基于双向BUCK变换器的双向限流器及双向限流方法

技术领域

本发明属于电子电路设计技术领域，具体涉及一种基于双向BUCK变换器的 双向限流器及双向限流方法。

背景技术

随着电力电子设备的广泛应用，在电能传输过程中，存在大量能量双向流 动的应用场合，例如：太阳能光伏发电系统、电动车能量管理系统、通信用备 用电源系统等。现有技术中，需要独立安装两个限流器，从而实现双向限流的 功能，所以，具有结构复杂和成本高的不足。

随着电力电子设备的广泛应用，在电能传输过程中存在大量能量可能双向 流动的应用场合，本发明公开一种基于双向BUCK的双向限流器，利用电力电子 的技术和控制方式可以有效地限制双向电流，有效地保护系统。该限流器可应 用于但不仅限于带电池和负载的电源系统，可有效地限制电池的充电电流和放 电电流，使系统能保持以限流电流传送能量。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于双向BUCK变换器的双向限 流器及双向限流方法，具有结构简单和成本低的优点。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种包括双向BUCK变换器、电流检测电路和控制电路；所述双 向BUCK变换器包括正向BUCK变换器和负向BUCK变换器；所述正向BUCK变 换器和所述负向BUCK变换器反向串联；所述正向BUCK变换器和所述负向 BUCK变换器共用相同电感L；所述电流检测电路的输入端与所述双向BUCK变 换器的电流输入端连接，所述电流检测电路的输出端与所述控制电路的输入端 连接；所述控制电路的控制输出端口与所述双向BUCK变换器连接。

优选的，所述电流检测电路包括第一电流检测电路和/或第二电流检测电路； 所述控制电路包括第一控制输出端口和第二控制输出端口；所述双向BUCK变 换器包括第一电源端和第二电源端；所述第一电源端正极和所述第二电源端正 极相连接形成正极线路，所述第一电源端负极和所述第二电源端负极相连接形 成负极线路；所述电感L串联在所述正极线路；或所述电感L串联在所述负 极线路；或所述电感L拆分为第一电感L1和第二电感L2，所述第一电感L1 串联在所述正极线路，所述第二电感L2串联在所述负极线路。

优选的，所述正向BUCK变换器由第一电容C1、第一功率管Q1、第一续流 二极管D1和所述电感L组成；所述第一电容C1并联在所述第一电源端的两端； 所述第一功率管Q1和所述第一续流二极管D1串联后并联在所述第一电容C1的 两端；其中，所述第一续流二极管D1的阴极与所述正极线路连接，连接点为P1； 所述第一续流二极管D1的阳极与所述负极线路连接，连接点为P2；

所述负向BUCK变换器由第二电容C2、第二功率管Q2、第二续流二极管 D2和所述电感L组成；所述第二电容C2并联在所述第二电源端的两端；所述 第二功率管Q2和所述第二续流二极管D2串联后并联在所述第二电容C2的两 端；其中，所述第二续流二极管D2的阴极与所述正极线路连接，连接点为P3； 所述第二续流二极管D2的阳极与所述负极线路连接，连接点为P4；

所述电感L串联在线路P1P3上；或者，所述电感L串联在线路P2P4上； 或者所述第一电感L1串联在线路P1P3上，所述第二电感L2串联在线路P2P4 上。

优选的，所述第一功率管Q1和所述第一续流二极管D1串联方式为：所述 第一功率管Q1的阳极和所述第一续流二极管D1的阴极串联。

优选的，所述第一功率管Q1和所述第一续流二极管D1串联方式为：所述 第一功率管Q1的阴极和所述第一续流二极管D1的阳极串联。

优选的，所述第二功率管Q2和所述第二续流二极管D2串联方式为：所述 第二功率管Q2的阳极和所述第二续流二极管D2的阴极串联。

优选的，所述第二功率管Q2和所述第二续流二极管D2串联方式为：所述 第二功率管Q2的阴极和所述第二续流二极管D2的阳极串联。

优选的，所述第一控制输出端口与所述正向BUCK变换器的第一功率管Q1 门极连接，所述第二控制输出端口与所述负向BUCK变换器的第二功率管Q2 门极连接。

本发明还提供一种应用上述基于双向BUCK变换器的双向限流器的双向限 流方法，包括以下步骤：

当电流从所述第一电源端流向所述第二电源端时，所述第一电流检测电路 实时检测所述第一电源端到所述正向BUCK变换器之间供电线路的电流值，并 将检测到的电流值发送给所述控制电路；所述控制电路判断所述电流值是否小 于设定限流点，如果小于，则控制所述第一功率管Q1常通，使所述电流从所述 第一电源端流向所述第二电源端；如果不小于，则以电流为控制对象，所述控 制电路控制所述第一功率管Q1时通时断，得到小于设定限流点的限流电流，然 后使所述限流电流从所述第一电源端流向所述第二电源端；

