双向DC-DC变换器的制作方法

本实用新型涉及一种能够适用于双电池组架构的双向DC-DC变换器的拓朴结构，可实现双电池放电和充电的转换功能的双向DC-DC变换器。

背景技术：

现有的电力电子领域中，就直流-直流变换器，也就是DC-DC变换器的应用较为广泛，而非隔离型DC-DC变换器。此乃由于DC-DC变换器的高转化效率、低成本化进而受到普遍应用。现有的技术中降压型DC-DC变换器(Buck)拓朴电路结构，以及升压型DC-DC变换器(Boost)拓朴电路结构，这两种为较为常见应用。

然而伴随高功率密度概念的出现，使得双向DC-DC变换器被提出来加以应用，借以获得更高功率密度的实现。主要是电池作为主要储能组件频繁的被应用于双向DC-DC变换器中，由于电池的高成本，对于共电池的应用则越来越受到市场青睐，故有必要提出一种适用于双电池组架构的双向DC-DC变换器的拓朴电路结构，借以实现电池放电和电池充电的转换功能，且可实现共电池应用，以提高电池的利用率和系统功率密度；所以现有的DC-DC变换器的技术，有待且必要加以改善。

技术实现要素：

本实用新型涉及一种双向DC-DC变换器，能够针对现有的双向DC-DC变换器无法满足共电池之应用，进而提供一种具有高功率密度和可实现共电池应用设计的双向DC-DC变换器。本实用新型的双电池组架构的双向DC-DC变换器电路，可应用在高频非隔离型直流-直流变换器中作为开关型电路。不仅能够实现双电池组架构的双向DC-DC变换，同时可实现共电池应用，以提升电池利用率和功率密度，尤其是可以应用于大功率双电池组的直流变换器，以提高其电池的使用价值。

本实用新型所述的一种双向DC-DC变换器，包括：一第一电池，为所述双向DC-DC变换器的第一个电源；一第一电感器，所述第一电感器的第一端耦接于所述第一电池的第一端；一第一功率开关组件，所述第一功率开关组件的第一端耦接于所述第一电感器的第二端，所述第一功率开关组件的第二端耦接于所述第一电池的第二端；一第三功率开关组件，所述第三功率开关组件的第二端耦接于所述第一电感器的第二端；一第一电容器，所述第一电容器的第一端耦接于所述第三功率开关的第一端，所述第一电容器的第二端与所述第一电池的第二端；一第一电阻器，所述第一电阻器与所述第一电容器为并联连接；一第二电池，为所述双向DC-DC变换器的第二个电源，所述第二电池的第一端耦接于所述第一电池的第二端；一第二功率开关组件，所述第二功率开关的第一端耦接于所述第二电池的第一端；一第二电容器，所述第二电容器的第一端耦接于所述第二电池的第一端；一第二电阻器，所述第二电阻器与所述第二电容器为并联连接；一第二电感器，所述第二电感器的第一端耦接于所述第二电池的第二端，所述第二电感器的第二端耦接于所述第二功率开关组件的第二端；及一第四功率开关组件，所述第四功率开关组件的第一端耦接于所述第二功率开关组件的第二端，所述第四功率开关组件的第二端耦接于所述第二电容器的第二端。

在一实施例中，所述第一电池与第二电池为双电池组且为共N线；所述第一电池的第二端与所述第二电池的第一端的连接点，以及与所述第一电容器的第二端与所述第二电容器的第一端的连接点，皆为所述共N线的连接点。

在一实施例中，所述第一电池与所述第二电池于放电状态时，所述第一电池通过所述第一电感器、所述第一功率开关组件以及所述第三功率开关组件为一等效的二极管等电路的连接，对所述第一电容器进行充电；且所述第二电池亦通过所述第二电感器、所述第二功率开关组件以及所述第四功率开关组件为一等效的二极管等电路的连接，而对所述第二电容器进行充电；并维持所述共N线之电平稳定。

在一实施例中所述第一电池与所述第二电池于充电状态时，所述第一电容器通过所述第三功率开关组件、所述第一功率开关组件为一等效的二极管以及所述第一电感器等电路的连接，对所述第一电池充电；所述第二电容器通过所述第四功率开关组件、所述第二功率开关组件为一等效的二极管以及所述第二电感器等电路的连接，对所述第二电池充电；并维持所述共N线之电平稳定。

