一種雙向變換器的制造方法
【專利摘要】一種雙向變換器，包括第一側Vs、第二側Vo，變壓器B，功率管Q1、Q2上下管，二極管D1、D2上下管、D3，電容C1，負載RL2，以及功率管Q3、Q4，功率管Q1與D1并聯后與原邊串聯，功率管Q3置于RL1與C1及D3組成的RCD吸收電路中，吸收原邊漏感；功率管Q2與D2與副邊組成雙管反激電路，功率管Q4串于D2上管或下管的吸收電路中，吸收副邊漏感能量，當Vs工作時，原來副邊的漏感吸收電路通過正激消耗了電能，且工作電流極大，直接燒壞本側功率管以及第2側吸收二極管，因Q4關斷而不再耗能，反之Vo側工作時亦然，本電路具有電路簡單，功耗低的特點，且當工作電壓升高后，電路仍能良好工作。
【專利說明】
一種雙向變換器
技術領域
[0001 ] 本發明涉及DC-DC變換器，特別涉及能量雙向流動的DC-DC變換器。
【背景技術】
[0002]廣義地說，凡用半導體功率器件作為開關，將一種電源形態轉變為另一種形態的主電路都叫做開關變換器電路，簡稱變換器。開關電源的主要組成部分是DC-DC變換器。
[0003]大部份變換器的能量是單向流動的，如手機充電器，多為反激變換器，把市電的能量整流為直流，再變換為通常為5V的低壓向手機供電或充電。某些能量轉換場合，希望能量可以雙向流動，如儲能系統，當市電供電充沛時，通過變換器把市電的能量變換為低壓，儲存在電池中，當市電供電不足時，變換器把電池的能量變換為市電，補充市電的供電不足。
[0004]雙向變換器的提出，源于人類對交流變壓器的功能追隨，交流變壓器是一種雙向的交流電壓隔離器，它可以實現能量的雙向流動，但是它無法直接對直流(DC)進行傳輸。
[0005]電子工業出版社出版的《開關電源的原理與設計》第71頁圖3-14示出了一種雙向變換器，該書ISBN號為7-121-00211-6，以下稱為背景文獻I。同頁該圖向下第5行也說明了:注意，當電流工作在不連續模式形式時，是不可能實現開關雙向性的。為了方便，本申請把該書的圖3-14作為本申請中圖1呈現。本質上雙側為推挽式變換器對接，形成雙向變換器。由于該書中所述的不足，圖1示出的原始模型級的雙向變換器，并沒有實際使用。
[0006]該書同頁的圖3-15示出了能量雙向流動的Cuk變換器，為了方便，把該書的圖3-15呈現在本申請中，參見圖2，并修正了原圖中的錯誤，修正或改動為:三極管T1的發射極和電源V的正極相連，給負載電阻增加了編號RL，給唯一的電容增加了編號C。圖2中，負載電阻Rl若換為另一個電源，就可以實現雙向變換器，但不能實現隔離，目前用途很廣，用于串聯的電池組或超級電容組中，相鄰單元的均衡，具有效率高，控制簡單的優點，但是當電池組中非相鄰的電池需要均衡時，能量逐級傳遞降低了總體效率，且任一電池單元電壓欠壓或超壓時，要全部打開，才能實現均衡，整體效率并不高。
[0007]反激變換器具有器件少，可靠性高的特點。申請號為201310558811.9，名為《蓄電池組雙向無損均衡與脈沖活化系統》的發明申請，以下稱為背景文獻2，示出了利用反激變換器組成的雙向變換器，由主開關管Q5、反激整流管Q6、以及反激變壓器T3，檢測電阻R3和R4組成，眾所周知，背景文獻2由于沒有設置處理反激變換器變壓器漏感的電路，是不能工作的，參見張興柱博士所著的書號為ISBN978-7-5083-9015-4的《開關電源功率變換器拓撲與設計》第61頁最后2行至62頁的論述。
[0008]申請號為201410724447.3，名為《雙向無損主動均衡裝置》的發明申請，以下稱為背景文獻3，示出了利用反激變換器組成的雙向變換器就克服了背景文獻2的不足，為了方便，本申請把背景文獻3的圖1呈現在本申請中，參見本申請的圖3。可以看到，其單體側設立了由二極管Dl、電阻Rl、電容C2組成的RCD吸收電路，其總體側設立了由二極管D4、電阻R3、電容C4組成的RCD吸收電路，圖3中用于標記變壓器BI的同名端黑點較小，望注意。R⑶吸收電路的工作原理為公知技術，可參考上述的《開關電源功率變換器拓撲與設計》第67頁“4.3R⑶吸收反激變換器” 一節。
[0009]背景文獻3的不足分析:
[0010]以單體側工作為例，當功率管Ql處于Pmi開關狀態時，即正常工作時，Ql飽和導通后，激磁電流的流動方向為:單體側+4 SWl 4變壓器BI的同名端，圖3中BI的上端4變壓器BI的異名端，圖3中BI的下端—二極管D3—Q1集電極—Q1發射極—電流檢測電阻R2—單體側一，形成一個回路，此時，變壓器BI的副邊感應出上負、下正的感應電壓，此刻，D5處于反偏不導通；
[0011]Ql由導通轉為截止時，變壓器BI中的激磁電流不能消失，原流動方向為:原邊的同名端流向異名端，變壓器BI作為儲能電感運行，該電流會出現在副邊，流動方向仍是同名端流向異名端，BI的副邊出現從下向上的電流，這時D5處于正向導通狀態，能量從原邊轉移至副邊，向總體側充電，完成變換；
[0012]此時，由于變壓器BI存在漏感，漏感儲存的能量由單體側的D1、R1、C2組成的RCD吸收電路所吸收；
[0013]背景文獻3的不足:當Ql飽和導通時，變壓器BI的副邊感應出上負、下正的感應電壓，這個電壓讓二極管D4導通，副邊的R⑶電路吸收電路參與了工作，R3消耗了能量。副邊的RCD電路本意是用來吸收Q2處于開關狀態時漏感儲存的能量。
[0014]同樣，當總體側工作時，Q2飽和導通時，變壓器BI的原邊感應出上負、下正的感應電壓，二極管Dl導通，原邊的RCD電路吸收電路參與了工作，Rl消耗了能量。
