一种同步整流DC-DC双向变换器电路及其控制方法与流程

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一种同步整流dc-dc双向变换器电路及其控制方法
技术领域
1.本技术涉及同步整流dc-dc双向变换器，特别涉及一种同步整流dc-dc双向变换器电路及其控制方法。

背景技术：

2.随着经济的高速发展，人类对能源的需求日益增加，但由于传统能源在使用过程中给环境带来了较为严重的温室效应以及雾霾现象，这无疑给人类敲响了环保的警钟。为了减少对环境的破坏但同时又能满足人类的能源需求，世界各国都在努力寻求可再生的绿能源。比如现在大力发展的太阳能和风能等绿能源。这些绿能源由于受季节性和区域性限制以及转换效率等问题限制了其发展，但随着电力电子技术的发展，各种变换器的出现，从而提高了其利用效率。总的来说，绿新能源发展是未来发展的趋势，也是目前急需完善的技术问题。
3.电力电子变换器，在这里统称为“变换器”，它是应用电力电子器件将一种电能变换成另外一电能的装置。变换器按转换电源的种类，到目前为止分为4种类型：
4.1)直流变换器：将一种直流电转换成另外一种直流电，俗称dc/dc变换器，是直流开关电源的主要部件。
5.2)逆变器：将直流电转变为交流电的电能变换器，俗称dc/ac变换器，是交流开关电源和不中断电源ups的主要部件。
6.3)整流器：将交流电转变为直流的电能变换器，俗称ac/dc变换器。
7.4)交交变频器：将一种频率的交流电转变为另外一种或者可变频率的交流电，或者将变频交流直接转换成恒频交流电的电能变换器，俗称ac/ac变换器。
8.由直流变换器和整流器构成的直流开关电源已经得到了广泛的应用。随着绿新能源的发展，双向直流变换器也逐渐进入市场。早在20世纪80年代初，美国将双向直流变换器应用于人造卫星的太阳能电源系统。近些年来，随着新能源电动汽车的快速发展，双向直流变换器在电动车辆中也得到了广泛的应用。实际上，双向直流变换器是随着太阳能电源、风力发电、燃料电池等新型电源和化学电源、超级电容为代表的储能设备发展而发展起来的。
9.单向直流变换器只能将能量从一个反向传到另一个方向，双向直流变换器则可以实现能量的双向传输。随着科技的发展，双向直流变换器已得到了广泛应用，其中包括卫星的太阳能电源系统、电动汽车以及备份电源等领域。比如具有双向功能的太阳能充电器，在太阳能充足并主电池充满电情况下，可以通过该充电器将多余能量存储在容量大的备用电池之中，当太阳不足并主电池缺电情况下，又可以通过备用电池给主电池反向充电，从而实现了对太阳能的充分利用，也大大提高了用电时间。
10.20世纪80年代初，为了减轻人造卫星太阳能电源系统的体积和重量，美国学者提出了buck/boost型双向直流变换器替代电池充电器和放电器，从此代表着双向直流变换器进入运用阶段。1994年f.caricchi等研制成功电动车驱动用20kw水冷式双向直流变换器。
1998年，与燃料电池配套的双向直流变换器也相继被研究出来。可见，航天电源和电动车辆的需求是双向直流变换器发展的牵引力，而开关直流变换器技术的发展为双向直流变换器的发展奠定了技术基础。
11.dc-dc降压变换器主要运用在输入电源的电压比输出的电压高的系统中，由于输入端的电压比
12.输出电压高，所以需要将输入端的电压降到要求的电压水平上来，才能保证设备正常工作。dc-dc升压变换器主要运用在输入电源的电压比输出的电压低的系统中，由于输入端的电压比要求输
13.出电压低，带动能力不够，需要将输入源的电压抬高到需要的电压水平上来，这样才能保证设备正常工作。
14.双向dc-dc变换器在光伏发电、电动汽车、分布式发电和ups不间断电源领域有着广泛的应用。近些年来，各国针对这一块进行了一系列的研究，但研究重点集中在拓扑结构和控制方式上。双向dc-dc变换器在拓扑结构上按输入和输出之间是否电器隔离分为隔离型和非隔离型两种。其中常见非隔离型双向dc-dc变换器的拓扑结构电路形式如下图所示。其中图3是双向buck-boost变换器，图4是双向半桥变换器，图5是双向cuk变换器，图6是双向sepic变换器。本实例中使用的是非隔离型，对于其拓扑结构，这里不多描述。
15.开关电源的损耗表现在四个方面，分别是开关损耗、导通损耗、附加损耗和电阻损耗。开关损耗是出现在功率开关被驱动，进入一个新的工作状态，驱动和开关波形处于过渡过程时的损耗；导通损耗是当功率器件已被开通，且驱动和开关波形已经稳定以后，功率开关处于导通状态时的损耗；
16.附加损耗与所有运行功率电路所需的功能器件有关，这些器件包括与控制ic相关的电路以及反馈电路。相比于电源的其他损耗，这些损耗一般较小，但是可以作些分析看看是否有改进的可能。电阻损耗是变压器或电感内部绕组的电阻产生的损耗。所以对于功率比较大的产品中，哪怕续流二极管电阻小，那也是一部分不小的损耗。