在一实施例中所述第一至第四功率开关组件为功率型的MOSFET、IGBT、BJT、MOS、CMOS、JFET或是IGBT的开关模组。

在一实施例中所述第一电池的第一端及所述第二电池的第一端，皆为正极端；所述第一电池的第二端及所述第二电池的第二端皆为负极端。

在一实施例中所述第一电容器的第一端以及所述第二电容器的第一端，皆为正极端；所述第一电容器的第二端及所述第二电容器的第二端皆为负极端；所述第一电阻器表示为一第一负载；所述第二电阻器表示为一第二负载。

在一实施例中所述第一至第四功率开关组件的第一端皆为漏极端；所述第一至第四功率开关组件的第二端皆为源极端。

在一实施例中所述第三功率开关组件所等效的二极管的阳极，为耦接于所述第一电感器的第二端，所述第三功率开关组件所等效的二极管的阴极则耦接于所述第一电容器的第一端；所述第四功率开关组件所等效的二极管的阳极，为耦接于所述第二电容器的第二端，而所述第四功率开关组件所等效的二极管的阴极则耦接于所述第二电感器的第二端。

在一实施例中所述第一功率开关组件所等效的二极管的阳极，为耦接于所述第一电池的第二端，所述第一功率开关组件所等效的二极管的阴极则耦接于所述第一电感器的第二端；所述第二功率开关组件所等效的二极管的阳极，为耦接于所述第二电感器的第二端，而所述第二功率开关组件所等效的二极管的阴极则耦接于所述第二电池的第一端。

本实用新型通过调整拓扑架构的电路组件，使其能够实现双电池组架构双向DC-DC能量转换，当工作于电池放电模式和工作于电池充电模式下的电池中点共N线都维持电平稳定，提升了整体系统稳定性，且可实现共电池应用，以提升电池利用率和功率密度。

附图说明

图1为本实用新型第一实施例的电路拓朴连接示意图；

图2为本实用新型第一实施例中双电池组于放电状态的示意图；

图3为本实用新型第一实施例中双电池组于充电状态的示意图；

图4为本实用新型第二实施例的电路组件连接示意图；

图5为本实用新型第三实施例的电路组件连接示意图。

具体实施方式

在下文中将参阅随附图式，借以更充分地描述各种例示性实施例，并在随附图式中展示一些例示性实施例。然而，本实用新型之概念可能以许多不同形式来加以体现，且不应解释为仅限于本文中所阐述之例示性实施例。确切而言，提供此等例示性实施例使得本实用新型将为详尽且完整，且将向熟习此项技术者充分传达本实用新型概念的范畴。在诸图式中，可为了清楚而夸示电路方块、电路组件之大小以及相对之位置，其中对于类似数字始终指示类似组件。

应理解，虽然在本文中可能使用术语开关组件系包括有多个功率开关组件，是指一种切换组件的表达术语，但并不限定是采用IGBT、BJT、MOS、CMOS、JFET或是MOSFET，即此等组件不应受此等电子组件实际产品术语之限制。以及本文所出现之第一至第四功率开关组件Q1至Q4、第一至第二电容器C1至C2或是第一至第二电感器L1至L2…等等，此等术语乃用以清楚地区分一组件与另一组件，并非具有一定的组件顺序排列关系，即有可能会有第一开关、第三开关而无第二开关的组件实施型态，乃非一定具有连续关系之序号作为组件符号之标示。

如本文中所使用术语之第一端、第二端、上端或下端、左侧端或右侧端等等，此等术语乃用以清楚地区分一个组件的一端点与所述组件的另一端点，或为区分一组件与另一组件之间，或是一个端点与另一个端点之间系为不同，其并非用以限制所述文字序号所呈现之顺序关系，且非必然有数字上连续之关系；此外，本文可能使用术语“复数个”或“多个”来描述具有设置多个电路组件，但此等复数个组件并不仅限于实施有二个、三个或四个及四个以上的组件数目表示所实施的技术；以上，合先叙明。

本实用新型公开一种双向DC-DC变换器，借由本实用新型所设置的电路组件连接能够适用于双电池组架构的双向DC-DC变换器的拓朴结构，可实现双电池放电和充电的转换功能，并且可实现共电池之应用，以提高电池的利用率和系统的功率密度，即本实用新型有效地解决现有的双向DC-DC变换器无法满足共电池之应用，进而提供一种具有高功率密度和可实现共电池应用设计的双向DC-DC变换器。