[0015]RCD電路吸收電路原來只是工作在反激變換器的功率管由飽和導通變為截止的瞬間，而在背景文獻3中，在原邊激磁時，副邊的RCD吸收電路全程參與了工作，消耗的能量比較大，無法實現背景文獻3所述的“無損”吸收。
[0016]申請號為201610251403.2，名為《一種雙向變換器》的發明申請，以下稱為背景文獻4，克服了背景文獻3的不足，為了方便，本申請把背景文獻4的技術方案對應的圖4呈現在本申請中，參見本申請的圖4。
[0017]背景文獻4存在的不足分析:以第一側Vs處于PffM為例，即通過Pl端口施加PffM信號給Ql的柵極，功率管Ql飽和導通后，激磁電流的流動方向為:第一側Vs+—變壓器B的同名端，即圖4中變壓器B的原邊繞組Np的上端—變壓器B的異名端，圖4中變壓器B的原邊繞組Np的下端—第一功率管Ql的漏極D—第一功率管Ql的源極S—第一側Vs-，形成一個回路，此時，利用同名端的關系可知，變壓器B的副邊繞組Ns感應出上負、下正的感應電壓，稱為“副邊繞組Ns感應電壓”，此刻，第二二極管D2處于反偏不導通。
[0018]副邊繞組Ns感應電壓等于:(Ns/Np)Vs。匝比乘上第一側的工作電壓，第一側的工作電壓的變化范圍較大，如用于鋰電的均衡充電中，Vs的工作范圍則為3.0V至4.20V，變化達40%，若匝比為10。那么背景文獻4中，為了正常工作，穩壓二極管W2的穩壓值大于副邊繞組Ns感應電壓的最大值4.2V*10 = 42V，才能保證良好工作，當第二側Vo需要工作時，處于PffM的開關狀態，這時D4、C2、R2、W2組成的RCD吸收電路，其吸收電壓過高，Q2的漏極在同樣的時間，要從更高的電壓降為0V，S卩dU/dt更大了，電磁輻射也會更大，背景文獻4存在的不足:Q2的耐壓要高，高耐壓的MOS管做成同樣的通態內阻，其成本大幅升高;EMI較差;特別在輸入電壓工作范圍較寬時，缺點更明顯。同樣Ql也存在這個問題。
[0019]R⑶吸收電路最終也浪費了漏感的能量，引發效率下降。
[0020]當然，這讓人自然想到，第一側和第二側都使用雙管反激電路組成雙向變換器，雙管反激使用了兩只二極管回收了漏感能量，是不是就可以解決問題了？雙管反激電路在所述的參考文獻第72頁有述，叫二極管吸收雙反激變換器，簡稱為雙管反激電路。
[0021]圖5直接示出了這個構想，由對稱的第I側和第2側組成，原理圖對稱，但器件的參數可能各不相同，以適應不同的工作電壓，第I側由功率管Qls上管與Qlx下管，以及兩個續流二極管組成，分別為二極管Dls、Dlx，其中器件編號中，數字后的s列示上管，X表示下管，為拼音的第一個字母;注意，為了圖面簡潔，圖中沒有畫出與4只功率管分別并聯的整流二極管，整流二極管與功率管關聯，在低頻率下，功率管內部的寄生二極管也可以完成整流，在開關頻率較高時，整流二極管需要與功率管并聯，與寄生二極管方向相同，陰極并陰極，陽極并陽極，寄生二極管又叫體二極管。這個電路的不足很明顯，如下述:
[0022]設想的工作過程:當能量從第I側轉移至第2側時，功率管Qls和Qlx同時導通，對變壓器B的原邊繞組Np激磁，Np出現從上至下，從上面有黑點的同名端流向下面異名端，當功率管Qls和Qlx同時截止時，這個激磁電流不能從電感突然消失，從副邊繞組Ns中，仍從同名端流向異名端，即在Ns中，電流是從下至上，通過功率管Q2s和Q2x的體二極管以及與之并聯的整流二極管整流，在第2側輸出能量。
[0023]變壓器存在漏感，原邊Np中的電流不能全部轉移到副邊Ns中，部分電流仍在Np中，從上向下流，電流流向:Np下端經過Dls陽極、Dls陰極，返回第I側的供電電源正極，再經過第I側的供電電源負極，至Dlx陽極、至Dl陰極，至Np上端，構成完整的回路。實現在對漏感能量的回收，正因為Dls和Dlx為續流二極管，回收漏感的能量，電流不大，所以續流二極管均為小電流、快恢復的高速二極管。
[0024]事實上，功率管Qls和Qlx同時導通，對變壓器B的原邊繞組Np激磁時，Np的感應電壓為上正下負，即同名端為正，同時Ns也感應出同名端為正的電壓，S卩Ns中感應出下正上負的電壓，這個電壓為正激電壓，通過續流二極管D2s、D2x整流后，也向第2側供電。
[0025]電路用于雙向變換時，第I側與第2側都是電壓源，如電池、電池組，其內阻很低，上述的正激過程引起的工作電流很大，當另一側電壓偏高時，電流是失控的，直接燒壞功率管Qls和Qlx以及第二側續流二極管D2s、D2x，第2側續流二極管D2s、D2x原來是用來吸收第2側處于PWM工作時的漏感能量，承受電流較小，無法承受正激時的整流電流。如，第I側為鋰電池，工作電壓為3.6V至4.2V，第2側為鋰電池組，工作電壓為30V至42V;典型的電壓為:第1側4.2丫，第2側為42￥。
[0026]另外，圖5的電路，其中一側一般為低壓工作，而激磁電流要經過兩個功率管，且激磁電流較大，功率管的導通內阻均不可忽視，變換效率較低。另外一側工作電壓相對較高，那么激磁電流就小，使用雙管反激的變換效率不受影響。
[0027]利用反激變換器組成的雙向變換器，即現有單管反激式雙向變換器以及雙管反激式雙向變換器，包括背景文獻4，目前仍不夠理想:
[0028]I)圖3為代表的單管反激式雙向變換器，另一側的RCD電路吸收電路參與了工作，消耗了能量，效率低；
[0029]2)圖4為代表的單管反激式雙向變換器，Ql和Q2需選用高耐壓的MOS管，成本高；EMI較差，特別在輸入電壓工作范圍較寬時，缺點更明顯；
[0030]3)圖5為代表的雙管反激式雙向變換器，一側工作時，正激過程引起的工作電流很大，直接燒壞本側功率管以及第二側續流二極管。選用大電流、快恢復的續流二極管勢必提高成本，仍易燒壞本側功率管；
