全桥电路中的桥臂中点分别连接隔离变压器的一侧的两个端口，四组桥臂中点与隔离变压器连接的主功率回路中串联一个隔直电容和一个电感。

当隔离型双向变换器装置具体实施例中第二单元变换电路隔离变压器两侧均为全桥t型三电平电路时，具体电路如图13所示。电路由四路t型三电平单元电路组成，每路单元电路连接与图7相同，两路单元电路组成一组全桥电路，每一组全桥电路中的桥臂中点分别连接隔离变压器的一侧的两个端口，四组桥臂中点与隔离变压器连接的主功率回路中串联一个隔直电容和一个电感。

下面根据附图和实施例对本发明装置做更进一步详细说明：

实施例一

图14给出了本发明的隔离型双向变换器的第一实施例的电路图。图14中所示的隔离型双向变换器装置，包括功率端口1、功率端口2、三相桥式电路、母线电容、隔离型dc-dc电路、采样电路、驱动电路、第一数字控制器电路和第二数字控制器电路。功率端口1和功率端口2分别支持交流电压输入、直流电压输出，或者交流电压输出、直流电压输入，或者直流电压与直流电压双向输入和输出。

三相桥式电路，包括第一电感l1、第二电感l2和第三电感l3，第一母线电容c1，第二母线电容c2和q1～q6六个开关mos管器件，其中q1和q2串联组成的第一桥臂电路，q3和q4串联组成的第二桥臂电路，q5和q6串联组成的第三桥臂电路，每组桥臂电路的上管mos管的源极与下管mos管的漏极连接组成桥臂电路中点。功率端口1的ua、ub、uc火线分别与所述第一电感l1、第二电感l2和第三电感l3的一端连接，所述第一电感l1、第二电感l2和第三电感l3的另一端分别与所述第一、第二、第三桥臂电路中点连接。所述第一、第二、第三桥臂电路的q1、q3、q5开关器件的漏极连接到第一母线电容c1的正端；所述第一、第二、第三桥臂电路的q2、q4、q6开关器件的源极连接到第二母线电容c2的负端，所述第一母线电容c1的负极与所述第二母线电容c2的正极连接。

隔离型dc-dc电路，包括隔离变压器t1，第四电感l4，第三电解电容c3和q7～q14八个开关mos管器件，其中q7和q8串联组成第四桥臂电路，q9和q10串联组成第五桥臂电路，q11和q12串联组成第六桥臂电路，q13和q14串联组成第七桥臂电路。所述第四、第五桥臂电路的q7，q9开关器件的漏极连接所述第一母线电容c1的正端；所述第四、第五桥臂电路的q8，q10开关器件的源极连接所述第二母线电容c2的负端。所述第四桥臂电路的中点与所述第四电感l4的一端连接，所述第四电感l4的另一端与所述隔离变压器t1原边的一端连接，所述隔离变压器原边另外一端与所述第五桥臂电路中点连接。所述隔离变压器t1副边的一端与所述第六桥臂电路中点连接，所述隔离变压器t1副边的另一端与所述第七桥臂电路中点连接。所述第六、第七桥臂电路q11，q13开关器件的漏极与所述第三电解电容c3的正端连接，所述第六、第七桥臂电路q12，q14开关器件的源极与所述第三电解电容c3的负端连接。

隔离型双向变换器装置的输入端电压、电感电流、母线电压分别经过采样电路1、采样电路2、采样电路3得到采样信号送至所述第一数字控制器进行负反馈运算产生驱动脉冲信号1，所述脉冲驱动信号1通过驱动电路1来驱动所述第一、第二、第三桥臂电路的开关管，使得母线电压保持稳定。所述隔离型双向变换器装置的母线电压、输出电压、输出电流分别经过隔离采样电路、采样电路5、采样电路4得到采样信号送至所述第二数字控制器进行负反馈运算产生驱动脉冲信号2和驱动脉冲信号3，所述脉冲驱动信号2通过隔离电路、驱动电路2来驱动所述第四、第五桥臂电路的开关管，所述脉冲驱动信号3通过驱动电路3来驱动所述第六、第七桥臂电路的开关管，使得输出直流电压保持稳定。

