一种双向DC-DC电路和故障保护方法与流程

本发明涉及电池转换，具体提供一种双向dc-dc电路和故障保护方法。

背景技术：

1、随着电动汽车行业的发展，实时双向dcdc的需求越来越迫切。双向dcdc可以减小变换器尺寸，提高系统效率和性能。车载双向dcdc变换器的一般结构如图1所示(功率正向流动时，v1为输入侧，v2为输出侧，功率反向流动时，v2相当于输入侧，v1为输出侧，一般来说v1为高压侧，v2为低压侧)。但在双向dcdc应用中，功率反向流动突发保护时候，由于输入侧开关管突然断开，导致输入侧电感电流没有续流通路，开关管应力会超出技术手册范围，引起开关管电压击穿失效，损坏dcdc模块。针对双向dcdc这种应用，目前还没有可靠有效的保护策略，传统保护方案也存在有一些弊端：

2、1)增大有源钳位电容容值方案，见图2：该方案可以部分吸收低压侧开关管电压应力，但是增大电容会占很多印刷版空间，成本增加，同时也增加了功率正向流动时的软启动时间；

3、2)减小电感感量方案：会增加电流和电压纹波，电感的容差也会直接影响输入侧开关管的吸收效果；

4、3)输入电感上并联tvs，钳位两端电压方案：在大部分应用场合，tvs的失效模式是短路或者性能衰退，短路会造成dcdc功能丧失，永久的损坏，降低dcdc模块的整体可靠性，另外tvs性能衰退在电路中很难被检测到，会产生较大的反向漏电流从而影响电路性能。

技术实现思路

1、为了克服上述缺陷，本发明提出了一种双向dc-dc电路和故障保护方法，在功率反向流动切断时刻，实现对输入侧开关管的保护。

2、在第一方面，本发明提供一种双向dc-dc电路，用于实现高压侧和低压侧的能量传递，其中所述双向dc-dc电路包括变压器单元以及通过所述变压器单元连接的高压侧和低压侧，所述低压侧包括ac-dc变换单元以及电感器，所述低压侧还包括续流电路，其中，在能量从低压侧传递到高压侧时，关断ac-dc变换单元的功率管，续流电路将所述功率管两侧的电压钳制在预设范围内。

3、在上述电路的一个技术方案中，所述低压侧包括低压侧接口，所述ac-dc变换单元设置在所述低压侧接口和所述变压器单元之间；

4、所述ac-dc变换单元为全桥结构；

5、所述续流电路包括第一tvs管和第一开关管，其中所述第一tvs管的阴极连接所述电感器的所述第二端，所述第一tvs管的阳极和第一开关元件的输出端连接，所述第一开关元件的控制端接收控制信号以改变所述第一开关元件的工作状态，所述第一开关元件的输入端与所述低压侧接口的负极端子连接。

6、在上述电路的一个技术方案中，所述续流电路还包括：

7、连接在所述电感器的所述第二端和所述第一tvs管的阴极之间的第一电阻器。

8、在上述电路的一个技术方案中，所述变压器单元的低压侧绕组包括第一端和第二端；

9、所述ac-dc变换单元包括：

10、第一支路，包括第一功率管和第二功率管，其中第一功率管的输出端和第二功率管的输入端共同连接到低压侧绕组的第一端，所述第一功率管的输入端连接所述低压侧接口的负极端子，所述第二功率管的输出端连接电感器的第二端，第一功率管的控制端接收控制信号以改变所述第一功率管的工作状态，第二功率管的控制端接收控制信号以改变所述第二功率管的工作状态；

11、第二支路，包括第三功率管和第四功率管，其中第三功率管的输出端和第四功率管的输入端共同连接到低压侧绕组的第二端，所述第三功率管的输入端连接所述低压侧接口的负极端子，所述第四功率管的输出端连接电感器的第二端，第三功率管的控制端接收控制信号以改变所述第三功率管的工作状态，第四功率管的控制端接收控制信号以改变所述第四功率管的工作状态。

12、在上述电路的一个技术方案中，所述低压侧还包括与所述ac-dc变换单元并联的有源钳位电路。

13、在上述电路的一个技术方案中，所述有源钳位电路包括第一电容和第二开关管，其中所述第一电容的第一端与电感器第二端连接，所述第一电容的第二端与第二开关管的输出端连接，所述第二开关管的输入端与低压侧接口的负极端子连接，所述第二开关管的控制端接收控制信号以改变所述第二开关元件的工作状态。

14、在上述电路的一个技术方案中，所述低压侧包括低压侧接口，所述ac-dc变换单元设置在所述低压侧接口和所述变压器单元之间，所述电感器的第一端连接所述低压侧接口的正极端子，第二端连接所述ac-dc变换单元；

15、所述变压器单元的低压侧绕组包括第一端、第二端和抽头端，其中所述抽头端连接所述电感器的第二端；

16、所述ac-dc变换单元为推挽结构，包括第五功率管和第六功率管，其中第五功率管的输出端连接所述低压侧绕组的第一端，所述第五功率管的输入端连接所述低压侧接口的负极端子，所述第五功率管的控制端接收控制信号以改变所述第五功率管的工作状态，所述第六功率管的输出端连接所述低压侧绕组的第二端，所述第六功率管的输入端连接所述低压侧接口的负极端子，所述第六功率管的控制端接收控制信号以改变所述第六功率管的工作状态；