[0031]為了方便，列出本申請涉及的文獻:
[0032]背景文獻I:《開關電源的原理與設計》，ISBN為7-121-00211-6;
[0033]背景文獻2:《蓄電池組雙向無損均衡與脈沖活化系統》，申請號201310558811.9 ；
[0034]背景文獻3:《雙向無損主動均衡裝置》，申請號201410724447.3 ；
[0035]背景文獻4:《一種雙向變換器》，申請號201610251403.2 ；
[0036]參考文獻:《開關電源功率變換器拓撲與設計》，ISBN為978-7-5083-9015-4。
【發明內容】
[0037]有鑒于此，本發明要解決上述三點的不足，提供一種雙向變換器，高效率地實現雙向變換，且兩側的功率管可以選取正常耐壓的功率管，EMI較好，在輸入電壓工作范圍較寬時，仍保持良好的性能。
[0038]本發明的目的是這樣實現的，一種雙向變換器，至少包括第一側、第二側，一只變壓器，第一功率管、第二功率管上管、第二功率管下管、第一二極管、第二二極管上管、第二二極管下管，第三二極管、第一電容、第一負載，變壓器至少包括有清晰同名端標識的原邊繞組與副邊繞組，連接關系為:
[0039]第一功率管的源極與第一二極管的陽極連接，并形成第一側的輸入負，第一功率管的漏極與第一二極管的陰極連接并形成第一連接點，第一連接點還連接變壓器的原邊繞組的異名端，第一負載與第一電容并聯，并聯后的一端連接變壓器的原邊繞組的同名端，并形成第一側的輸入正，并聯后的另一端形成第二連接點；
[0040]第二功率管上管的漏極連接第二側的輸入正，連接點還連接第二二極管上管的陰極;第二功率管上管的源極連接副邊繞組的異名端；副邊繞組的同名端連接第二功率管下管的漏極，連接點同時連接所述的第二二極管上管的陽極;第二功率管下管的源極連接第二側的輸入負；
[0041 ]其特征是:還包括第三功率管、第四功率管，第三功率管與第三二極管串聯，通常，串聯的方式有兩種，同時也形成兩種連接方式，這兩種是等效的:
[0042](I)第三功率管的漏極連接第三二極管的陰極，第三二極管的陽極連接第一連接點，第三功率管的源極連接第二連接點；
[0043](2)第三功率管的源極連接第三二極管的陽極，第三二極管的陰極連接第二連接點，第三功率管的漏極連接第一連接點；
[0044]第四功率管與第二二極管下管串聯，通常串聯的方式有兩種，同時也形成兩種連接方式，這兩種是等效的:
[0045](I)第四功率管的源極連接第二二極管下管的陽極，第二二極管下管的陰極連接第二功率管上管的源極，第四功率管的漏極連接第二側的輸入負；
[0046](2)第四功率管的漏極連接第二二極管下管的陰極，第二二極管下管的陽極連接第二側的輸入負，第四功率管的源極連接第二功率管上管的源極；
[0047]其特征還在于:第一側的第一功率管處于PffM工作狀態時，即能量從第一側向第二側轉移時，第三功率管的柵極至源極處于高電平狀態，第三功率管處于飽和導通狀態，同時，第四功率管的柵極至源極處于低電平狀態，第四功率管處于關斷狀態；
[0048]或者:第二側的第二功率管上管和下管同步處于PffM工作狀態時，即能量從第二側向第一側轉移時，第四功率管的柵極至源極處于高電平狀態，第四功率管處于飽和導通狀態，同時，第三功率管的柵極至源極處于低電平狀態，第三功率管處于關斷狀態。
[0049]上述的方案作為原始方案，本發明還提供了另一套等效的技術方案，一種雙向變換器，至少包括第一側、第二側，一只變壓器，第一功率管、第二功率管上管、第二功率管下管、第一二極管、第二二極管上管、第二二極管下管，第三二極管、第一電容、第一負載，變壓器至少包括有清晰同名端標識的原邊繞組與副邊繞組，連接關系為:
[0050]第一功率管的源極與第一二極管的陽極連接，并形成第一側的輸入負，第一功率管的漏極與第一二極管的陰極連接并形成第一連接點，第一連接點還連接變壓器的原邊繞組的異名端，第一連接點還連接第三二極管的陽極，第三二極管的陰極連接第一電容的一端，第一電容的另一端連接變壓器的原邊繞組的同名端，并形成第一側的輸入正；
[0051]第二功率管上管的漏極連接第二側的輸入正，連接點還連接第二二極管上管的陰極;第二功率管上管的源極連接副邊繞組的異名端；副邊繞組的同名端連接第二功率管下管的漏極，連接點同時連接所述的第二二極管上管的陽極;第二功率管下管的源極連接第二側的輸入負；
[0052]其特征是:
[0053]還包括第三功率管、第四功率管，第三功率管與第一負載串聯，通常，串聯的方式有兩種，同時也形成兩種連接方式，這兩種是等效的:
[0054](I)第三功率管的源極與第一負載的一端連接，第一負載的另一端連接第一電容的另一端，第三功率管的漏極連接第三二極管的陰極；
[0055](2)第一負載的一端連接第三二極管的陰極，第一負載的另一端連接第三功率管的漏極，第三功率管的源極連接第一電容的另一端；
[0056]第四功率管與第二二極管下管串聯，通常串聯的方式有兩種，同時也形成兩種連接方式，這兩種是等效的:
[0057](I)第四功率管的源極連接第二二極管下管的陽極，第二二極管下管的陰極連接第二功率管上管的源極，第四功率管的漏極連接第二側的輸入負；
[0058](2)第四功率管的漏極連接第二二極管下管的陰極，第二二極管下管的陽極連接第二側的輸入負，第四功率管的源極連接第二功率管上管的源極；
[0059]其特征還在于:第一側的第一功率管處于PffM工作狀態時，即能量從第一側向第二側轉移時，第三功率管的柵極至源極處于高電平狀態，第三功率管處于飽和導通狀態，同時，第四功率管的柵極至源極處于低電平狀態，第四功率管處于關斷狀態；