当电流从所述第二电源端流向所述第一电源端时，所述第二电流检测电路 实时检测所述第二电源端到所述负向BUCK变换器之间供电线路的电流值，并 将检测到的电流值发送给所述控制电路；所述控制电路判断所述电流值是否小 于设定限流点，如果小于，则控制所述第二功率管Q2常通，使所述电流从所述 第二电源端流向所述第一电源端；如果不小于，则以电流为控制对象，所述控 制电路控制所述第二功率管Q2时通时断，得到小于设定限流点的限流电流，然 后使所述限流电流从所述第二电源端流向所述第一电源端。

优选的，所述控制电路控制所述第一功率管Q1时通时断或所述控制电路 控制所述第二功率管Q2时通时断，具体控制方法为：PWM控制方式或PFM控 制方式。

本发明的有益效果如下：

本发明提供一种基于双向BUCK变换器的双向限流器及双向限流方法，通过 电流检测器和控制电路结合控制双向电流值，使双向电流值在不超过设定限流 点的情况下流动，具有结构简单和成本低的优点。

附图说明

图1为本发明提供的双向Buck变换器的第一种电路原理图；

图2为本发明提供的双向Buck变换器的第二种电路原理图；

图3为本发明提供的双向Buck变换器的第三种电路原理图；

图4为本发明提供的双向Buck变换器的第四种电路原理图；

图5为本发明提供的双向Buck变换器的第五种电路原理图；

图6为本发明提供的双向Buck变换器的第六种电路原理图；

图7为本发明提供的双向Buck变换器的第七种电路原理图；

图8为本发明提供的双向Buck变换器的第八种电路原理图；

图9为本发明提供的双向Buck变换器的第九种电路原理图；

图10为本发明提供的双向限流器的一种具体电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

(一)双向Buck变换器

由于本发明提供的双向限流器是基于双向Buck变换器的，所以，首先介绍 双向Buck变换器的电路原理：

本发明提供一种双向BUCK变换器，包括正向BUCK变换器和负向BUCK 变换器；正向BUCK变换器和负向BUCK变换器反向串联；并且，正向BUCK 变换器和负向BUCK变换器共用相同电感L。

具体的，双向BUCK变换器包括第一电源端和第二电源端；第一电源端正 极和第二电源端正极相连接形成正极线路，第一电源端负极和第二电源端负极 相连接形成负极线路；电感L可以有以下三种连接方式：(1)电感L串联在正 极线路；(2)电感L串联在负极线路；(3)电感L拆分为第一电感L1和第二电 感L2，第一电感L1串联在正极线路，第二电感L2串联在负极线路。如图2所 示，即为在正级线路和负极线路分别串联电感的电路图。

以下对正向BUCK变换器和负向BUCK变换器分别详细介绍：

(1)正向BUCK变换器

正向BUCK变换器由第一电容C1、第一功率管Q1、第一续流二极管D1 和电感L组成；第一电容C1并联在第一电源端的两端；第一功率管Q1和第一 续流二极管D1串联后并联在第一电容C1的两端；其中，第一续流二极管D1 的阴极与正极线路连接，连接点为P1；第一续流二极管D1的阳极与负极线路 连接，连接点为P2；其中，第一功率管Q1和第一续流二极管D1串联方式包括 以下两种：(1)串联A方式---第一功率管Q1的阳极和第一续流二极管D1的阴 极串联。(2)串联B方式---第一功率管Q1的阴极和第一续流二极管D1的阳极 串联。

(2)负向BUCK变换器

负向BUCK变换器由第二电容C2、第二功率管Q2、第二续流二极管D2 和电感L组成；第二电容C2并联在第二电源端的两端；第二功率管Q2和第二 续流二极管D2串联后并联在第二电容C2的两端；其中，第二续流二极管D2 的阴极与正极线路连接，连接点为P3；第二续流二极管D2的阳极与负极线路 连接，连接点为P4；其中，第二功率管Q2和第二续流二极管D2串联方式包括 以下两种：(1)串联C方式---第二功率管Q2的阳极和第二续流二极管D2的阴 极串联。(2)串联D方式---第二功率管Q2的阴极和第二续流二极管D2的阳极 串联。

电感L的三种连接形式为：(1)连接A形式---电感L可以串联在线路P1P3 上；(2)连接B形式---电感L串联在线路P2P4上；(3)连接C形式--将电感L 拆分为第一电感L1和第二电感L2，其中，第一电感L1串联在线路P1P3上， 第二电感L2串联在线路P2P4上。