图1所示为本实用新型所述之双向DC-DC变换器的电路拓朴结构，包括有复数个电池、复数个电感器、复数个电容器以及复数个功率开关组件。其中，所述复数个电池包括有一第一电池BAT1及一第二电池BAT2；所述复数个电感器包括有一第一电感器L1及一第二电感器L2；所述复数个电容器包括有一第一电容器C1及一第二电容器C2；所述的复数个功率开关组件则包括有第一至第四功率开关组件Q1至Q4。

第一电池BAT1为所述双向DC-DC变换器的第一个电源，为一直流电源的电力来源；第一电感器L1的第一端耦接于第一电池BAT1的第一端。至于第一电感器L1的第一端是指如图1所示中所述第一电感器L1的左端，第一电感器L1的第二端即指所述第一电感器L1的右端点；而第一电池BAT1的第一端乃是指图1中第一电池BAT1的上端，在实际运用上，所述第一电池BAT1的第一端可为一直流电池电源的正极端，以及第一电池BAT1的第二端为第一电池BAT1的下端，实际运用上为一个电池的负极端。

所述第一功率开关组件Q1的第一端耦接于第一电感器L1的第二端，所述第一功率开关组件Q1的第二端耦接于第一电池BAT1的第二端。其中第一功率开关组件Q1的第一端是指图1中所述第一功率开关组件Q1的上端，在一实施例中，若第一功率开关组件Q1为一MOSFET组件时，则所述第一功率开关组件Q1的第一端即为一漏极端(Drain)；而第一功率开关组件Q1的第二端是指图1中所述第一功率开关组件Q1的下端；至于第一功率开关组件Q1于实际运用上，其组件可以为IGBT、BJT、MOS、CMOS、JFET或是MOSFET等组件，或者是IGBT的开关模组，但不限于这六类，本实用新型的实施范围并不加以限制。同样的，在一实施例中当第一功率开关组件Q1为一MOSFET组件时，此时，所述第一功率开关组件Q1的第二端为一下端，并可为一源极端(Source)。此外，当第一功率开关组件Q1为一MOSFET组件时，所述第一功率开关组件Q1还有一栅极端(Gate)，所述栅极端为所述第一功率开关组件Q1控制导通或截止的端点，且所述栅极端耦接有一控制电路(图中未示)，借以控制所述第一功率开关组件Q1的动作，然而，本实用新型主要为如图1至图5所示的电路拓朴结构，与功率开关组件相关的控制电路则不予赘述。

所述第三功率开关组件Q3的第二端耦接于第一电感器L1的第二端；其中第三功率开关组件Q3的第二端是指图1中所述第三功率开关组件Q3的左端。在一实施例中，若第三功率开关组件Q3为一MOSFET组件时，则第三功率开关组件Q3的第二端即为一源极端(Source)。另一方面，第三功率开关组件Q3的第一端是指图1中所述第三功率开关组件Q3的右端，至于第三功率开关组件Q3于实际运用上，其组件可以为IGBT、BJT、MOS、CMOS、JFET或是MOSFET等组件，或者是IGBT的开关模组，但不限于这六类，本实用新型的实施范围并不加以限制。同样的，在一实施例中当第三功率开关组件Q3为一MOSFET组件时，此时，所述第三功率开关组件Q3的第一端为右端，并可为一漏极端(Drain)。另外当第三功率开关组件Q3为一MOSFET组件时，所述第三功率开关组件Q3还有一栅极端，所述栅极端为所述第三功率开关组件Q3用以控制导通或截止的端点，且所述栅极端耦接有一控制电路(图中未示)，借以控制所述第三功率开关组件Q3的动作，然而，本实用新型主要为如图1至图5所示的电路拓朴结构，与功率开关组件相关的控制电路则不予赘述。

所述第一电容器C1有一第一端及一第二端，如图1所示第一电容器C1的第一端为上端，第一电容器C1的第二端为下端。其中所述第一电容器C1的第一端耦接于第三功率开关Q3的第一端(漏极端)；所述第一电容器C1的第二端则与第一电池BAT1的第二端(负极端)相耦接，且所述第一电容器C1的第二端亦与所述第一功率开关组件Q1的第二端(源极端)相耦接。在一实施例中，第一电容器C1的第一端为一正极端；第一电容器C1的第二端为一负极端。