技术实现要素：

17.本发明的目的是提供一种可以降低开关损耗、提升系统效率的基于同步整流dc-dc双向变换器电路及其控制方法。
18.为了实现上述目的，本技术提供如下技术方案：、
19.一种基于同步整流dc-dc双向变换器电路，包括mos管a、mos管b、mos管c、mos管d、检测电阻和电感，所述mos管a一端连接有电压输入端，所述述mos管a另一端分别与mos管b和检测电阻的一端连接，所述检测电阻的另一端与电感的一端连接，所述电感的另一端分别与mos管c和mos管d连接，其中所述mos管a与mos管b构成一对互补buck调节电路，所述mos管b是mos管a的互补管，所述mos管c与mos管d构成一对互补boost调节电路，所述mos管d是mos管c的互补管。
20.一种基于同步整流dc-dc双向变换器电路的控制方法，包括以下步骤：
21.s1：充电方向判定，识别系统是正向充电还是逆向充电；
22.s2：电源类型识别，对输入电源类型或者输出电源类型识别；
23.s3：设定参数整定，根据不同电源类型在工作过程中所表现出的参数，设定其输出
恒压值或设定其输出恒流值；
24.s4：工作模式识别，根据电池状况以及输入源的功率进行识别，然后进入最佳工作模式，其中工作模式包括恒压模式和恒流模式；
25.进一步地，在所述恒压模式下，输出电压恒定在s3步设定值，此时电流大小由被充电电池吸收能力来决定，在这个模式下，如果电池充满，其充电电流将会逐渐下降，当下降到关闭充电设定值时，将会切断充电，进入等待恢复充电过程。
26.进一步地，当电池快没电池，电池允许大电流给它充电，系统切换到恒流模式，目的是以最大充电电流充电，在恒流模式下，如果电池快充满，系统将自动从恒流模式切入恒压模式。
27.进一步地，系统工作在恒流模式时，系统将给电池以最大允许充电电流给电池充电。
28.本技术的有益效果为：
29.1)由于本技术的电路使用的是buck-boost拓扑结构，所以允许输入电源比输出电源高，也允许输入电源比输出电压低，因此调节范围比较宽。
30.2)由于电路使用的是基于同步整流dc-dc双向变换器电路的控制方法，所以转换效率比较高。
附图说明
31.图1为本技术一实施例提供的基于同步整流dc-dc双向变换器电路控制方法流程图；
32.图2为本技术一实施例提供的双向变换器电路的结构图；
33.图3是双向buck-boost变换器；
34.图4是双向半桥变换器；
35.图5是双向cuk变换器；
36.图6是双向sepic变换器；
37.图7为本技术一实施例提供的基于同步整流dc-dc双向变换器电路图
具体实施方式
38.本技术的实施方式部分使用的术语仅用于对本技术的具体实施例进行解释，而非旨在限定本技术，下面将结合附图对本技术实施例的实施方式进行详细描述。
39.如图1所示的，一种基于同步整流dc-dc双向变换器电路的控制方法，包括以下步骤：
40.s1：充电方向判定，识别系统是正向充电还是逆向充电；
41.这是开启充电的关键一步，根据用户选择开关，识别系统是正向充电还是逆向充电。在实例中，正向充电时，是12v蓄电池、24v蓄电池或者58v锂电池给输出端58v锂电池充电。逆向充电时，输出端的58v锂电池给12v蓄电池、24v蓄电池或者58v锂电池充。
42.s2：电源类型识别，对输入电源类型或者输出电源类型识别；这一步处理任务主要是根据s1确定之后，针对输入电源类型或者输出电源类型识别。如果是正向充电，需要对输入电源类型识别。如果是逆向充电，需要对输出电源类型识别，因为不同电源在恒压和恒流
时，其设定参数是不一样的。
43.s3：设定参数整定，根据不同电源类型在工作过程中所表现出的参数，设定其输出恒压值或设定其输出恒流值；由于不同电源类型在工作过程中所表现出的参数是不一致的，所以需要针对不同类型电源需要针对性设定其参数。比如说，逆向充电时，58v锂电池给24v蓄电池充，其恒压值应该设定为24v，而不是设定58v，如过给24v的电池施加58v电压，那么将会损坏电池。
44.s4：工作模式识别，根据电池状况以及输入源的功率进行识别，然后进入最佳工作模式，其中工作模式包括恒压模式和恒流模式；在这个模式下，系统将会根据电池状况以及输入源的功率进行识别，然后进入最佳工作模式。在实施例中，如果电池电压比较低，输入源的功率足够大，那么可以进入恒流模式；如果是电池快充满状态，避免过大电流对电池的伤害，那么可以选择进入恒压模式；在这个模式下，系统是根据输入电源的能力和电池的状态来准确进入相应的工作模式，从而对电池起到保护作用，可见也可以延长电池寿命。
