一种双向DC-DC变换电路的制作方法

一种双向dc-dc变换电路
技术领域
1.本发明涉及dc变换，尤其涉及一种双向dc-dc变换电路。


背景技术：

2.在大功率高压直流到直流变换领域，为了满足体积小、功率大、安全可靠的需求，需要隔离高功率密度的拓扑结构。llc电路在谐振开关频率附近可以实现全负载范围的开关器件软开关，在高开关频率下实现较小的开关损耗。高开关频率可以减小磁性元器件体积，从而实现高功率密度。llc电路在电力电子领域，应用也越来越广。但是在大功率应用场合，采用单一磁性元器件体积会加大，会导致整个产品的体积加大，不利于产品的整体设计。为了解决这一问题，可以采用多组分立磁性元器件进行组串，也可以采用多路拓扑进行组串，进行功率分摊输出。
3.申请号为cn201210212527.1的发明公开了一种串联输入串联输出全桥高频隔离双向dc/dc变换器，主电路包括两个拥有相同结构的输入端相互串联输出端相互串联的全桥双向dc/dc变换电路，每个全桥双向dc/dc变换电路包括输入侧全桥电路和输出侧全桥电路，两者之间通过谐振电路和高频变压器连接。其中全桥电路用于整流和逆变，谐振电路用于软开关控制，高频变压器用于隔离和变压。
4.该发明因为多路元器件的磁性器件很难做到完全一致，包括其他开关器件的寄生参数的差异等等，经常会导致几路组串功率单元的功率不均衡。功率不均衡会导致其中的过载的功率单元发热过大，带来器件损坏的风险，严重影响了整个电路的可靠性。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种电路均衡、可靠性好的双向dc-dc变换电路。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种双向dc-dc变换电路，包括直流输入端、直流输出端、两个变压器、4个开关管整流电路和两个与变压器对应的原边电路，原边电路包括逆变电路和lc谐振电路；逆变电路的输出端接lc谐振电路的输入端，变压器的原边绕组串接在对应原边电路的lc谐振电路中；逆变电路的输入端接直流输入端，变压器的副边包括4个副边绕组；两个变压器对应的副边绕组并接后接对应的开关管整流电路的输入端，第一开关管整流电路的输出端与第三开关管整流电路的输出端串接后接直流输出端；第二开关管整流电路的输出端与第一开关管整流电路的输出端并接，第四开关管整流电路的输出端与第三开关管整流电路的输出端并接；所述的逆变电路反向为整流电路，所述的开关管整流电路反向为第三逆变电路。
7.以上所述的双向dc-dc变换电路，第一变压器的第一副边绕组和第二变压器的第一副边绕组并联后接第一开关管整流电路的输入端，第一变压器的第二副边绕组和第二变压器的第二副边绕组并联后接第三开关管整流电路的输入端，第一变压器的第三副边绕组和第二变压器的第三副边绕组并联后接第二开关管整流电路的输入端，第一变压器的第四副边绕组和第四变压器的第二副边绕组并联后接第四开关管整流电路的输入端。
8.以上所述的双向dc-dc变换电路，变压器的原边绕组包括第一原边绕组和第二原边绕组，第一原边绕组与第二原边绕组串接；变压器的第一副边绕组和第二副边绕组与第一原边绕组耦合，变压器的第三副边绕组和第四副边绕组与第二原边绕组耦合。
9.以上所述的双向dc-dc变换电路，其特征在于变压器包括第一分变压器和第二分变压器，第一分变压器包括所述的第一原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组，第二分变压器包括所述的第二原边绕组、第三副边绕组和第四副边绕组。
10.以上所述的双向dc-dc变换电路，所述的逆变电路为全桥逆变电路。
11.以上所述的双向dc-dc变换电路，包括两个输入电容和两个输出电容，两个逆变电路的输入端串接后接直流输入端，第一输入电容接在第一逆变电路输入端的正极与负极之间，第二输入电容接在第二逆变电路输入端的正极与负极之间；第一输出电容与第一开关管整流电路的输出端并接，第二输出电容与第三开关管整流电路的输出端并接。
12.以上所述的双向dc-dc变换电路，所述的开关管整流电路为开关管全桥整流电路。
13.以上所述的双向dc-dc变换电路，包括三个输出开关，第一开关管整流电路的输出端的负极通过第一输出开关接第三开关管整流电路的输出端的正极；第一开关管整流电路输出端的正极通过第二输出开关接第三开关管整流电路的输出端的正极，第一开关管整流电路输出端的负极通过第三输出开关接第三开关管整流电路的输出端的负极。