[0060]或者:第二側的第二功率管上管和下管同步處于PffM工作狀態時，即能量從第二側向第一側轉移時，第四功率管的柵極至源極處于高電平狀態，第四功率管處于飽和導通狀態，同時，第三功率管的柵極至源極處于低電平狀態，第三功率管處于關斷狀態。
[0061]本申請還提供一種上述原始方案和等效的技術方案的等同替換:將第四功率管移至與第二二極管上管串聯。
[0062]優選地，第二功率管上管和下管內部的體二極管正向導通時，與之并聯的第二功率管上管和下管同步導通;或第一二極管正向導通時，與之并聯的第一功率管同步導通。
[0063]優選地，上述的技術方案中的第一負載為電阻器；
[0064]優選地，上述的技術方案中的第一負載為可充電電池或可充電電池組，且連接要保證可充電電池或可充電電池組是在吸收漏感能量的同時被充電。
[0065]本發明的詳細工作原理會在實施例中結合應用詳細說明，本發明的一種雙向變換器的有益效果為:
[0066](I)效率高；
[0067](2)EMI較好，無須選用高耐壓的MOS管；
[0068](3)可以穩定工作。可以實現高效率地實現隔離式雙向變換，特別當使用可充電電池或可充電電池組吸收時，效率更高。
【附圖說明】
[0069]圖1為背景文獻I第71頁圖3-14示出的一種雙向變換器；
[0070]圖2為背景文獻I第71頁圖3-15示出的一種雙向變換器；
[0071]圖3為背景文獻3示出的雙向無損主動均衡裝置；
[0072]圖4為背景文獻4的一種雙向變換器的原理圖；
[0073]圖5為自然聯想到的兩側都使用雙管反激電路組成的雙向變換器；
[0074]圖6為本發明第一實施例、原始技術方案對應的原理圖；
[0075]圖6-1為圖6的等效圖，將D2x和Q4的位置互換；
[0076]圖6-2為圖6、圖6-1的等效圖，將Q3和D3的位置互換；
[0077]圖7為本發明第二實施例的原理圖；
[0078]圖8為功率管內部的體二極管示意圖。
【具體實施方式】
[0079]第一實施例
[0080]請參見圖6，為本發明第一實施例，對應上述的原始方案:包括第一側Vs、第二側Vo，一只變壓器B，第一功率管Ql、第二功率管上管Q2s、第二功率管下管Q2x、第一二極管Dl、第二二極管上管D2s、第二二極管下管D2x，第三二極管D3、第一電容Cl、第一負載RLl，變壓器B至少包括有清晰同名端標識的原邊繞組Np與副邊繞組Ns，連接關系為:
[0081]第一功率管Ql的源極S與第一二極管Dl的陽極連接，并形成第一側Vs的輸入負_，第一功率管Ql的漏極D與第一二極管Dl的陰極連接并形成第一連接點，第一連接點還連接變壓器B的原邊繞組Np的異名端，第一負載RLl與第一電容Cl并聯，并聯后的一端連接變壓器B的原邊繞組Np的同名端，并形成第一側Vs的輸入正+，并聯后的另一端形成第二連接點；
[0082]第二功率管上管Q2s的漏極D連接第二側Vo的輸入正，連接點還連接第二二極管上管D2s的陰極;第二功率管上管Q2s的源極S連接副邊繞組Ns的異名端;副邊繞組Ns的同名端連接第二功率管下管Q2x的漏極D，連接點同時連接所述的第二二極管上管D2s的陽極;第二功率管下管Q2x的源極S連接第二側Vo的輸入負；
[0083]還包括第三功率管Q3、第四功率管Q4，第三功率管Q3與第三二極管D3串聯，通常串聯的方式有兩種，同時也形成兩種連接方式，這兩種是等效的:
[0084](I)第三功率管Q3的漏極D連接第三二極管D3的陰極，第三二極管D3的陽極連接第一連接點，第三功率管Q3的源極S連接第二連接點；圖6、圖6-1中相關部分示出了這種連接關系;
[0085](2)第三功率管Q3的源極S連接第三二極管D3的陽極，第三二極管D3的陰極連接第二連接點，第三功率管Q3的漏極D連接第一連接點；圖6-2中相關部分示出了這種連接關系；
[0086]第四功率管Q4與第二二極管下管D2x串聯，通常串聯的方式有兩種，同時也形成兩種連接方式，這兩種是等效的:
[0087](I)第四功率管Q4的源極S連接第二二極管下管D2x的陽極，第二二極管下管D2x的陰極連接第二功率管上管Q2s的源極S，第四功率管Q4的漏極D連接第二側Vo的輸入負；圖6、圖6-2中相關部分示出了這種連接關系；
[0088](2)第四功率管Q4的漏極D連接第二二極管下管D2x的陰極，第二二極管下管D2x的陽極連接第二側Vo的輸入負，第四功率管Q4的源極S連接第二功率管上管Q2s的源極S;圖6-1中相關部分示出了這種連接關系；
[0089]事實上，第四功率管Q4與第二二極管上管D2s串聯，同樣實現發明目的，串聯的方式也有兩種，也里不再贅述。
[0090]第一側Vs的第一功率管Ql處于PWM工作狀態時，PffM信號從Pl端口加在對應的Ql的柵極上，即能量從第一側Vs向第二側Vo轉移時，第三功率管Q3的柵極至源極S處于高電平狀態，第三功率管Q3處于飽和導通狀態，同時，第四功率管Q4的柵極至源極S處于低電平狀態，第四功率管Q4處于關斷狀態；
[0091]或者:第二側Vo的第二功率管上管Q2s和下管同步處于PffM工作狀態時，PffM信號從P2s和P2x端口同步加在對應的柵極上，即能量從第二側Vo向第一側Vs轉移時，第四功率管Q4的柵極至源極S處于高電平狀態，第四功率管Q4處于飽和導通狀態，同時，第三功率管Q3的柵極至源極S處于低電平狀態，第三功率管Q3處于關斷狀態。
