全桥谐振直流/直流变换器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种全桥谐振直流/直流变换器及其控制方法，通过控制开关频率和开关相位差来调整输出电压，使得谐振变换器的输出电压范围得以大幅度扩展，并且引入负反馈可以实现闭环控制，达到稳定输出电压或输出电流的目的。使得本方案在电源工作频率较低时单独采用调频控制，电源工作频率变高时采用调频配合移相两种控制方式，在电源工作频率达到设定上限时单独采用移相控制方式持续达到调节谐振直流/直流变换器输出的目的。本发明专利技术解决了谐振变换器的难点问题，即通过在全桥谐振直流/直流变换器中引入移相控制方式，极大地增加了谐振电路的输出电压调节能力，有效地扩展了电压输出范围。

【技术实现步骤摘要】
全桥谐振直流/直流变换器及其控制方法
本专利技术设计直流电源变换技术，尤其涉及一种全桥谐振直流/直流变换器，以及该直流/直流变换器的控制方法。
技术介绍
高效率、高频化和小型化是当今开关电源的主要发展趋势，而传统的BUCK形式变换器由于开关损耗过大，无法应用于高开关频率的场合。而谐振变换器可以很容易实现软开关，大大减小了电路中开关元件的开关损耗，成为目前较为流行的开关电源拓扑形式。以现有的LLC串联谐振变换器为例，由于谐振元件工作在正弦谐振状态，开关管上的电压可以自然过零从而实现零电压开通，以及很容易实现副边整流管的零电流关断，从而减小了开关管的开通损耗，提高了电源的整体效率。这类拓扑通常采用变频调制（PFM）方式，通过调整开关管的工作频率达到稳定输出电压的目的。变换器的控制原理是通过对全桥每个桥臂的上下管互补导通，每个开关管的占空比接近50%，并对Q1和Q4以及Q2和Q3同时导通和关断，再加在谐振网络上的电压为+Vin～-Vin变动的方波，占空比为50%，电压有效值接近Vin。如果仅采用频率调制的方式调整输出电压，则电源输出电压增益与开关频率的关系为：其中，Vin和Vout分别为输入电压和输出电压，n为变压器变比，Lr为谐振电感值，Cr为谐振电容值，Lm为激磁电感值，为工作频率，为谐振频率，，Rg为输出负载。从上式可以看出，在输入电压和其它电路参数选定的情况下，LLC串联谐振的输出电压随工作频率的提高而降低，其控制频率与输出电压增益的关系如图1所示，LLC串联谐振变换器的升压能力是有限的，在一定范围内随着工作频率的降低输出电压升高。超过这个范围，反而随着工作频率降低输出电压降低，这不符合电路负反馈的单调性要求而在实际工作中不能使用。同时，LLC串联谐振的降压能力也是有限的，虽然理论上随着工作频率的提高输出电压可以持续下降，但考虑实际电路器件高频损耗的影响，电路工作频率不可能很高（一般最高到谐振频率的2倍左右）。因此，在一定的工作频率范围内，LLC串联谐振电路的输出电压不可能降到很低，特别是负载较轻的情况下。综上所述，LLC谐振变换器虽然具有容易实现软开关从而提高电路效率的优势，但其一个非常明显的弱势是在仅采用频率调制的控制方式时输出电压范围很窄，不能应用在需要宽范围输出的场合。上面以全桥LLC串联谐振电路为例说明了仅采用频率调制方式所带来的输出电压调整范围较窄的缺点，理论上其它所有形式的谐振电路都存在同样的问题。目前常用的解决上述问题的方法有两种：最常用的一种方式是在低压输出且电路的工作频率已经达到设定的上限时，使电路工作在间歇工作模式。这虽然在一定程度上扩展了谐振变换器输出电压调节范围，但间歇工作相当于大大降低了电路的整体工作频率，电路的输出电压和电流纹波都会比较大，在对此性能要求高的场合很难适用；另一种方式是在低压轻载输出且电路的工作频率已经很高时，采用脉宽调制（PWM）的方式降低开关工作的占空比。这种方法牺牲了谐振电路软开关的优势，实际在这种工作模式下电路工作在硬开关状态，开关损耗较大。因此，这种工作模式只适合于负载较轻的场合，在负载较大情况下并不能大范围拓宽输出电压的调节范围。
技术实现思路
