一种双向DC-DC转换器的制作方法

一种双向dc-dc转换器
技术领域
1.本发明涉及转换器技术领域，特别是涉及一种双向dc-dc转换器。


背景技术：

2.双向dc-dc转换器主要应用在混合动力汽车上，是一种用于电压转换的控制器，目前，现有技术的双向dc-dc转换器的一般包括mcu控制模块和与muc控制模块连接的功率单元，由于功率单元的电路结构设计复杂，分立元器件繁多，导致整体体积较大，可靠性和效率较低。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术存在的技术问题，提供了一种能够简化功率单元的电路结构的双向dc-dc转换器。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双向dc-dc转换器，用于连接在电压不相等的第一电源和第二电源之间，包括mcu控制模块、用于采集第一电源电压及第二电源电压的第一电压采集电路和功率单元，第一电压采集电路的输出接至mcu控制模块；功率单元包括一功率模块或至少两并联连接的功率模块，所述功率模块包括多相双向电流控制器、功率控制电路、电流采集电路和用于采集第一电源电压及第二电源电压的第二电压采集电路，功率控制电路和电流采集电路相连，且功率控制电路连接第一电源，电流采集电路连接第二电源；电流采集电路的输出端和第二电压采集电路的输出端分别连接多相双向电流控制器的模拟量采集端，多相双向电流控制器的驱动输出端连接功率控制电路的输入端；多相双向电流控制器使能端和可编程配置端分别连接mcu控制模块。
5.进一步的，还包括第一双向防反及电隔离开关和第二双向防反及电隔离开关，第一双向防反及电隔离开关连接在所述功率控制电路与第一电源之间；第二双向防反及电隔离开关连接在所述电流采集模块与所述第二电源之间；第一双向防反及电隔离开关的使能控制端和第二双向防反及电隔离开关的使能控制端分别连接所述mcu控制模块的输出端。
6.进一步的，还包括第一滤波电路和第二滤波电路，第一滤波电路连接在所述第一双向防反及电隔离开关与所述第一电源之间；第二滤波电路连接在所述第二双向防反及电隔离开关与所述第二电源之间。
7.进一步的，所述功率控制电路包括mos管q1和mos管q2，mos管q1的漏极连接经所述第一双向防反及电隔离开关后的第一电源的正极，mos管q1的源极与mos管q2的漏极连接，并连接所述电流采集电路的输入端，mos管q2的源极连接经所述第一双向防反及电隔离开关后的第一电源的负极；多相双向电流控制器的驱动输出端包括高边门驱动输出端和低边门驱动输出端，高边门驱动输出端连接mos管q1的栅极，低边门驱动输出端连接mos管q2的栅极。
8.进一步的，所述电流采集电路包括电阻r1，该电阻r1的一端连接所述mos管q1的源极和所述mos管q2的漏极，电阻r1的另一端连接经所述第二双向防反及电隔离开关后的第
二电源的正极，电阻r1的两端均连接所述多相双向电流控制器的第一模拟量采集端。
9.进一步的，所述功率模块还包括电容c1、电容c2和电感l1，电容c1连接在经所述第一双向防反及电隔离开关后的第一电源的正负极之间，电容c2连接在经所述第二双向防反及电隔离开关后的第二电源的正负极之间，电感l1一端连接所述电阻r1的一端，电感l1另一端连接所述mos管q1的源极和所述mos管q2的漏极。
10.进一步的，所述第二电压采集电路包括电阻r2、电阻r3、电阻r4和电阻r5，电阻r2一端和电阻r3一端相连，且电阻r2另一端和电阻r3的另一端分别连接经所述第一双向防反及电隔离开关后的第一电源的正极和负极，电阻r2和电阻r3的相连端连接所述多相双向电流控制器的第二模拟量采集端；电阻r4一端和电阻r5一端相连，且电阻r4另一端和电阻r5的另一端分别连接经所述第二双向防反及电隔离开关后的第二电源的正极和负极，电阻r4和电阻r5的相连端连接所述多相双向电流控制器的第三模拟量采集端。