[0092]圖6、圖6-1、圖6-2是等效的，都可以實現發明目的，事實上可以作為三個實施例，串聯電路中器件交換位置，且保證有極性器件的電流方向不變，那么，串聯回路完成的功能是不變的，這是公知技術。功率管一般指場效應管，即MOS管，由于其體內一般都有寄生二極管，又叫體二極管，故與外部二極管如D3或D2s或D2x串聯時，其體二極管與外部二極管的方向要相向，體二極管在一般的功率管原理圖中不體現，功率管內部結構圖見圖8，圖8不出了帶有體二極管的場效應管與一般簡易畫法的場效應管電氣符號的對應關系。
[0093]工作原理:以第一側Vs工作為例，當功率管Ql處于PWM開關狀態時，即正常工作時，功率管QI飽和導通后，激磁電流的流動方向為:第一側Vs+—變壓器B的同名端，即圖6中變壓器B的原邊繞組Np的上端—變壓器B的異名端，圖6中變壓器B的原邊繞組Np的下端—第一功率管Ql的漏極D—第一功率管Ql的源極S—第一側Vs-，形成一個回路，此時，利用同名端的關系可知，變壓器B的副邊繞組Ns感應出上負、下正的感應電壓，稱為“副邊繞組Ns感應電壓”，激磁過程中，第二功率管上管、下管中的體二極管或與之并聯的整流管處于反偏不導通，與之并聯的整流管在圖6中沒有畫出，圖6系列中都以體二極管實現相同的功能。
[0094]由于第四功率管Q4的柵極G至源極S處于低電平狀態，第四功率管Q4處于關斷狀態，此刻，副邊繞組Ns感應電壓無法通過二極管D2s和D2x對第2側Vo充電，不消耗能量，即本發明中，在雙管反激電路中，加入第四功率管Q4后，就可以實現副邊的雙管反激電路不再因正激吸收能量，也不會出現失控的充電電流。
[0095]功率管Ql由導通轉為截止瞬間，變壓器B中原邊繞組Np的激磁電流不能消失，原流動方向為:原邊繞組Np的同名端流向異名端，即從上至下，變壓器B作為儲能電感運行，該電流會出現在副邊繞組Ns，流動方向仍是同名端流向異名端，變壓器B的副邊繞組Ns出現從下向上的電流，這時第二功率管上管Q2s、下管Q2x中的體二極管都處于正向導通狀態，能量從原邊Vs轉移至副邊Vo，向第二側Vo充電，完成變換;整個工作過程中，第一二極管Dl不參于工作；
[0096]整個工作過程中，第三功率管Q3的柵極至源極處于高電平狀態，第三功率管Q3處于飽和導通狀態，功率管Ql由導通轉為截止瞬間，此時，由于變壓器B存在漏感，漏感儲存的能量由第一側Vs的第三二極管D3、第一負載RLl、第一電容Cl和第三功率管Q3組成的RCD吸收電路所吸收。
[0097]第一負載RLl可以是傳統的電阻，那么漏感儲存的能量最終由該電阻以發熱的形式消耗掉;若想進一步提升效率，第一負載RLl可以用可充電電池或可充電電池組，可充電電池組也是可充電電池，在本技術領域，很多文獻把超級電容、超級電容電池也看作是可充電電池，超級電容電池又叫黃金電容、法拉電容，它通過極化電解質來儲能，屬于雙電層電容的一種。由于其儲能的過程并不發生化學反應，因此這種儲能過程是可逆的，正因為此超級電容器可以反復充放電數十萬次。超級電容一般使用活性碳電極材料，具有吸附面積大，靜電儲存多的特點，在新能源汽車中有廣泛使用。它們用于第一負載RLl都可以實現發明目的，進一步提高效率，這部份的連接方法與應用可以參見申請號為201410459391.3的《一種均衡充電電路及電池組》。
[0098]第二功率管上管、下管中的體二極管正向導通時，與之并聯的第二功率管Q2同步導通，即可實現第二功率管Q2的同步整流功能，進一步提高變換效率。
[0099]以上為第一側Vs工作的工作原理，能量從第一側Vs經過變換轉移至第二側Vo。
[0100]從圖6、圖6-1、圖6-2可以看出，電路的兩側具有不對稱性，盡管兩側的工作電壓可能不同，如第二側接整個電池組，工作電壓相對要高，第一側的工作電壓低。第二側Vo工作時的工作原理，即能量從第二側Vo經過變換轉移至第一側Vs，即第二側Vo的第二功率管上管Q2s和下管Q2x同步處于PffM工作狀態時，第四功率管Q4的柵極至源極處于高電平狀態，第四功率管Q4處于飽和導通狀態，這時，第2側以普通的雙管反激電路在工作，第二二極管上管D2s和下管D2x均參與工作，把雙管反激電路中的漏感能量返回至Vs的電源或電容或電池中，實現了漏感能量回收。
[0101]同時，第三功率管Q3的柵極至源極處于低電平狀態，第三功率管Q3處于關斷狀態，上管Q2s和下管Q2x導通激磁時，第一側的RCD電路因功率管Q3關斷而不消耗能量，同樣實現能量變換轉移，能量從第二側Vo經過變換轉移至第一側Vs;
[0102]第四功率管Q4在工作全過程中，其處于斷開時，端電壓很小，即其承受的耐壓很小，可以選取低耐壓的MOS管，進一步降低成本。
[0103]這樣實現能量的雙向傳輸，且克服了現有技術的不足。
[0104]以下為實驗數據:
[0105]Vs工作電壓為2.8V，為一個超級電容的端電壓，功率管Ql為SIR422，為40V 40A的MOS管，RDS(ON)為6m Ω，封裝為S0-8 ；功率管Q3為XP15 IAl 3A0MR，為20V IA的MOS管，RDS(ON)為0.25 Ω，封裝為S0T-23 ； 二極管Dl為SK1040M，二極管D3為1N4148，電容Cl為470pF，第一負載RLl 為27 Ω ；
[0106]Vo工作電壓為28V，為一個超級電容組的電壓，為十個超級電容串聯后所得，功率管Q2s和Q2x為ZXMN10A1IG，為 100V/2.4A RDS(ON)為0.35 Ω MOS管，封裝為S0T-223 ；功率管Q4 同 Q3 ； 二極管 D2 為 SS210，二極管 D3 為 SS210;