45.进一步地，在所述恒压模式下，输出电压恒定在s3步设定值，此时电流大小由被充电电池吸收能力来决定，在这个模式下，如果电池充满，其充电电流将会逐渐下降，当下降到关闭充电设定值时，将会切断充电，进入等待恢复充电过程。
46.恒压模式，在这个模式下，输出电压恒定在s3步设定值，此时电流大小由被充电电池吸收能力来决定。在这个模式下，如果电池充满，其充电电流将会逐渐下降，当下降到关闭充电设定值时。系统将会切断充电，进入等待恢复充电过程。
47.恒压模式与恒流模式切换，当电池快没电池，电池允许大电流给它充电，系统切换到恒流模式，目的是以最大充电电流充电，可以大大缩短充电的时间。在恒流模式下，如果电池快充满，系统将自动从恒流模式切入恒压模式，保障电池不因电压过高而损坏电池。
48.恒流模式，系统工作在恒流模式时，系统将给电池以最大允许充电电流给电池充电，这样做的目的是缩短充电时间，同时损坏电池。
49.另外系统中还有一个故障检测和恢复，以及开关机处理模块，由于放在系统后台执行，所以没有在流程图中列举出。这个模块是确保设备正常充电，实时保护设备最重要的功能。设备在工作过程中，输入电源也会受到外部因素影响，比如打雷，强磁场等因素的影响，从而导致设备出现过压、欠压、过流以及过温的现象。系统有这个故障检测功能情况下，可以检测故障并切除设备充电以及关闭设备，起到保护设备的安全。但故障消除后，重启系统，继续工作。
50.1)由于本技术的电路使用的是buck-boost拓扑结构，所以允许输入电源比输出电源高，也允许输入电源比输出电压低，因此调节范围比较宽。
51.2)由于电路使用的是基于同步整流dc-dc双向变换器电路的控制方法，所以转换效率比较高。
52.如图7所示的，一种基于同步整流dc-dc双向变换器电路，包括mos管a、mos管b、mos管c、mos管d、检测电阻和电感，mos管a一端连接有电压输入端，述mos管a另一端分别与mos管b和检测电阻的一端连接，检测电阻的另一端与电感的一端连接，电感的另一端分别与mos管c和mos管d连接，其中mos管a与mos管b构成一对互补buck调节电路，mos管b是mos管a的互补管，mos管c与mos管d构成一对互补boost调节电路，mos管d是mos管c的互补管。
53.在本技术实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安
装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。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技术实施例中的具体含义。
54.在本技术实施例或者暗示所指的装置或者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技术实施例的限制。在本技术实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非是另有精确具体地规定。
55.本技术实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术实施例的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“可以包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可可以包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
56.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术实施例的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述各实施例对本技术实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术实施例各实施例技术方案的范围。