11.进一步的，所述第一双向防反及电隔离开关包括mos驱动器u1、二极管d1、二极管d2、电容c3、电容c4、电阻r6、电阻r7和第一mos单元，第一mos单元包括一mos组件或至少两并联连接的mos组件，所述mos组件包括两个mos管，该两个mos管的源极连接在一起，并连接mos驱动器u1欠压锁定比较器输入引脚；二极管d1的正极、mos组件的其中一mos管的漏极和电容c3的一端连接在一起，并连接经所述第一滤波电路滤波后的第一电源的正极，二极管d1的负极连接mos驱动器u1电源输入引脚，mos组件的其中一mos管的栅极连接mos驱动器u1的过电压保护比较器输入引脚；二极管d2的正极、mos组件的另一mos管的漏极、电容c4的一端连接在一起，并连接所述功率控制电路，二极管d2的负极连接mos驱动器u1输出电压检测引脚；电阻r6连接在mos驱动器u1的欠压锁定比较器输入引脚和过电压保护比较器输入引脚之间，电阻r7连接在mos驱动器u1的接地引脚和欠压锁定比较器输入引脚之间；电容c3的另一端、电容c4的另一端和mos驱动器u1的接地引脚连接在一起，并连接经所述第一滤波电路滤波后的第一电源的负极；mos驱动器u1的使能输入引脚连接所述mcu控制模块的输出端；
12.所述第二双向防反及电隔离开关包括mos驱动器u2、二极管d3、二极管d4、电容c5、电容c6、电阻r8、电阻r9和第二mos单元，第二mos单元包括一mos组件或至少两并联连接的mos组件，所述mos组件包括两个mos管，该两个mos管的源极连接在一起，并连接mos驱动器u2欠压锁定比较器输入引脚；二极管d3的正极、mos组件的其中一mos管的漏极和电容c5的一端连接在一起，并连接所述电流采集电路，二极管d3的负极连接mos驱动器u2电源输入引脚，mos组件的其中一mos管的栅极连接mos驱动器u2的过电压保护比较器输入引脚；二极管d4的正极、mos组件的另一mos管的漏极、电容c6的一端连接在一起，并连接经所述第二滤波电路滤波后的第二电源的正极，二极管d4的负极连接mos驱动器u2输出电压检测引脚；电阻r8连接在mos驱动器u2的欠压锁定比较器输入引脚和过电压保护比较器输入引脚之间，电阻r9连接在mos驱动器u2的接地引脚和欠压锁定比较器输入引脚之间；电容c5的另一端、电容c6的另一端和mos驱动器u2的接地引脚连接在一起，并连接经所述第二滤波电路滤波后的第二电源的负极；mos驱动器u2的使能输入引脚连接所述mcu控制模块的输出端。
13.进一步的，还包括用于为所述第一电源预充电的第一预充电电路和用于为所述第二电源预充电的第二预充电电路，第一预充电电路的输入端和第二预充电电路的输入端分别连接所述mcu控制模块的输出端；还包括主机ecm和电源模块，主机ecm连接所述mcu控制
模块，电源模块的输入端连接主机ecm，电源模块的输出端连接mcu控制模块的输入端。
14.进一步的，所述多相双向电流控制器的温度信号输出端连接所述mcu控制模块的输入端；所述第一电源为48v电池，所述第二电源为12v电池。
15.相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
16.1、由于功率单元包括一功率模块或至少两并联连接的功率模块，功率模块包括所述多相双向电流控制器、功率控制电路、电流采集电路和第二电压采集电路，使得本发明的功率单元的电路设计非常简洁、原理清晰、分立元器件少，可靠性高。
17.2、功率模块实现了模块化设计，直接并联使用，功率配置灵活，可覆盖多个功率等级，如1.8kw/3kw；将电流环路及开关环路做到最小，零电压电流交叉点开关，做到无损耗开关，提高效率，显著减少高频噪声的产生，emi性能好，并可提高电路的开关频率，减小了功率电感的体积，达到更高的功率密度和效率，优化了整体的解决方案。