[0107]變壓器B的參數:磁芯為ER20的通用磁芯；原邊繞組Np為2匝，為15股0.2mm漆包線并繞;副邊繞組Ns為20匝，為3股0.2mm漆包線并繞;設計功率為35W;
[0108]本發明并沒有設置會降低變換效率的電流檢測電阻，PWM控制方面的技術方案采用中國申請號為201410459391.3，名為《一種均衡充電電路及電池組》的技術方案，限制最大占空比來控制工作電流，并按圖6、或圖6-1或圖6-2改為雙向變換器。
[0109]主控用的集成電路均為ISL6840，第2側加入隔離驅動，工作頻率均為330KHz，實測本發明的變換效率:
[0110]從第一側Vs至第二側Vo的變換效率:82.9%;
[0111]從第二側Vo至第一側Vs的變換效率:89.2% ;
[0112]按中國申請號為201410459391.3示出的技術方案，第一負載RLl接一節2.8V的超級電容，效率為:
[0113]從第一側Vs至第二側Vo的變換效率:84.3%，與使用電阻的相比，上升了1.4% ;
[0114]從第二側Vo至第一側Vs的變換效率:89.2 %不變。
[0115]第一側Vs換為4.2V鋰電池電壓，實際電壓從3.0V調至4.20V，電路仍良好工作，第二側Vo的電壓為30V至42V，電路仍良好工作。
[0116]與背景文獻4相比，傳導騷擾度測試了150KHZ至30MHz，與現有技術相比，在同樣的工作電壓下，曲線相同，但本發明整體下移了5至10.8dB，平均約5.4dB，實現了EMI的改良與提升，當工作電壓提升至4.2V時，本發明整體下移了6.2至12.7dB，平均約7.9dB，實現了EMI的改良與提升。
[0117]可見，在原邊激磁時，副邊的漏感吸收電路不參與工作;在副邊激磁時，原邊的RCD吸收電路不參與工作;實現了“無損”吸收;較高效率地實現隔離式雙向變換，實現了發明目的。
[0118]在第一實施例中，事實上展現了多個實施方式，第二功率管上管、下管中的體二極管正向導通時，與之并聯的第二功率管Q2同步導通，即可實現第二功率管Q2的同步整流功能，進一步提高變換效率。這是第四種實施方式;第一二極管Dl正向導通時，與之并聯的第一功率管Ql同步導通，即可實現第一功率管Ql的同步整流功能，若獨立實施，這是第五種實施方式;同時實施，即和第四種同時實施，就是第六種實施方式，這里不再去組合展示。
[0119]第二實施例
[0120]請參見圖7，對應上述的另一套等效的技術方案，一種雙向變換器，至少包括第一偵吖s、第二側Vo，一只變壓器B，第一功率管Ql、第二功率管上管Q2s、第二功率管下管Q2x、第一二極管D1、第二二極管上管D2s、第二二極管下管D2x，第三二極管D3、第一電容Cl、第一負載RLl，變壓器B至少包括有清晰同名端標識的原邊繞組Np與副邊繞組Ns，連接關系為:
[0121]第一功率管Ql的源極與第一二極管Dl的陽極連接，并形成第一側Vs的輸入負，第一功率管Ql的漏極與第一二極管Dl的陰極連接并形成第一連接點，第一連接點還連接變壓器B的原邊繞組Np的異名端，第一連接點還連接第三二極管D3的陽極，第三二極管D3的陰極連接第一電容Cl的一端，第一電容Cl的另一端連接變壓器B的原邊繞組Np的同名端，并形成第一側Vs的輸入正；
[0122]第2側的連接關系同第一實施例的第2側連接關系，這里不再贅述；
[0123]還包括第三功率管Q3、第四功率管Q4，第三功率管Q3與第一負載RLl串聯，通常，串聯的方式有兩種，同時也形成兩種連接方式，這兩種是等效的:
[0124](I)第三功率管Q3的源極與第一負載RLl的一端連接，第一負載RLl的另一端連接第一電容Cl的另一端，第三功率管Q3的漏極連接第三二極管D3的陰極；圖7示出了這種方式；
[0125](2)第一負載RLl的一端連接第三二極管D3的陰極，第一負載RLl的另一端連接第三功率管Q3的漏極，第三功率管Q3的源極連接第一電容Cl的另一端;本文沒有畫圖示出。
[0126]第四功率管Q4與第二二極管下管D2x串聯，通常串聯的方式有兩種，同時也形成兩種連接方式，這兩種是等效的，同第一實施例的第2側連接關系，這里不再去組合展示。
[0127]事實上，第四功率管Q4與第二二極管上管D2s串聯，同樣實現發明目的，串聯的方式也有兩種，也里不再贅述。
[0128]第一側Vs的第一功率管Ql處于PWM工作狀態時，PffM信號從Pl端口加在對應的Ql的柵極上，即能量從第一側Vs向第二側Vo轉移時，第三功率管Q3的柵極至源極處于高電平狀態，第三功率管Q3處于飽和導通狀態，同時，第四功率管Q4的柵極至源極處于低電平狀態，第四功率管Q4處于關斷狀態；
[0129]或者:第二側Vo的第二功率管上管Q2s和下管同步處于PffM工作狀態時，PffM信號從P2s和P2x端口同步加在對應的柵極上，即能量從第二側Vo向第一側Vs轉移時，第四功率管Q4的柵極至源極處于高電平狀態，第四功率管Q4處于飽和導通狀態，同時，第三功率管Q3的柵極至源極處于低電平狀態，第三功率管Q3處于關斷狀態。
[0130]圖7中的第2側若更換為圖6-1的第2側Vo，可以組合出多個實施例。
[0131 ] 工作原理:以第一側Vs工作為例，當功率管Ql處于PWM開關狀態時，同上述的第一實施例的激磁過程。
[0132]由于第四功率管Q4的柵極G至源極S處于低電平狀態，第四功率管Q4處于關斷狀態，此刻，副邊繞組Ns感應電壓無法通過二極管D2s和D2x對第2側Vo充電，不消耗能量，即本發明中，在雙管反激電路中，加入第四功率管Q4后，就可以實現副邊的雙管反激電路不再因正激吸收能量，也不會出現失控的充電電流。