本专利技术的第一目的是提供一种可利用频率控制和相位控制实现拓宽输出电压的调节范围的全桥谐振直流/直流变换器。本专利技术的第二目的是提供一种可利用频率控制和相位控制实现拓宽输出电压的调节范围的全桥谐振直流/直流变换器的控制方法。为了实现本专利技术的第一目的，本专利技术提供一种全桥谐振直流/直流变换器，包括输出电路、调节控制器、相位运算电路、频率运算电路、脉冲发生电路、移相电路和驱动电路，输出电路包括依次相连的全桥电路、谐振电路和整流滤波电路，整流滤波电路向外输出工作电流，调节控制器接收预设信号和反馈信号，调节控制器根据预设信号和反馈信号运算得出控制信号，反馈信号为采样工作电流所得，相位运算电路接收调节控制器输出的控制信号，频率运算电路接收调节控制器输出的控制信号，脉冲发生电路接收频率运算电路输出的频率信号，移相电路接收脉冲发生电路输出的基准脉冲信号，移相电路接收相位运算电路输出的相位信号，驱动电路接收脉冲发生电路输出的基准脉冲信号，驱动电路根据基准脉冲信号对全桥电路的超前臂进行驱动，驱动电路接收移相电路输出的移相脉冲信号，驱动电路根据移相脉冲信号对全桥电路的滞后臂进行驱动。更进一步的方案是，全桥电路的超前臂由第一开关管和第二开关管构成，第一开关管的漏极与第二开关管的源极连接；全桥电路的滞后臂由第三开关管和第四开关管构成，第三开关管的漏极与第四开关管的源极连接；第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管的栅极分别与驱动电路连接。更进一步的方案是，整流滤波电路可采用整流电路和滤波电路，整流电路可采用全波整流电路或半波整流电路。更进一步的方案是，谐振电路包括第一电感、第一电容、第二电感和绕组，第二电感并联在绕组的输入端上，第一电容的第一端与绕组的正极输入端连接，第一电容的第二端与第一电感连接。为了实现本专利技术的第二目的，本专利技术提供一种全桥谐振直流/直流变换器的控制方法，变换器为上述中任一方案中的变换器；控制方法包括：判断预设信号和反馈信号的大小关系；如反馈信号大于预设信号，则输出变小的控制信号,相位运算电路可根据变小的控制信号输出移相角变小的相位信号,频率运算电路可根据变小的控制信号输出频率变大的基准频率信号；如反馈信号小于预设信号，则输出变大的控制信号，相位运算电路可根据变大的控制信号输出移相角变大的相位信号,频率运算电路可根据变大的控制信号输出频率变小的基准频率信号；输出电路根据变小的控制信号输出电压变小的工作电流，输出电路根据变大的控制信号输出电压变大的工作电流。更进一步的方案是，预设有第一阈值和第二阈值，第一阈值小于第二阈值；在输出变化后的控制信号之后，控制方法还包括：当控制信号小于第一阈值，则相位运算电路输出移相角变大的相位信号；当控制信号大于等于第一阈值且小于等于第二阈值，则相位运算电路输出移相角变大的相位信号，频率运算电路输出频率变小的基准频率信号；当控制信号大于第二阈值，则频率运算电路输出频率变小的基准频率信号。由上述方案可见，通过上述的变换器和变换器的控制方法，使得两个桥臂的驱动脉冲不再是传统全桥谐振变换器中Q1与Q3相位固定相差180度，而是由相位控制单元控制其相位差在180～0度之间变化，除了采用传统全桥谐振变换器通过改变全桥开关管的开关频率来调整输出电压外，还通过改变上述全桥两个桥臂的开关相位差，使得谐振变换器的输出电压范围得以大幅度扩展。以及利用反馈信号和预设信号的比较，使得对应电压的控制更为方便且相应快。以及采用移相控制的方式调节输出电压，全桥谐振变换电路的每个桥臂上下两个开关管仍然保留了互补导通的特性，从而两个桥臂都可以很容易地实现零电压开通，在拓展输出电压范围的同时保留了电路软开关的优势。一般来说，谐振变换器从输入端功率开关管的电路形式来划分，基本可以分为半桥电路形式和全桥电路形式。通常情况下半桥电路适用于中大功率应用场合，半桥电路适用于小功率应用场合。本专利技术所提供的谐振直流/直流变换器的控制方法，仅适用于输入端是全桥电路形式的谐振电路。理论上，任何使用半桥电路的谐振变换器，都可以很容易本文档来自技高网...