18.3、所述第一双向防反及电隔离开关和第二双向防反及电隔离开关的设置，使得本发明实现了电路的双向防反功能及功率单元与电源端之间的可开关控制功能。
19.以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种双向dc-dc转换器不局限于实施例。
附图说明
20.图1是本发明的原理框图；
21.图2是本发明的功率模块在恒压模式的原理框图；
22.图3是本发明的功率模块在横流模式的原理框图；
23.图4是本发明的功率模块与mcu控制模块在连接状态的电路结构示意图；
24.图5是本发明的第一双向防反及电隔离开关的电路结构示意图；
25.图6是本发明的第二双向防反及电隔离开关的电路结构示意图。
具体实施方式
26.实施例，请参见图1-图6所示，本发明的一种双向dc-dc转换器，用于连接在电压不相等的第一电源8和第二电源9之间，包括mcu控制模块1、用于采集第一电源8电压及第二电源9电压的第一电压采集电路2和功率单元，第一电压采集电路2的输出接至mcu控制模块1的输入端。功率单元包括至少两并联连接的功率模块3，各功率模块3分别包括多相双向电流控制器33、功率控制电路31、电流采集电路32和用于采集第一电源8电压及第二电源9电压的第二电压采集电路34，功率控制电路31和电流采集电路32相连，且功率控制电路31连接第一电源8，电流采集电路32连接第二电源9；电流采集电路32的输出端和第二电压采集电路34的输出端分别连接多相双向电流控制器33的模拟量采集端，多相双向电流控制器33的驱动输出端连接功率控制电路31的输入端；多相双向电流控制器33使能端和可编程配置端分别连接mcu控制模块1的输出端。所述双向电流控制器33的型号为lm5170，但不局限于此。
27.本实施例中，本发明还包括第一双向防反及电隔离开关4和第二双向防反及电隔离开关5，第一双向防反及电隔离开关4连接在所述功率控制电路31与第一电源8之间；第二双向防反及电隔离开关5连接在所述电流采集电路32与所述第二电源9之间；第一双向防反
及电隔离开关4的使能控制端和第二双向防反及电隔离开关5的使能控制端分别连接所述mcu控制模块1。
28.本实施例中，本发明还包括第一滤波电路6和第二滤波电路7，第一滤波电路6连接在所述第一双向防反及电隔离开关4与所述第一电源8之间；第二滤波电路7连接在所述第二双向防反及电隔离开关5与所述第二电源9之间。
29.本实施例中，本发明还包括用于为所述第一电源8预充电的第一预充电电路10和用于为所述第二电源9预充电的第二预充电电路11，第一预充电电路10的输入端和第二预充电电路11的输入端分别连接所述mcu控制模块1的输出端。所述第一预充电电路10和第二预充电电路11均采用电容充电电路，所述第一预充电电路10和第二预充电电路11的设置，可以防止上电初始化过程电池继电器闭合时出现浪涌电流。mcu控制模块1通过检测第一电源8和第二电源9的电压，并根据功率控制电路31的开通方向，判断为第一电源8或第二电源9进行预充电。预充电时，mcu控制模块1实时采集第一电源8/第二电源9电压，并根据不同电压值调整充电电流值，直到mcu控制模块1采集到所需充电电压值后，即发出关断指令，完成一个充电周期。
30.本实施例中，本发明还包括主机ecm12和电源模块13，主机ecm12连接所述mcu控制模块1，电源模块13的输入端连接主机ecm12，电源模块13的输出端连接mcu控制模块1的输入端。主机ecm12具体通过can总线与mcu控制模块1连接，主机ecm12可控制整个转换器的启动和停机，mcu控制模块1接收主机ecm12对于升降压电路的需求，采集第一电源8/第二电源9电压，将充电方向、充电电流指令发送至功率模块3，并给第一电源8或第二电源9充电，将功率模块3的工作信息发送给主机ecm12。
