宽输出电压范围的隔离式DC/DC转换器及其控制方法技术

本案公开一种隔离式多级DC/DC谐振转换器，相较现有技术的输出电压范围和装置开关频率范围，本案在窄装置开关频率范围的条件下具有宽范围的输出电压。控制电路根据输出电压、输出电流、输入信号及一个或多个外部控制信号的至少其中之一，在任何给定时间，选择三个调变方式中的一个以操作谐振转换器的初级侧开关装置。三种调变方式与其选定的装置开关频率产生不同的电压波形至与次级侧变压器相耦合的初级侧变压器，借此提供不同的输出电压。借此提供不同的输出电压。借此提供不同的输出电压。

【技术实现步骤摘要】
Range Battery Charging Applications”的文献，其作者为F.Musavi et al.，发行于IEEE Transactions on Power Electronics,vol.28,no.12,pp.5437
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5445，发行日期为公元2013年12月；
[0008](c)标题为“A Design Procedure for Optimizing the LLC Resonant Converter as a Wide Output Range Voltage Source”的文献，其作者为R.Beiranvand et al.，发行于the IEEE Transactions on Power Electronics,vol.27,no.8,pp.3749
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3763，发行日期为公元2012年8月；以及
[0009](d)标题为“Optimal Design Methodology for LLC Resonant Converter in Battery Charging Applications Based on Time
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Weighted Average Efficiency”的文献，其作者为Z.Fang et al.，发行于the IEEE Transactions on Power Electronics,vol.30,no.10,pp.5469
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5483，发行日期为公元2015年10月。
[0010]然而，上述各文献所载的技术仅能在传统EV充电应用中优化转换电路以实现有限的输出电压范围(例如在200伏特和500伏特之间)。
[0011]为了达到以良好的转换效率实现更宽的输出电压范围，现有技术已提出对于传统LLC谐振转换器的电路结构和控制方法的修改方式。以标题为“Multimode Optimization of the Phase
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Shifted LLC Series Resonant Converter”的文献为例，其作者为U.Mumtahina及P.J.Wolfs，发行于IEEE Transactions on Power Electronics,vol.33,no.12,pp.10478
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10489，发行时间为公元2018年12月，其公开了一种结合传统的频率控制和相移控制方法以实现较宽的输出电压范围的LLC谐振转换器。图2A为该文献中处于闭环电压控制下的全桥LLC谐振转换器的电路结构图，图2B为图2A的谐振转换器的开关控制信号和初级侧全桥输出电压V
AB
在相移控制下的时序图。该文献描述了可在两个初级侧开关桥臂的两对栅极信号之间提供相移。通过同时使用相移控制和开关频率控制，LLC谐振转换器可在降压操作中以较低的开关频率工作。
[0012]美国专利US9,263,960B2，其作者为M.Jovanovic及B.Irving，专利技术名称为“Power Converters for Wide Input or Output Voltage Range and Control Methods Thereof”公告于公元2016年2月16日。该专利公开一种用于在全桥或半桥拓扑下工作的全桥LLC电路的拓扑变换控制方法。图3A为该专利技术中处于拓扑变换控制下的全桥LLC谐振转换器的电路结构图，图3B为图3A所示的谐振转换器的开关控制信号在全桥到半桥的拓扑变换过渡区间的时序图。在该专利中，电路拓扑适应于控制信号，而控制信号则反向响应输入或输出操作条件。
[0013]美国专利US 2015/0229225A1，其作者为Y.Jang and M.Jovanovic，专利技术名称为“Resonant Converter and Control Methods Thereof”，申请日期为公元2015年8月13日。该专利公开了一种用于串联谐振变换器(series resonant converter，SRC)的控制方法，该控制方法结合了变频控制方法与延迟时间控制方法。图4为该专利技术中的串联谐振变换器的电路结构图。在该专利技术中，变频控制方法被应用于初级侧开关，而延迟时间控制方法被应用于次级侧开关。据此，该专利可提升输出电压，从而在更窄的开关频率范围的控制下实现更宽的输出电压范围。
[0014]为使传统LLC谐振转换器达到较宽的输出电压范围，现有技术还提出了许多拓扑结构和控制方法的变化例。然而，这些变化例都具有其缺点，例如难以具体实现、元件数量
增加或不欲的动态变化。另外，这些变化例仍无法实现足够宽的输出电压范围，例如需要200伏特至1000伏特的输出电压范围的EV快速充电器。
[0015]实现宽输出电压范围的过程中，其中一难点为LLC谐振转换器的输入电压必须足够高，以避免产生非所欲的高DC增益。由于初级侧上的每个开关装置皆需可阻断全部的输入电压(例如图1A中所示的LLC谐振转换器)，故需因应较高的输入电压而采用高压元件，进而使成本增加。
[0016]为了实现较宽的输出电压范围，LLC谐振转换器的输入电压必须足够高，以避免产生非所欲的高DC增益。因此，一种三级拓扑结构已被公开公开，该三级拓扑结构中的每个开关装置仅阻断一半的输入电压，因此比图1A中的全桥拓扑结构更具有吸引力。例如标题为“The three
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level ZVS PWM converter