【技术保护点】
全桥谐振直流/直流变换器，其特征在于，包括输出电路，所述输出电路包括依次相连的全桥电路、谐振电路和整流滤波电路，所述整流滤波电路向外输出工作电流；调节控制器，所述调节控制器接收预设信号和反馈信号，所述调节控制器根据预设信号和反馈信号运算得出控制信号，所述反馈信号为采样所述工作电流所得；相位运算电路，所述相位运算电路接收所述调节控制器输出的所述控制信号；频率运算电路，所述频率运算电路接收所述调节控制器输出的所述控制信号；脉冲发生电路，所述脉冲发生电路接收所述频率运算电路输出的频率信号；移相电路，所述移相电路接收所述脉冲发生电路输出的基准脉冲信号，所述移相电路接收所述相位运算电路输出的相位信号；驱动电路，所述驱动电路接收所述脉冲发生电路输出的所述基准脉冲信号，所述驱动电路根据所述基准脉冲信号对所述全桥电路的超前臂进行驱动，所述驱动电路接收所述移相电路输出的移相脉冲信号，所述驱动电路根据所述移相脉冲信号对所述全桥电路的滞后臂进行驱动。

【技术特征摘要】
1.全桥谐振直流/直流变换器，其特征在于，包括输出电路，所述输出电路包括依次相连的全桥电路、谐振电路和整流滤波电路，所述整流滤波电路向外输出工作电流；调节控制器，所述调节控制器接收预设信号和反馈信号，所述调节控制器根据预设信号和反馈信号运算得出控制信号，所述反馈信号为采样所述工作电流所得；相位运算电路，所述相位运算电路接收所述调节控制器输出的所述控制信号；频率运算电路，所述频率运算电路接收所述调节控制器输出的所述控制信号；脉冲发生电路，所述脉冲发生电路接收所述频率运算电路输出的频率信号；移相电路，所述移相电路接收所述脉冲发生电路输出的基准脉冲信号，所述移相电路接收所述相位运算电路输出的相位信号；驱动电路，所述驱动电路接收所述脉冲发生电路输出的所述基准脉冲信号，所述驱动电路根据所述基准脉冲信号对所述全桥电路的超前臂进行驱动，所述驱动电路接收所述移相电路输出的移相脉冲信号，所述驱动电路根据所述移相脉冲信号对所述全桥电路的滞后臂进行驱动。2.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于：所述全桥电路的所述超前臂由第一开关管和第二开关管构成，所述第一开关管的漏极与所述第二开关管的源极连接；所述全桥电路的所述滞后臂由第三开关管和第四开关管构成，所述第三开关管的漏极与所述第四开关管的源极连接；所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管的栅极分别与所述驱动电路连接。3.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于：所述整流滤波电路可采用整流电路和滤波电路，所述整流电路可采用全波整流电路或半波整流电路。4.根据权利要求1至3任一项所述的变换器，其特征在于：所述谐振电路包括第一电感、第一电容、第二电感和绕组，所述第二电感并联在所述绕组的输入端上，所述第一电容的第一端与所述绕组的正极输入端连接，所述第一电容的第二端与所述第一电感连接。5.全桥谐振直流/直流变换器的控制方法，其特征在于，所述变换器为上述权利要求1至4任一项所述的变换器；所述控制方法包括：判断预设信号和反馈信号的大小关系；如所述反馈信号大于所述预设信号，则输出变小的控制信号,所述相位运算电路可根据变小的控制信号输出移相角变小的相位信号,所述频率运算电路可根据变小的控制信号输出频率变大的基准频率信号；如所述反馈信号小于所述预设信号，则输出变大的控制信号，所述相位运算电路可根据变大的控制信号输出移相角变大的相位信号,所述频率运算电路可根据变大的控制信号输出频率变小的基准频率信号；所述输出电路根据变小的控制信号输出电压变小的工作电流，所述输出电路根据变大的控制信号输出电压变大的工作...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜桂宾，李红雨，关平，杨政，
申请(专利权)人：珠海英搏尔电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44