实施例中所述第一数字控制器和所述第二数字控制器指数字信号处理器(dsp)或者单片机，所述数字控制器支持对外的通讯方式可以为can、sci、spi、i2c、pmbus、lin、rs485、rs232等。

实施例中开关器件不应该仅限于mos管，可以采用场效应管、igbt、sicmos管、ganmos管等开关器件。mos管包含反并联二极管，也可以通过在mos管外部反并联二极管的方式实现。

实施例二

图15给出了本发明的隔离型双向变换器的第二实施例的电路图。图15中所示的隔离型双向变换器装置，包括功率端口1、功率端口2、三相lc滤波电路、三相桥式电路、母线电容、隔离型dc-dc电路、采样电路、驱动电路、第一数字控制器电路和第二数字控制器电路。

功率端口1的ua、ub、uc火线分别电感l5、l6、l7的一端相连，电感l5、l6、l7的另一端与所述第一电感l1、第二电感l2和第三电感l3的一端，并与滤波电容c5、c6、c7的一端相连接，电容c5、c6、c7的另外一端与功率端口1零线连接。

三相桥式电路，包括第一电感l1、第二电感l2和第三电感l3，第一母线电容c1，第二母线电容c2和q1～q6六个开关mos管器件，其中q1和q2串联组成的第一桥臂电路，q3和q4串联组成的第二桥臂电路，q5和q6串联组成的第三桥臂电路，每组桥臂电路的上管mos管的源极与下管mos管的漏极连接组成桥臂电路中点。功率端口1的ua、ub、uc火线分别与所述第一电感l1、第二电感l2和第三电感l3的一端连接，所述第一电感l1、第二电感l2和第三电感l3的另一端分别与所述第一、第二、第三桥臂电路中点连接。所述第一、第二、第三桥臂电路的q1、q3、q5器件的漏极连接到第一母线电容c1的正端；所述第一、第二、第三桥臂电路的q2、q4、q6器件的源极连接到第二母线电容c2的负端，所述第一母线电容c1的负极与所述第二母线电容c2的正极连接。

隔离型dc-dc电路，包括隔离变压器t1，第四电感l4，第三电解电容c3和q7～q14八个开关mos管器件，其中q7和q8串联组成第四桥臂电路，q9和q10串联组成第五桥臂电路，q11和q12串联组成第六桥臂电路，q13和q14串联组成第七桥臂电路。

第四、第五桥臂电路的q7，q9器件的漏极连接所述第一母线电容c1的正端；所述第四、第五桥臂电路的q8，q10器件的源极连接所述第二母线电容c2的负端。所述第四桥臂电路的中点与所述第四电感l4的一端连接，所述第四电感l4的另一端与所述隔离变压器t1原边的一端连接，所述隔离变压器原边另外一端与所述第五桥臂电路中点连接。所述隔离变压器t1副边的一端与所述第六桥臂电路中点连接，所述隔离变压器t1副边的另一端与所述第七桥臂电路中点连接。所述第六、第七桥臂电路q11，q13器件的漏极与所述第三电解电容c3的正端连接，所述第六、第七桥臂电路q12，q14器件的源极与所述第三电解电容c3的负端连接。

本实施例中，第一数字控制器和所述第二数字控制器是指数字信号处理器(dsp)或者单片机，所述数字控制器支持对外的通讯方式可以为can、sci、spi、i2c、pmbus、lin、rs485、rs232等。

本实施例中，开关器件不应该仅限于mos管，可以采用场效应管、igbt、sicmos管、ganmos管等开关器件。mos管包含反并联二极管，也可以通过在mos管外部反并联二极管的方式实现。所示的隔离型双向变换器装置，包括功率端口1、功率端口2、三相桥式电路、母线电容、隔离型dc-dc电路、采样电路、驱动电路、第一数字控制器电路和第二数字控制器电路。功率端口1和功率端口2分别支持交流电压输入、直流电压输出，或者交流电压输出、直流电压输入，或者直流电压与直流电压双向输入和输出。