[0133]功率管Ql由導通轉為截止瞬間，變壓器B中原邊繞組Np的激磁電流不能消失，原流動方向為:原邊繞組Np的同名端流向異名端，即從上至下，變壓器B作為儲能電感運行，該電流會出現在副邊繞組Ns，流動方向仍是同名端流向異名端，變壓器B的副邊繞組Ns出現從下向上的電流，這時第二功率管上管Q2s、下管Q2x中的體二極管都處于正向導通狀態，能量從原邊Vs轉移至副邊Vo，向第二側Vo充電，完成變換;整個工作過程中，第一二極管Dl不參于工作；
[0134]整個工作過程中，第三功率管Q3的柵極至源極處于高電平狀態，第三功率管Q3處于飽和導通狀態，功率管Ql由導通轉為截止時，此時，由于變壓器B存在漏感，漏感儲存的能量由第一側Vs的第三二極管D3、第一負載RLl、第一電容Cl和第三功率管Q3組成的RCD吸收電路所吸收。
[0135]第一負載RLl可以是傳統的電阻，那么漏感儲存的能量最終由該電阻以發熱的形式消耗掉;若想進一步提升效率，第一負載RLl可以用可充電電池，進一步提高效率，這部份的連接方法與應用可以參見申請號為201410459391.3的《一種均衡充電電路及電池組》。
[0136]第二功率管上管、下管中的體二極管正向導通時，與之并聯的第二功率管Q2同步導通，即可實現第二功率管Q2的同步整流功能，進一步提高變換效率。
[0137]以上為第一側Vs工作的工作原理，能量從第一側Vs經過變換轉移至第二側Vo。
[0138]從圖7可以看出，電路的兩側具有不對稱性，盡管兩側的工作電壓可能不同，如第二側接整個電池組，工作電壓相對要高，第一側的工作電壓低。第二側Vo工作時的工作原理，即能量從第二側Vo經過變換轉移至第一側Vs，即第二側Vo的第二功率管上管Q2s和下管Q2x同步處于PffM工作狀態時，第四功率管Q4的柵極至源極處于高電平狀態，第四功率管Q4處于飽和導通狀態，這時，第2側以普通的雙管反激電路在工作，第二二極管上管D2s和下管D2x均參與工作，把雙管反激電路中的漏感能量返回至Vs的電源或電容或電池中，實現了漏感能量回收。
[0139]同時，第三功率管Q3的柵極至源極處于低電平狀態，第三功率管Q3處于關斷狀態，上管Q2s和下管Q2x導通激磁時，此刻，正激感應在原邊繞組Np感應電壓通過二極管D3對電容Cl充電，并沒有其它通路，這是第一個周期，在以后的周期中，由于電容Cl上已充好電，不再形成充電電流，故在以后的周期中，當第二功率管上管Q2s和下管Q2x再次飽和導通并對變壓器B的副邊繞組Ns激磁時，原邊繞組Np感應電壓處于空載狀態，并沒有能量損失。
[0140]第I側的RCD電路因功率管Q3關斷而不消耗能量，同樣實現能量變換轉移，能量從第二側Vo經過變換轉移至第一側Vs;
[0141]這樣實現能量的雙向傳輸，且克服了現有技術的不足。
[0142]以下為實驗數據:
[0143]器件的參數同第一實施例中的參數。
[0144]同樣沒有設置會降低變換效率的電流檢測電阻，PWM控制方面的技術方案采用中國申請號為201410459391.3，名為《一種均衡充電電路及電池組》的技術方案，限制最大占空比來控制工作電流，并按圖7改為雙向變換器。
[0145]從第一側Vs至第二側Vo的變換效率:82.9% ;
[0146]從第二側Vo至第一側Vs的變換效率:89.2% ；
[0147]按中國申請號為201410459391.3示出的技術方案，第一負載RLl接一節2.8V的超級電容，而第二負載RL2接上一個電池組，為十個超級電容串聯后所得，效率為:
[0148]從第一側Vs至第二側Vo的變換效率:84.3%，與使用電阻的相比，上升了1.4% ;
[0149]從第二側Vo至第一側Vs的變換效率:89.2 %不變。
[0150]第一側Vs換為4.2V鋰電池電壓，實際電壓從3.0V調至4.20V，電路仍良好工作，第二側Vo的電壓為30V至42V，電路仍良好工作。
[0151]與背景文獻4相比，傳導騷擾度測試了150KHZ至30MHz，與現有技術相比，在同樣的工作電壓下，曲線相同，但本發明整體下移了 5至I IdB，平均約5.5dB，實現了 EMI的改良與提升，當工作電壓提升至4.2V時，本發明整體下移了 6.2至12.9dB，平均約8.1dB，實現了EMI的改良與提升。
[0152]可見，在原邊激磁時，副邊的漏感吸收電路不參與工作;在副邊激磁時，原邊的RCD吸收電路不參與工作;實現了“無損”吸收;較高效率地實現隔離式雙向變換，實現了發明目的。
[0153]以上僅是本發明的優選實施方式，應當指出的是，上述優選實施方式不應視為對本發明的限制。
[0154]對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明的精神和范圍內，還可以做出若干改進和潤飾，如加入電流檢測電阻或電流互感器，作雙極性晶體管替代文中的功率管，兩側對調，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍，這里不再用實施例贅述，本發明的保護范圍應當以權利要求所限定的范圍為準。
【主權項】