14.以上所述的双向dc-dc变换电路，双向dc-dc变换电路正向工作时包括以下两种工作模式：当第一输出开关闭合，第二输出开关和第三输出开关断开时，为低电压输出；当第一输出开关断开，第二输出开关和第三输出开关闭合时，为高电压输出。
15.以上所述的双向dc-dc变换电路，双向dc-dc变换电路反向工作时包括以下两种工作模式：当反向输入电压vb较高时，第一输出开关闭合，第二输出开关和第三输出开关断开；当反向输入电压较低时，第一输出开关断开，第二输出开关和第三输出开关闭合。
16.本发明能实现输入、输出的自动均压，器件损坏的风险小，整个电路的可靠性好。
附图说明
17.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
18.图1是本发明实施例双向dc-dc变换电路的电路图。
具体实施方式
19.为了适应大功率宽输入和宽输出的电压范围，本发明提出一种可以自动均压的双向dc-dc变换电路。在以下实施例中d-dc变换电路采用全桥llc拓扑，能通过软开关、变换器采用多组变压器和拓扑单元的组串，可以实现高功率密度，并且通过电路本身能够实现正向和反向的自动输入输出的均压。
20.本发明的实施例双向dc-dc变换电路的结构如图1所示。包括高压直流输入端va、直流输出端vb、两个高频变压器、4个开关管全桥整流电路和与两个高频变压器对应的原边电路。
21.原边电路包括全桥逆变电路和lc谐振电路，全桥逆变电路的输出端接lc谐振电路的输入端，高频变压器的原边绕组串接在对应原边电路的lc谐振电路中。
22.每个高频变压器由两个分变压器组成，第一高频变压器包括高频变压器t1和高频
变压器t2，第二高频变压器包括高频变压器t3和高频变压器t4。
23.输入电容c1与输入电容c2串联后接在高压直流输入端va的正负极之间。输入电容c1和输入电容c2上的电压分别为v1和v2。
24.第一原边电路的全桥逆变电路由功率开关管q1、q2、q3、q4组成，第一原边电路的全桥逆变电路的输入端接输入电压v1，其输出端与谐振电感lr1、谐振电容cr1、分变压器t1的原边绕组n1_1和分变压器t2的原边绕组n2_1串联。第二原边电路的全桥逆变电路由功率开关管q5、q6、q7、q8组成，第二原边电路的全桥逆变电路的输入端接输入电压v2，其输出端与谐振电感lr2、谐振电容cr2、分变压器t3的原边绕组n3_1和分变压器t4的原边绕组n4_1串联。
25.在本实施例中两个全桥逆变电路开关管q1、q2、q3、q4与q5、q6、q7、q8的驱动一一对应，完全一致。分变压器t1有两个副边绕组n1_2和n1_3，匝比关系为n1_1：n1_2：n1_3=1:1:1；分变压器t2有两个副边绕组n2_2和n2_3，原、匝比关系为n2_1：n2_2：n2_3=1:1:1；分变压器t3有两个副边绕组n3_2和n3_3，匝比关系为n3_1：n3_2：n3_3=1:1:1；分变压器t4有两个副边绕组n4_2和n4_3，匝比关系为n4_1：n4_2：n4_3=1:1:1。且分变压器t1、分变压器t2、分变压器t3和分变压器t4原边绕组匝数都相同，即n1_1=n2_1=n3_1=n4_1。
26.每个开关管全桥整流电路由4个开关管组成，实现同步整流；第一开关管全桥整流电路由开关管q9、q10、q11和q12组成，第二开关管全桥整流电路由开关管q13、q14、q15和q16组成，第三开关管全桥整流电路由开关管q17、q18、q19和q20组成，第四开关管全桥整流电路由开关管q21、q22、q23和q24组成。
27.分变压器t1的第一副边绕组n1_2与分变压器t3的第一副边绕组n3_2并联后接第一开关管全桥整流电路的输入端，分变压器t1的第二副边绕组n1_3与分变压器t3的第一副边绕组n3_3并联后接第三开关管全桥整流电路的输入端，分变压器t2的第一副边绕组n2_2与分变压器t4的第一副边绕组n4_2并联后接第二开关管全桥整流电路的输入端，分变压器t2的第二副边绕组n2_3和分变压器t4的第二副边绕组n4_3并联后接第四开关管全桥整流电路的输入端。
28.第一开关管全桥整流电路的输出端和第二开关管全桥整流电路的输出端并联，接输出电容c3，第三开关管全桥整流电路的输出端和第四开关管全桥整流电路的输出端并联，接输出电容c4。