所述第二电池BAT2为所述双向DC-DC变换器的第二个直流电形式的电源，第二电池BAT2的第一端耦接于第一电池BAT1的第二端；第二电池BAT2的第一端乃是指图1中第二电池BAT2的上端，实际运用上，所述第二电池BAT2的第一端可以为一直流电池电源的正极端，以及第二电池BAT2的第二端为第二电池BATB的下端，为一负极端。通过第一电池BAT1以及第二电池BAT2的连接，形成一共电池设计且为双电池组的双向DC-DC变换器。

所述第二功率开关组件Q2的第一端耦接于第二电池BAT2的第一端；关于第二功率开关组件Q2的第一端是指图1中所述第二功率开关组件Q2的上端。另在一实施例中，若第二功率开关组件Q2为一MOSFET组件时，则所述第二功率开关组件Q2的第一端即为一漏极端(Drain)，相对的，第二功率开关组件Q2的第二端是指图1中所述第二功率开关组件Q2的下端，为一源极端(Source)。至于第二功率开关组件Q2于实际运用上，其组件可以为IGBT、BJT、MOS、CMOS、JFET或是MOSFET等组件，或者是IGBT的开关模组，但不限于这六类，本实用新型的实施范围并不加以限制。此外，当第二功率开关组件Q2为一MOSFET组件时，所述第二功率开关组件Q2还有一栅极端，所述栅极端为所述第二功率开关组件Q2用来控制导通或截止的端点，且所述栅极端耦接有一控制电路(图中未示)，借以控制所述第二功率开关组件Q2的动作，然而，本实用新型主要为如图1至图5所示的电路拓朴结构，与功率开关组件相关的控制电路则不予赘述。

所述第二电容器C2的第一端耦接于第二电池BAT2的第一端；如图1所示，第二电容器C2的第一端为上端，第二电容器C2的第二端为下端。其中所述第二电容器C2的第一端同时耦接于第二功率开关Q2的第一端(漏极端)。在一实施例中，第二电容器C2的第一端为一正极端；第二电容器C2的第二端为一负极端。

所述第二电感器L2的第一端耦接于第二电池BAT2的第二端，第二电感器L2的第二端则耦接于第二功率开关组件Q2的第二端(源极端)。其中所述第二电感器L2的第一端如图1所示为所述第二电感器L2的左端，第二电感器L2的第二端为右端。

所述第四功率开关组件Q4的第一端耦接于第二功率开关组件Q2的第二端，所述第四功率开关组件Q4的第二端耦接于所述第二电感器C2的第二端。其中第四功率开关组件Q4的第一端是指图1中所述第四功率开关组件Q4的左端。在一实施例中，若第四功率开关组件Q4为一MOSFET组件时，则第四功率开关组件Q4的第一端为漏极端(Drain)，第四功率开关组件Q4的第二端为右端并为一源极端(Source)。第四功率开关组件Q4于实际运用上，其组件可以为IGBT、BJT、MOS、CMOS、JFET或是MOSFET等组件，或者是IGBT的开关模组，但不限于这六类，本实用新型的实施范围并不加以限制。此外，当第四功率开关组件Q4为一MOSFET组件时，所述第四功率开关组件Q4还有一栅极端，所述栅极端为所述第四功率开关组件Q4用以控制导通或截止的端点，且所述栅极端耦接有一控制电路(图中未示)，借以控制所述第四功率开关组件Q4的动作，然而，本实用新型主要为如图1至图5所示的电路拓朴结构，与功率开关组件相关的控制电路则不予赘述。

图1所示，所述第一电池BAT1与第二电池BAT2的连接为双电池组的电路结构，并且为共N线。其中第一电池BAT1的第二端与第二电池BAT2的第一端的连接点、第一功率开关组件Q1与第二功率开关组件Q2的连接点，以及与第一电容器C1与第二电容器C2的连接点，等三个接点，皆为所述共N线的连接点。在实际运用上，所述共N线为一中性线。

上述中，图1本实用新型所揭示的电路拓朴架构是采用双电池组共N线设计，第一至第四功率开关组件Q1至Q4于切换充电/放电的不同状态时，可等校为二极管使用，通过调整栅极端(Gate)所连接的控制电路的工作周期比值(占空比)，能够实现电流双向流动。并且所述的双电池组架构的双向DC-DC变换器电路可应用在高频非隔离型直流-直流变换器中作为开关型的电路结构。此外，所述的第一至第四功率开关组件Q1至Q4是为全控型的功率开关组件，包括功率MOSFET、功率型IGBT、大功率IGBT模块等等，但不限于这三类。