31.本实施例中，所述多相双向电流控制器33的可编程配置端(即program脚)可以设计为模拟量、数字量接收口，也可以为通讯接口(例如i2c，spi，sci接口等)的设计。可编程配置端的作用包括对以下功能的配置：
32.1)电路工作方向选择，降压(buck)或升压(boost)方向；
33.2)电路工作模式的选择，恒压或者恒流模式；
34.3)电路电流和电压的配置：恒压模式时，配置输出的恒定电压值，恒流模式时，配置输出的恒定电流值。
35.恒压模式的配置如图2所示，多相双向电流控制器33接收mcu控制模块1的电压设定指令，通过第二电压采集电路34采集高压侧电压(即第一电源8电压)、低压侧电压(即第二电源9电压)，做占空比的配置，并与内部电压基准进行比较，进而时时调整pwm占空比，保持恒压输出。
36.恒流模式的配置如图3所示，多相双向电流控制器33通过接收mcu控制模块1的电流设定指令，配置相应的恒流占空比，并通过电流采集电路32采集电流，与电流设置值进行比较，进而时时调整pwm占空比，保持恒流输出。
37.本实施例中，如图4所示，所述功率控制电路31包括mos管q1和mos管q2，mos管q1的漏极连接经所述第一双向防反及电隔离开关4后的第一电源8的正极，mos管q1的源极与mos管q2的漏极连接，并连接所述电流采集电路32的输入端，mos管q2的源极连接经所述第一双向防反及电隔离开关4后的第一电源8的负极；多相双向电流控制器33的驱动输出端包括高边门驱动输出端334和低边门驱动输出端335，高边门驱动输出端334连接mos管q1的栅极，
低边门驱动输出端335连接mos管q2的栅极。
38.本实施例中，如图4所示，所述电流采集电路32包括电阻r1，该电阻r1的一端连接所述mos管q1的源极和所述mos管q2的漏极，电阻r1的另一端连接经所述第二双向防反及电隔离开关5后的第二电源9的正极，电阻r1的两端均连接所述多相双向电流控制器33的第一模拟量采集端331(所述多相双向电流控制器33具有若干模拟量采集端，分别命名为第一模拟量采集端331、第二模拟量采集端332、第三模拟量采集端333)。
39.本实施例中，所述功率模块3还包括电容c1、电容c2和电感l1，电容c1连接在经所述第一双向防反及电隔离开关4后的第一电源8的正负极之间，电容c2连接在经所述第二双向防反及电隔离开关5后的第二电源9的正负极之间，电感l1一端连接所述电阻r1的一端，电感l1另一端连接所述mos管q1的源极和所述mos管q2的漏极。
40.本实施例中，所述第二电压采集电路34包括电阻r2、电阻r3、电阻r4和电阻r5，电阻r2一端和电阻r3一端相连，且电阻r2另一端和电阻r3的另一端分别连接经所述第一双向防反及电隔离开关4后的第一电源8的正极和负极，电阻r2和电阻r3的相连端连接所述多相双向电流控制器33的第二模拟量采集端332；电阻r4一端和电阻r5一端相连，且电阻r4另一端和电阻r5的另一端分别连接经所述第二双向防反及电隔离开关5后的第二电源9的正极和负极，电阻r4和电阻r5的相连端连接所述多相双向电流控制器33的第三模拟量采集端333。
41.本实施例中，所述多相双向电流控制器33内部自带温度传感器，其温度信号输出端连接所述mcu控制模块1的输入端，当多相双向电流控制器33的内部温度大于125℃或小于-45℃时，整个功率模块3停止工作，并将温度信号发送给mcu模块，从而实现对功率模块3温度的监控。
42.本实施例中，所述第一电源8为48v电池，所述第二电源9为12v电池，但不局限于此。
43.本实施例中，所述mcu控制模块1采用rh850/v850/78k/aurix/pic等系列芯片，其具有多个输出端和三个模拟量采集端，各输出端分别为io端，三个模拟量采集端与所述温度信号输出端、第一电压采集电路2的高压侧电压输出和低压侧电压输出端一一对应。
44.本实施例中，所述第一电压采集电路2的电路结构与所述第二电压采集电路34的电路结构相同，所述第一滤波电路6和第二滤波电路7由电容和电感组成，用于滤除高频开关电路的高频干扰杂波及保护外来高频干扰对本机电源的影响。