本发明中，第一功率管Q1和第一续流二极管D1的两种串联方式：串联A 方式、串联B方式；第二功率管Q2和第二续流二极管D2的两种串联方式串联 C方式、串联D方式；以及，电感L的三种连接形式：连接A形式、连接B形 式和连接C形式；上式各种方式可以任意组合，例如：图1为：串联A方式+ 连接A形式+串联C方式；图2为：串联A方式+连接C形式+串联C方式；图 3为：串联B方式+连接B形式+串联D方式；图4为：串联B方式+连接A形 式+串联D方式；图5为：串联A方式+连接B形式+串联C方式；图6为：串 联A方式+连接A形式+串联D方式；图7为：串联A方式+连接B形式+串联 D方式；图8为：串联B方式+连接B形式+串联C方式；图9为：串联B方式 +连接A形式+串联C方式。

本发明提供的双向Buck变换器，可用于同时控制正端电压、负端电压，正 向电流和负向电流，有效地对系统进行电压和电流保护，而且，将正向BUCK 变换器和负向BUCK变换器合并，并且，正向BUCK变换器和负向BUCK变换 器共用同一个电感，因此，具有结构简单和成本低的优点。

(二)双向限流器

基于上述双向Buck变换器，本发明提供一种双向限流器，包括双向BUCK 变换器、电流检测电路和控制电路；所述双向BUCK变换器包括正向BUCK变 换器和负向BUCK变换器；所述正向BUCK变换器和所述负向BUCK变换器反 向串联；所述正向BUCK变换器和所述负向BUCK变换器共用相同电感L；所 述电流检测电路的输入端与所述双向BUCK变换器的电流输入端连接，所述电 流检测电路的输出端与所述控制电路的输入端连接；所述控制电路的控制输出 端口与所述双向BUCK变换器连接。

需要说明的是，本发明中，电流检测电路可以设置1个或2个或其他数量， 图10示出的双向限流器中，以设置2个电流检测电路为例进行介绍，从而分别 限制从左向右流向的电流，以及，从右向左流向的电流。但本领域普通技术人 员可以理解，也可以只设置1个电流检测电路，例如，只设置电流检测电路1， 限制从左向右流向的电流；或者，只设置电流检测电路2，限制从右向左流向的 电流。本发明对设置的电流检测电路的数量并不限制，可以根据实际需要灵活 设置。

具体的，电流检测电路包括第一电流检测电路和/或第二电流检测电路；所 述控制电路包括第一控制输出端口和第二控制输出端口；所述第一控制输出端 口与所述正向BUCK变换器的第一功率管Q1门极连接，所述第二控制输出端 口与所述负向BUCK变换器的第二功率管Q2门极连接。本发明中，控制器可 以为单片机、DSP控制器或CPU控制器等。

应用上述双向限流器，本发明还提供一种双向限流方法，包括以下步骤：

当电流从所述第一电源端流向所述第二电源端时，所述第一电流检测电路 实时检测所述第一电源端到所述正向BUCK变换器之间供电线路的电流值，并 将检测到的电流值发送给所述控制电路；所述控制电路判断所述电流值是否小 于设定限流点，如果小于，则控制所述第一功率管Q1常通，使所述电流从所述 第一电源端流向所述第二电源端；如果不小于，则以电流为控制对象，所述控 制电路控制所述第一功率管Q1时通时断，得到小于设定限流点的限流电流，然 后使所述限流电流从所述第一电源端流向所述第二电源端；

当电流从所述第二电源端流向所述第一电源端时，所述第二电流检测电路 实时检测所述第二电源端到所述负向BUCK变换器之间供电线路的电流值，并 将检测到的电流值发送给所述控制电路；所述控制电路判断所述电流值是否小 于设定限流点，如果小于，则控制所述第二功率管Q2常通，使所述电流从所述 第二电源端流向所述第一电源端；如果不小于，则以电流为控制对象，所述控 制电路控制所述第二功率管Q2时通时断，得到小于设定限流点的限流电流，然 后使所述限流电流从所述第二电源端流向所述第一电源端。其中，控制电路控 制所述第一功率管Q1时通时断或所述控制电路控制所述第二功率管Q2时通 时断，具体控制方法为：PWM控制方式或PFM控制方式。

本发明提供一种基于双向BUCK变换器的双向限流器及双向限流方法，通过 电流检测器和控制电路结合控制双向电流值，使双向电流值在不超过设定限流 点的情况下流动，具有结构简单和成本低的优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。