功率端口1的ua、ub、uc火线分别与电感l5、l6、l7的一端相连，电感l5、l6、l7的另一端与所述第一电感l1、第二电感l2和第三电感l3的一端，并与滤波电容c5、c6、c7的一端相连接，电容c5、c6、c7的另外一端与功率端口1的零线一起连接到母线电容c1、c2的串联中点。所述三相桥式电路，包括第一电感l1、第二电感l2和第三电感l3，第一母线电容c1，第二母线电容c2和q1～q6六个开关mos管器件，其中q1和q2串联组成的第一桥臂电路，q3和q4串联组成的第二桥臂电路，q5和q6串联组成的第三桥臂电路，每组桥臂电路的上管mos管的源极与下管mos管的漏极连接组成桥臂电路中点。功率端口1的ua、ub、uc火线分别与所述第一电感l1、第二电感l2和第三电感l3的一端连接，所述第一电感l1、第二电感l2和第三电感l3的另一端分别与所述第一、第二、第三桥臂电路中点连接。所述第一、第二、第三桥臂电路的q1、q3、q5开关器件的漏极连接到第一母线电容c1的正端；所述第一、第二、第三桥臂电路的q2、q4、q6开关器件的源极连接到第二母线电容c2的负端，所述第一母线电容c1的负极与所述第二母线电容c2的正极连接。

隔离型dc-dc电路，包括隔离变压器t1，第四电感l4，第三电解电容c3和q7～q14八个开关mos管器件，其中q7和q8串联组成第四桥臂电路，q9和q10串联组成第五桥臂电路，q11和q12串联组成第六桥臂电路，q13和q14串联组成第七桥臂电路。所述第四、第五桥臂电路的q7，q9开关器件的漏极连接所述第一母线电容c1的正端；所述第四、第五桥臂电路的q8，q10开关器件的源极连接所述第二母线电容c2的负端。所述第四桥臂电路的中点与所述第四电感l4的一端连接，所述第四电感l4的另一端与所述隔离变压器t1原边的一端连接，所述隔离变压器原边另外一端与所述第五桥臂电路中点连接。所述隔离变压器t1副边的一端与所述第六桥臂电路中点连接，所述隔离变压器t1副边的另一端与所述第七桥臂电路中点连接。所述第六、第七桥臂电路q11，q13开关器件的漏极与所述第三电解电容c3的正端连接，所述第六、第七桥臂电路q12，q14开关器件的源极与所述第三电解电容c3的负端连接。

隔离型双向变换器装置的输入端电压、电感电流、母线电压分别经过采样电路1、采样电路2、采样电路3得到采样信号送至所述第一数字控制器进行负反馈运算产生驱动脉冲信号1，所述脉冲驱动信号1通过驱动电路1来驱动所述第一、第二、第三桥臂电路的开关管，使得母线电压保持稳定。所述隔离型双向变换器装置的母线电压、输出电压、输出电流分别经过隔离采样电路、采样电路5、采样电路4得到采样信号送至所述第二数字控制器进行负反馈运算产生驱动脉冲信号2和驱动脉冲信号3，所述脉冲驱动信号2通过隔离电路、驱动电路2来驱动所述第四、第五桥臂电路的开关管，所述脉冲驱动信号3通过驱动电路3来驱动所述第六、第七桥臂电路的开关管，使得输出直流电压保持稳定。

实施例中所述第一数字控制器和所述第二数字控制器指数字信号处理器(dsp)或者单片机，所述数字控制器支持对外的通讯方式可以为can、sci、spi、i2c、pmbus、lin、rs485、rs232等。

实施例中开关器件不应该仅限于mos管，可以采用场效应管、igbt、sicmos管、ganmos管等开关器件。mos管包含反并联二极管，也可以通过在mos管外部反并联二极管的方式实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。