45.本实施例中，所述功率模块3的数量根据所需的功率的高低进行选择，所需的功率越高，功率模块3的数量可以相应增加，反之，所需的功率越低，功率模块3的数量可以相应减少。所述功率模块3的数量具体为三个，但不局限于此。每个功率模块3的最大功率为800w，三个功率模块3并联后可以达到2400w的功率。当所需的功率较低时，所述功率模块3的数量可以采用一个即可。
46.本实施例中，其功率模块3采用buck-boost双向拓扑电路结构，mcu控制模块1通过多相双向电流控制器33的en脚使能功率模块3，并通过多相双向电流控制器33的可编程配置端将电路方向，及恒压或恒流模式放送给功率模块3。当电路为buck模式时，电路方向为48v转12v，mos管q1做为开关管，mos管q2做为整流管，反之当电路为boost模式时，电路方向为12v转48v，mos管q1做为整流管，mos管q2做为续流管，从而实现了电路buck(降压)和
boost(升压)双向工作模式；电路通过电阻r2、电阻r3对48v侧电压进行检测，通过电阻r4、电阻r5对12v侧电压进行检测，通过电阻r1对回路电流进行检测，并将检测量反馈至多相双向电流控制器33，多相双向电流控制器33通过对驱动控制电路的驱动调整，从而实现了电路的恒压或恒流模式控制。多相双向电流控制器33内部集成了温度监控，可将温度监控信号发送至mcu控制模块1的的ad口(即模拟量采集端)做采样，并且当内部温度超过设定值时，多相双向电流控制器33将关闭功率回路。
47.本实施例中，如图5所示，所述第一双向防反及电隔离开关4包括mos驱动器u1、二极管d1、二极管d2、电容c3、电容c4、电阻r6、电阻r7和第一mos单元14，第一mos单元14包括一mos组件或至少两并联连接的mos组件，所述mos组件包括两个mos管，该两个mos管的源极连接在一起，并连接mos驱动器u1欠压锁定比较器输入引脚；二极管d1的正极、mos组件的其中一mos管的漏极和电容c3的一端连接在一起，构成v1端，该v1端连接经所述第一滤波电路6滤波后的第一电源8的正极，二极管d1的负极连接mos驱动器u1电源输入引脚，mos组件的其中一mos管的栅极连接mos驱动器u1的过电压保护比较器输入引脚；二极管d2的正极、mos组件的另一mos管的漏极、电容c4的一端连接在一起，构成v2端，该v2端连接所述功率控制电路31(具体v2端连接mos管q1的漏极)，二极管d2的负极连接mos驱动器u1输出电压检测引脚；电阻r6连接在mos驱动器u1的欠压锁定比较器输入引脚和过电压保护比较器输入引脚之间，电阻r7连接在mos驱动器u1的接地引脚和欠压锁定比较器输入引脚之间；电容c3的另一端、电容c4的另一端和mos驱动器u1的接地引脚连接在一起，并连接经所述第一滤波电路6滤波后的第一电源8的负极；mos驱动器u1的使能输入引脚连接所述mcu控制模块1的输出端。
48.本实施例中，如图6所示，所述第二双向防反及电隔离开关5包括mos驱动器u2、二极管d3、二极管d4、电容c5、电容c6、电阻r8、电阻r9和第二mos单元15，第二mos单元15包括一mos组件或至少两并联连接的mos组件，所述mos组件包括两个mos管，该两个mos管的源极连接在一起，并连接mos驱动器u2欠压锁定比较器输入引脚；二极管d3的正极、mos组件的其中一mos管的漏极和电容c5的一端连接在一起，构成v3端，该v3端连接所述电流采集电路32(具体v4端连接电阻r2的另一端)，二极管d3的负极连接mos驱动器u2电源输入引脚，mos组件的其中一mos管的栅极连接mos驱动器u2的过电压保护比较器输入引脚；二极管d4的正极、mos组件的另一mos管的漏极、电容c6的一端连接在一起，构成v4端，该v4端连接经所述第二滤波电路7滤波后的第二电源9的正极，二极管d4的负极连接mos驱动器u2输出电压检测引脚；电阻r8连接在mos驱动器u2的欠压锁定比较器输入引脚和过电压保护比较器输入引脚之间，电阻r9连接在mos驱动器u2的接地引脚和欠压锁定比较器输入引脚之间；电容c5的另一端、电容c6的另一端和mos驱动器u2的接地引脚连接在一起，并连接经所述第二滤波电路7滤波后的第二电源9的负极；mos驱动器u2的使能输入引脚连接所述mcu控制模块1的输出端。