图2所示，是当双向DC-DC变换器的电路应用在电池放电状态下的等效拓扑电路图，如图2所示。其中第一电池BAT1与第二电池BAT2于放电状态时，则第一电池BAT1通过第一电感器L1、第一功率开关组件Q1以及所述第三功率开关组件Q3成为一等效的二极管，即为一第三等效二极管D3等电路的连接，执行对第一电容器C1进行充电。另一方面，第二电池BAT2亦通过第二电感器L2、第二功率开关组件Q2以及所述第四功率开关组件Q4为一等效的二极管，即为一第四等效二极管D4等电路的连接，而对所述第二电容器C2进行充电并供给电能；同时，并维持整体电路系统双电池组的所述共N线之电平稳定，有效地降低系统高频信号的干扰。

图2中，第三功率开关组件Q3所等效的所述第三等效二极管D3的阳极，为耦接于第一电感器L1的第二端，第三功率开关组件Q3所等效的第三等效二极管D3的阴极则耦接于第一电容器C1的第一端。第四功率开关组件Q4所等效的第四等效二极管D4的阳极，为耦接于第二电容器C2的第二端，第四功率开关组件Q4所等效的第四等效二极管D4的阴极则耦接于第二电感器L2的第二端。

图3是当双向DC-DC变换器的电路应用在电池充电状态下的等效拓扑电路图，如图3所示。其中第一电池BAT1与第二电池BAT2于充电状态时，则所述第一电容器C1通过第三功率开关组件Q3、所述第一功率开关组件Q1控制为一等效的二极管，即为第一等效二极管D1以及第一电感器L1等相关电路的连接，执行对所述第一电池BAT1充电。同样的，第二电容器C2通过第四功率开关组件Q4、所述第二功率开关组件Q2为一等效的二极管，即为第二等效二极管D2以及第二电感器L2等相关电路的连接，对所述第二电池BAT2充电；并维持所述共N线之电平稳定，且整体电路系统中电容器中点的电平稳定，能有效地降低电路系统的高频信号干扰。

图3中第一功率开关组件Q1所等效的第一等效二极管D1的阳极，为耦接于所述第一电池BAT1的第二端，所述第一功率开关组件Q1所等效的第一等效二极管D1的阴极则耦接于第一电感器L1的第二端。另外，第二功率开关组件Q2所等效的第二等效二极管D2的阳极，为耦接于第二电感器L2的第二端，而所述第二功率开关组件Q2所等效的第二等效二极管D2的阴极则耦接于所述第二电池BAT2的第一端。

图4为本实用新型第二实施例的拓朴电路结构连接图，第二实施例与第一实施例的主要差异在于所述第二实施例中，所述的第一电容器C1并联连接有一第一电阻器R1，第二电容器C2的两端并联连接有一第二电阻器R2，所述第一电阻器R1及第二电阻器R2可以个别表示为本实用新型之双向DC-DC变换器的负载端(第一电容器C1及第二电容器C2端)上所连接的其他电路，或者表示负载的一种等效电路表示。此外，所述第一电阻器R1及第二电阻器R2亦能够表示由所述第一电阻器R1及第二电阻器R2向左侧看入点的整体电路等效电阻器。

图5所示为由所述第二实施例所进一步衍生的实施例，亦即所述的第一电容器C1并联连接有一第一负载10，第二电容器C2的两端并联连接有一第二负载20，所述第一负载10即第二负载20能进一步作为所述双向DC-DC变换器驱动负载的不同应用实施例。

综上所述，本实用新型提出一种双向DC-DC变换器，能够通过调整拓扑架构组件与相关器件，使其能够实现双电池组架构双向DC-DC能量转换，拓扑架构工作于电池放电模式和工作于电池充电模式下的电池中点共N线都能维持电平的稳定，大幅度的提升了整体系统稳定性，且可实现共电池应用的电路架构。且本实用新型的实际效果为在实现双电池组架构的双向DC-DC变换器，同时也可以实现共电池应用，并提升电池利用率和功率密度。本实用新型可靠易行，可以运用于直流变换器提高功率密度，尤其是可以应用于大功率的双电池组的直流变换器，以提高其电池的使用价值。显见，本实用新型极具有专利申请的要件。

然而，本实用新型说明内容所述，仅为较佳实施例的举例说明，当不能限定本实用新型所保护的范围，任何局部变动、修正或增加的技术，仍不脱离本实用新型所保护的范围中。