17、所述续流电路包括第二tvs管、第三tvs管、第三开关管和第四开关管，其中所述第二tvs管的阴极连接所述低压侧绕组的第一端，所述第二tvs管的阳极连接第三开关管的输出端，所述第三开关管的输入端连接所述低压侧接口的负极端子，所述第三tvs管的阴极连接所述低压侧绕组的第二端，所述第三tvs管的阳极连接第四开关管的输出端，所述第四开关管的输入端连接所述低压侧接口的负极端子，第三开关管的控制端接收控制信号以改变所述第三开关管的工作状态，第四开关管的控制端接收控制信号以改变所述第四开关管的工作状态。

18、在上述电路的一个技术方案中，所述高压侧包括高压侧接口和设置在所述高压侧接口和所述变压器单元之间的dc-ac变换单元，所述变压器单元的高压侧绕组包括第一端和第二端；

19、所述dc-ac变换单元为全桥结构，包括：

20、第三支路，包括第七功率管和第八功率管，其中第七功率管的输出端和第八功率管的输入端共同连接到高压侧绕组的第一端，所述第七功率管的输入端连接所述高压侧接口的负极端子，所述第八功率管的输出端连接高压侧接口的正极端子，第七功率管的控制端接收控制信号以改变所述第七功率管的工作状态，第八功率管的控制端接收控制信号以改变所述第八功率管的工作状态；

21、第四支路，包括第九功率管和第十功率管，其中第九功率管的输出端和第十功率管的输入端共同连接到高压侧绕组的第二端，所述第九功率管的输入端连接所述高压侧接口的负极端子，所述第九功率管的输入端连接高压侧接口的负极端子，第十功率管的输出端连接高压侧接口的正极端子，第九功率管的控制端接收控制信号以改变所述第九功率管的工作状态，第十功率管的控制端接收控制信号以改变所述第十功率管的工作状态。

22、在上述电路的一个技术方案中，其中续流电路还包括第二电阻器和第三电阻器，其中，所述第二电阻器连接在第二tvs管阴极和低压侧绕组第一端之间，所述第三电阻器连接在第三tvs管阴极和低压侧绕组第二端之间。

23、在上述电路的一个技术方案中，所述低压侧包括低压侧接口，所述ac-dc变换单元设置在所述低压侧接口和所述变压器单元之间，所述变压器单元的低压侧绕组包括第一端、第二端和抽头端，其中所述抽头端连接所述低压侧接口的负极端子；

24、所述ac-dc变换单元为推挽结构，包括第十一功率管和第十二功率管，其中，第十一功率管的输入端与低压侧绕组第一端连接，第十一功率管的输出端与电感器第二端连接，所述第十二功率管的输入端与低压侧绕组第二端连接，所述第十二功率管的输出端与电感器第二端连接，第十一功率管的控制端接收控制信号以改变所述第十一功率管的工作状态，第十二功率管的控制端接收控制信号以改变所述第十二功率管的工作状态；

25、所述续流电路包括第四tvs管和第四开关管，其中所述第四tvs管的阴极与电感器第二端连接，第四tvs管的阳极与第四开关管的输出端连接，所述第四开关管的输入端与低压侧接口的负极端子连接，所述第四开关管的控制端接收控制信号以改变所述第四开关管的工作状态。

26、在上述电路的一个技术方案中，所述高压侧包括高压侧接口和设置在所述高压侧接口和所述变压器单元之间的dc-ac变换单元，所述变压器单元的高压侧绕组包括第一端、第二端和抽头端；所述dc-ac变换单元为推挽结构，包括第十三功率管和第十四功率管，其中，所述第十三功率管的输出端与高压侧绕组第一端连接，第十三功率管的输入端与高压侧接口的负极端子连接，所述第十四功率管的输出端与高压侧绕组第二端连接，所述第十四功率管的输入端与高压侧接口的负极端子连接，所述第十三功率管的控制端接收控制信号以改变所述第十三功率管的工作状态，所述第十四功率管的控制端接收控制信号以改变所述第十四功率管的工作状态。

27、在上述电路的一个技术方案中，其中续流电路还包括连接在电感器的所述第二端和第四tvs管的阴极之间的第四电阻器。

28、在上述电路的一个技术方案中，所述高压侧包括高压侧接口和设置在所述高压侧接口和所述变压器单元之间的dc-ac变换单元，所述变压器单元的高压侧绕组包括第一端和第二端；

29、所述dc-ac变换单元为有源钳位正激结构，包括第十五功率管、第十六功率管、漏电感、励磁电感和第二电容器，其中高压侧绕组第一端分别与漏电感的第一端、励磁电感的第一端连接，漏电感的第二端分别和第二电容器的第一端、高压侧接口的正极端子连接，所述第二电容器的第二端和第十五功率管的输出端连接，第十五功率管的输入端分别和励磁电感第二端、第十六功率管的输出端连接，第十六功率管的输入端与高压侧接口的负极端子连接。

30、在上述电路的一个技术方案中，所述低压侧包括低压侧接口，所述ac-dc变换单元设置在所述低压侧接口和所述变压器单元之间，所述电感器的第一端通过第五开关管与所述低压侧接口的正极端子连接。

31、在第二方面，本发明还提供了上述的双向dc-dc电路进行电路保护的方法，包括：

32、响应于检测到能量从低压侧传递到高压侧时的故障信号，导通续流电路；

33、关断所述电路中的功率管，其中所述续流电路的导通使得ac-dc变换单元的功率管两侧的电压钳制在预设范围内。

34、本发明上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：

35、在实施本发明的技术方案中，通过将tvs和开关管串联设置续流电路，配合输入侧开关管和功率管的时序控制，在功率反向流动切断时刻，实现对输入侧开关管的保护。