49.本实施例中，所述第一mos单元14、第二mos单元15均采用三组mos组件并联的方式实现，仅为根据主回路电流及匹配mosfet电流值的设计，根据流过主回路电流的大小亦可采用1组、2组或更多组mos组件并联的方式来实现。各mos管的型号为fdws86380，mos驱动器u1和mos驱动器u2分别选用型号为lm5060的高边驱动ic。所述第一双向防反及电隔离开关4的工作原理如下：无论v1端作为输入侧或v2端作为输入侧，当电路接反时，二极管d1和二极
管d2均能起到防反作用，mos驱动器u1不得电无法工作，第一mos单元14无法被驱动，电路无法工作。图5中第一mos单元14的各mos组件采用两个mos管背对背连接方式，即前一级mosfet(mos管q24、mos管q26和mos管q28)的s极和下一级mosfet(mos管q25、mos管q27和mos管q29)的s极串联相连接，这样mosfet的体二极管为反向串联，故v1侧和v2侧的电流均无法通过mosfet的体二极管流入，从而实现了双向防反的功能。当电路接对时，如果v1侧为输入端，则v1端通过二极管d1给mos驱动器u1供电，mos驱动器u1正常工作，反之如果v2侧为输入端，则v2通过二极管d2给mos驱动器u1供电，mos驱动器u1亦能正常工作，mcu控制模块1可通过mos驱动器u1的使能输入引脚使能输入引脚对mos驱动器u1做使能控制，当mos驱动器u1的使能输入引脚为高电平，mos驱动器u1被使能，则图5中的两组mosfet(mos管q24，mos管q26，mos管q28和mos管q25，mos管q27，mos管q29)均导通，电路被接通，当mos驱动器u1的使能输入引脚为低电平时，mos驱动器u1被关断，第一mos单元14关断，负载侧和输入侧断开，故实现了电源侧和内部负载功率电路侧的电隔离作用。
50.图6中第二os单元15的各mos组件采用两个mos管背对背连接方式，即前一级mosfet(mos管q34、mos管q36和mos管q38)的s极和下一级mosfet(mos管q35、mos管q37和mos管q39)的s极串联相连接，这样mosfet的体二极管为反向串联。所述第二双向防反及电隔离开关5的工作原理与第一双向防反及电隔离开关4的工作原理一致，此处不再赘述。
51.本发明通过设置所述第一双向防反及电隔离开关4、第二双向防反及电隔离开关5实现了电路的双向防反功能及负载电路与电源输入端可开关控制的功能。同时，当电路开通时，因mosfet的导通压降几乎为零，功耗相比于整流二极管相差巨大，故应用于大功率电源的输入端保护具有很大的优势。
52.本发明的一种双向dc-dc转换器，其功率模块3采用多相双向电流控制器33为控制核心，使电路设计非常简洁、原理清晰、分立元器件少，可靠性高，且功率单元采用模块化设计，功率配置灵活，直接并联使用，并将电流环路及开关环路做到最小，零电压电流交叉点开关，做到无损耗开关，提高效率，显著减少高频噪声的产生，emi性能好，并可提高电路的开关频率，减小了功率电感的体积，达到更高的功率密度和效率，优化了整体的解决方案。
53.上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种双向dc-dc转换器，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。