29.根据绕组匝数和并联关系，可以得到副边各绕组电压幅值有vn1_2=vn1_3=vn2_2=vn2_3=vn3_2=vn3_3=vn4_2=vn4_3。对应匝比关系，分变压器t1、t2、t3、t4的原边绕组电压幅值也是相等的。因为两个全桥逆变电路开关管的驱动完全一致，分变压器t1、t2、t3、t4原边绕组的电压持续时间也一致，可以实现对应输入电容的电压v1和v2自动调节均压。
30.输出电容c3的正极与直流输出端vb的正极相连；输出电容c4负极与直流输出端vb的负极相连。第一开关管全桥整流电路的输出端与第三开关管全桥整流电路的输出端串联后接在双向dc-dc变换电路的直流输出端vb的正负极之间。第一开关管全桥整流电路的输出端的负极通过第一输出开关k1接第三开关管全桥整流电路的输出端的正极。第一开关管整流电路输出端的正极通过第二输出开关k2接第三开关管整流电路的输出端的正极，第一开关管整流电路输出端的负极通过第三输出开关k3接第三开关管整流电路的输出端的负极。
31.当开关k1闭合，开关k2和开关k3关断开时，该变换电路的总输出vb为第v3与v4串联之和,vb=v3+v4；当开关k1断开，开关k2和开关k3闭合时，该变换电路的总输出vb为v3与v4的并联值，vb=v3=v4。通过输出开关k1、开关k2、开关k3的两种模式的切换可以实现宽电压范围的输出。
32.本发明的实施例双向dc-dc变换电路反向工作时，vb为输入侧，va为输出侧。4个开关管全桥整流电路用于原边驱动调制，按反向全桥逆变电路的方式工作，且每个反向全桥逆变电路的4个开关管的驱动波形一一对应完全一致，例如q9、q13、q17和q21的驱动波形完全一致。由于第一开关管全桥整流电路和第二开关管全桥整流电路的反向输入端并联、第三开关管全桥整流电路和第四开关管全桥整流电路的反向输入端并联，4个分变压器反向原边绕组（副边绕组）一一并联， vn1_2=vn3_2=vn2_2=vn4_2、vn1_3=vn3_3=vn2_3=vn4_3。
33.当反向输入电压vb较低时，开关k1断开，开关k2、开关k3闭合，则4个反向全桥逆变电路的输入端并联，4个分变压器的所有反向原边绕组电压幅值相等，由于匝比关系，分变压器反向副边（原边绕组）每个绕组电压幅值相等，原边电路的两个反向全桥同步整流电路（全桥逆变电路）输出电压相等，能够实现输出v1和v2的自动均压和中点电压平衡。
34.当反向输入电压vb较高时，开关k1闭合，开关k2、开关k3断开，因此输入电压v3和v4串联。由于4个开关管全桥整流电路（反向全桥逆变电路）的全桥驱动完全一致，且变压器的匝比关系，能够钳位每个分变压器的两个原边绕组（反向副边绕组）的电压幅值一致，可以实现 vn1_2=vn3_2=vn2_2=vn4_2、vn1_3=vn3_3=vn2_3=vn4_3， vn1_2=vn3_2=vn2_2=vn4_2=vn1_3=vn3_3=vn2_3=vn4_3从而实现电压v3和电压v4自动均压。同理变压器原边绕组（反向副边绕组）电压幅值也都相等，输出电压v1和v2电压实现自动均压。
35.本发明以上实施例正向工作时，通过变压器的原边电路串联，副边绕组的相互并联，全桥整流电路输出后的并联，实现每个变压器的副边绕组电压幅值相等。对应每个变压器原边绕组电压幅值相等，可以实现两个全桥逆变电路的输入电压相等，实现均压，中点电压平衡，可以实现输出的串并联方式下4个全桥整流电路输出电压均压。并通过输出开关的切换实现较宽的电压输出范围。
36.本发明以上实施例反向工作时，通过变压器反向的原边并联，反向逆变电路的输入并联，反向副边绕组的串联，反向整流电路输出后的串联，可以实现每个变压器的反向原边绕组电压幅值相等、反向副边绕组电压幅值相等、4个逆变电路的输入电压相等，实现均压，可以实现两个反向整流电路的输出电压均压，中点电压平衡，并通过输入开关的切换实现较宽的电压输入范围。
37.本发明以上实施例通过正向两个全桥llc电路输入串联实现高压输入的需求，每个开关管电压应力减半。通过分变压器的原边电路串联，副边电路交错并联，实现每个变压器单元的功率分摊并且实现了副边电路每个全桥整流电路输出的电压相等和原边电路输入串联电压的自动均压。反向工作时通过变压器反向原边绕组并联，副边绕组串联，也能实现输入、输出的均压和每个变压器绕组的均压。