技术特征：

1.一种基于同步整流dc-dc双向变换器电路，其特征在于：包括mos管a、mos管b、mos管c、mos管d、检测电阻和电感，所述mos管a一端连接有电压输入端，所述述mos管a另一端分别与mos管b和检测电阻的一端连接，所述检测电阻的另一端与电感的一端连接，所述电感的另一端分别与mos管c和mos管d连接，其中所述mos管a与mos管b构成一对互补buck调节电路，所述mos管b是mos管a的互补管，所述mos管c与mos管d构成一对互补boost调节电路，所述mos管d是mos管c的互补管。2.一种基于同步整流dc-dc双向变换器电路的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：s1：充电方向判定，识别系统是正向充电还是逆向充电；s2：电源类型识别，对输入电源类型或者输出电源类型识别；s3：设定参数整定，根据不同电源类型在工作过程中所表现出的参数，设定其输出恒压值或设定其输出恒流值；s4：工作模式识别，根据电池状况以及输入源的功率进行识别，然后进入最佳工作模式，其中工作模式包括恒压模式和恒流模式。3.根据权利要求2所述的一种基于同步整流dc-dc双向变换器电路的控制方法，其特征在于：在所述恒压模式下，输出电压恒定在s3步设定值，此时电流大小由被充电电池吸收能力来决定，在这个模式下，如果电池充满，其充电电流将会逐渐下降，当下降到关闭充电设定值时，将会切断充电，进入等待恢复充电过程。4.根据权利要求2所述的一种基于同步整流dc-dc双向变换器电路的控制方法，其特征在于：当电池快没电池，电池允许大电流给它充电，系统切换到恒流模式，目的是以最大充电电流充电，在恒流模式下，如果电池快充满，系统将自动从恒流模式切入恒压模式。5.根据权利要求2所述的一种基于同步整流dc-dc双向变换器电路的控制方法，其特征在于：系统工作在恒流模式时，系统将给电池以最大允许充电电流给电池充电。

技术总结

本申请提供了一种同步整流DC-DC双向变换器电路及其控制方法，包括MOS管A、MOS管B、MOS管C、MOS管D、检测电阻和电感，MOS管A一端连接有电压输入端，述MOS管A另一端分别与MOS管B和检测电阻的一端连接，检测电阻的另一端与电感的一端连接，电感的另一端分别与MOS管C和MOS管D连接，其中MOS管A与MOS管B构成一对互补BUCK调节电路，MOS管B是MOS管A的互补管，MOS管C与MOS管D构成一对互补BOOST调节电路，MOS管D是MOS管C的互补管。本申请的电路使用的buck-boost拓扑结构，所以允许输入电源比输出电源高，也允许输入电源比输出电压低，因此调节范围比较宽。围比较宽。围比较宽。