1.一種雙向變換器，至少包括第一側、第二側，一只變壓器，第一功率管、第二功率管上管、第二功率管下管、第一二極管、第二二極管上管、第二二極管下管，第三二極管、第一電容、第一負載，連接關系為: 所述的第一功率管的源極與所述的第一二極管的陽極連接，并形成第一側的輸入負，所述的第一功率管的漏極與所述的第一二極管的陰極連接并形成第一連接點，所述的第一連接點還連接所述的變壓器的原邊繞組的異名端，所述的第一負載與所述的第一電容并聯，并聯后的一端連接所述的變壓器的原邊繞組的同名端，并形成第一側的輸入正，并聯后的另一端形成第二連接點； 所述的第二功率管上管的漏極連接第二側的輸入正，連接點還連接所述的第二二極管上管的陰極;所述的第二功率管上管的源極連接所述的變壓器的副邊繞組的異名端;所述的變壓器的副邊繞組的同名端連接所述的第二功率管下管的漏極，連接點同時連接所述的第二二極管上管的陽極;所述的第二功率管下管的源極連接第二側的輸入負； 其特征是:還包括第三功率管、第四功率管，所述的第三功率管與所述的第三二極管串聯，串聯的方式為以下兩種之一: (1)所述的第三功率管的漏極連接所述的第三二極管的陰極，所述的第三二極管的陽極連接所述的第一連接點，所述的第三功率管的源極連接所述的第二連接點； (2)所述的第三功率管的源極連接所述的第三二極管的陽極，所述的第三二極管的陰極連接所述的第二連接點，所述的第三功率管的漏極連接所述的第一連接點； 所述的第四功率管與所述的第二二極管下管串聯，串聯的方式為以下兩種之一: (1)所述的第四功率管的源極連接所述的第二二極管下管的陽極，所述的第二二極管下管的陰極連接所述的第二功率管上管的源極，所述的第四功率管的漏極連接所述的第二側的輸入負； (2)所述的第四功率管的漏極連接所述的第二二極管下管的陰極，所述的第二二極管下管的陽極連接所述的第二側的輸入負，所述的第四功率管的源極連接所述的第二功率管上管的源極； 所述的第一側的第一功率管處于PWM工作狀態時，即能量從所述的第一側向所述的第二側轉移時，所述的第三功率管的柵極至源極處于高電平狀態，所述的第三功率管處于飽和導通狀態，同時，所述的第四功率管的柵極至源極處于低電平狀態，所述的第四功率管處于關斷狀態； 或者:所述的第二側的第二功率管上管和下管同步處于PWM工作狀態時，即能量從所述的第二側向第一側轉移時，所述的第四功率管的柵極至源極處于高電平狀態，所述的第四功率管處于飽和導通狀態，同時，所述的第三功率管的柵極至源極處于低電平狀態，所述的第三功率管處于關斷狀態。2.一種雙向變換器，至少包括第一側、第二側，一只變壓器，第一功率管、第二功率管上管、第二功率管下管、第一二極管、第二二極管上管、第二二極管下管，第三二極管、第一電容、第一負載，連接關系為: 所述的第一功率管的源極與所述的第一二極管的陽極連接，并形成所述的第一側的輸入負，所述的第一功率管的漏極與所述的第一二極管的陰極連接并形成第一連接點，所述的第一連接點還連接所述的變壓器的原邊繞組的異名端，所述的第一連接點還連接所述的第三二極管的陽極，所述的第三二極管的陰極連接所述的第一電容的一端，所述的第一電容的另一端連接所述的變壓器的原邊繞組的同名端，并形成第一側的輸入正； 所述的第二功率管上管的漏極連接第二側的輸入正，連接點還連接所述的第二二極管上管的陰極;所述的第二功率管上管的源極連接所述的變壓器的副邊繞組的異名端;所述的變壓器的副邊繞組的同名端連接所述的第二功率管下管的漏極，連接點同時連接所述的第二二極管上管的陽極;所述的第二功率管下管的源極連接第二側的輸入負； 其特征是: 還包括第三功率管、第四功率管，所述的第三功率管與第一負載串聯，串聯的方式為以下兩種之一: (1)所述的第三功率管的源極與所述的第一負載的一端連接，所述的第一負載的另一端連接所述的第一電容的另一端，所述的第三功率管的漏極連接所述的第三二極管的陰極； (2)所述的第一負載的一端連接所述的第三二極管的陰極，所述的第一負載的另一端連接所述的第三功率管的漏極，所述的第三功率管的源極連接所述的第一電容的另一端； 所述的第四功率管與所述的第二二極管下管串聯，串聯的方式為以下兩種之一: (1)所述的第四功率管的源極連接所述的第二二極管下管的陽極，所述的第二二極管下管的陰極連接所述的第二功率管上管的源極，所述的第四功率管的漏極連接所述的第二側的輸入負； (2)所述的第四功率管的漏極連接所述的第二二極管下管的陰極，所述的第二二極管下管的陽極連接所述的第二側的輸入負，所述的第四功率管的源極連接所述的第二功率管上管的源極； 所述的第一側的第一功率管處于PWM工作狀態時，即能量從所述的第一側向第二側轉移時，所述的第三功率管的柵極至源極處于高電平狀態，所述的第三功率管處于飽和導通狀態，同時，所述的第四功率管的柵極至源極處于低電平狀態，所述的第四功率管處于關斷狀態； 或者:所述的第二側的第二功率管上管和下管同步處于PWM工作狀態時，即能量從所述的第二側向所述的第一側轉移時，所述的第四功率管的柵極至源極處于高電平狀態，所述的第四功率管處于飽和導通狀態，同時，所述的第三功率管的柵極至源極處于低電平狀態，所述的第三功率管處于關斷狀態。3.根據權利要求1或2任一項所述的雙向變換器，其特征在于:將所述的第四功率管移至與所述的第二二極管上管串聯。4.根據權利要求1或2任一項所述的雙向變換器，其特征在于:所述的第二功率管上管和下管內部的體二極管正向導通時，與之并聯的第二功率管上管和下管同步導通;或第一二極管正向導通時，與之并聯的第一功率管同步導通。5.根據權利要求1或2任一項所述的雙向變換器，其特征在于:所述的第一負載為電阻器。6.根據權利要求1或2任一項所述的雙向變換器，其特征在于:所述的第一負載為可充電電池或可充電電池組，且連接要保證所述的可充電電池或可充電電池組是在吸收漏感能量的同時被充電。
【文檔編號】H02M3/337GK106026678SQ201610355599
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月25日
【發明人】王保均, 尹向陽
【申請人】廣州金升陽科技有限公司