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a new concept in high voltage DC
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to
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DC conversion”的文献所公开的三级拓扑结构，其作者为J.R.Pinheiro及I.Barbi，发行于the Proceedings of the 1992International Conference on Industrial Electronics,Control,Instrumentation,and Automation,San Diego,CA,USA,1992,pp.173
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178vol.1.。LLC转换器的三级拓扑结构则公开于标题为“Three
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level LLC series resonant DC/DC converter”的文献，其作者为Y.Gu,et al.，发行于IEEE Transactions on Power Electronics,vol.20,no.4,pp.781
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789，发行时间为公元2005年7月。该文献中的LLC转换器无需额外的辅助电路即可实现开关的零电压开关(ZVS)。
[0017]三级半桥式的拓扑(three
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level serial half bridge(SHB)topology)(亦称作堆叠式降压拓扑)已被公开公开于标题为“DC
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DC converter：four switches Vpk＝Vin本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种功率转换器，自一电压源接收一输入信号并提供一输出电压或一输出电流至至少一负载，该功率转换器包含：一初级侧电路，包含：串联连接的一第一对开关装置及一第二对开关装置，其中每一该开关装置是被对应的一开关控制信号所控制，在串联连接的该第一对开关装置和该第二对开关装置上提供该输入信号；一LC谐振电路，电连接于该第一对开关装置的一第一电性节点与该第二对开关装置的一第二电性节点之间；以及一隔离式变压器，具有一第一绕组及一第二绕组，其中该第一绕组是连接于该LC谐振电路的一第三电性节点及一第四电性节点之间；一次级侧电路，并联连接于该隔离式变压器的该第二绕组，其中该次级侧绕组包含一滤波电容，该滤波电容适于提供该输出电压或该输出电流至该至少一负载；以及一控制电路，其中根据该输出电压、该输出电流、该输入信号及至少一外部控制信号的至少其中之一，该控制电路于任何特定时间选择两个或多个中的其中一个调变方式，并根据选定的该调变方式提供该开关控制信号以控制该初级侧电路的该些开关装置的运行，其中，该控制电路根据该输出电压或该输出电流操作该些开关装置，该控制电路是架构于在一第一调变方式和一第二调变方式下工作，其中在该第一调变方式下，该些开关装置被操作以产生包括三个不同电压电平的该输出电压，其中在该第二调变方式下，该些开关装置被操作以产生包括两个不同电压电平的该输出电压。2.如权利要求1所述的功率转换器，其中，该多个调变方式中的一调变方式是以一对称调变方式进行操作，该第一对开关装置及该第二对开关装置均具有一第一开关装置及一第二开关装置，于该对称调变方式中，该第一对开关装置中的该第一开关装置及该第二开关装置的控制信号是为互补，该第二对开关装置中的该第一开关装置及该第二开关装置的控制信号是为互补，其中该第一对开关装置的该第一开关装置及该第二对开关装置的该第二开关装置的开关控制信号是为同相信号且具有50％的占空比。3.如权利要求1所述的功率转换器，其中，该多个调变方式中的一调变方式是以一非对称调变方式进行操作，该第一对开关装置及该第二对开关装置均具有一第一开关装置及一第二开关装置，于该非对称调变方式中，该第一对开关装置中的该第一开关装置及该第二开关装置的控制信号是为互补，该第二对开关装置中的该第一开关装置及该第二开关装置的控制信号是为互补，其中该第一对开关装置的该第一开关装置及该第二对开关装置的该第二开关装置的开关控制信号是在一相同开关频率下以25％的占空比进行工作，且彼此相位是差180度。4.如权利要求1所述的功率转换器，还包括一第一输入电容及一第二输入电容，其中，该第一对开关装置具有一第一开关装置及一第二开关装置，该第二对开关装置具有一第三开关装置及一第四开关装置，该第一输入电容是连接于该第一开关装置及该第二开关装置的两端，该第二输入电容是连接于该第三开关装置及该第四开关装置的两端，其中，当该第一输入电容的电压大于该第二输入电容的电压时，该控制电路延迟该第一开关装置及该第二开关装置的开关控制信号一第一时间，且提前该第三开关装置及该第四开关装置的开关控制信号该第一时间；当该第二输入电容的电压大于该第一输入电容的电压时，该控制电
路提前该第一开关装置及该第二开关装置的开关控制信号一第二时间，且延迟该第三开关装置和该第四开关装置的开关控制信号该第二时间。5.如权利要求1所述的功率转换器，其中，该控制电路利用频移、相移、占空比移位中的一个或多个组合使该控制电路转换该调变方式。6.如权利要求1所述的功率转换器，其中，该第一对开关装置具有一第一开关装置及一第二开关装置，该第二对开关装置具有一第三开关装置及一第四开关装置，其中：(1)当该第一开关装置和该第四开关装置均不导通时，该第一电性节点和该第二电性节点上的电压为一第一电压准位；(2)当该第一开关装置和该第四开关装置中的一个处于导通状态时，该第一电性节点和该第二电性节点两端的电压变为一第二电压准位；以及(3)当该第一开关装置及该第四开关装置都导通时，该第一电性节点和该第二电性节点两端的电压达到一第三电压准位，其中该第一电压准位为接地，该第二电压准位实质上为该输入信号的一半，该第三电压准位实质上为该输入信号。7.如权利要求1所述的功率转换器，其中，该第一对开关装置具有一第一开关装置及一第二开关装置，该第二对开关装置具有一第三开关装置及一第四开关装置，该第一开关装置、该第二开关装置、该第三开关装置与该第四开关装置分别由一第一开关控制信号、一第二开关控制信号、一第三开关控制信号与一第四开关控制信号控制，其中，于一第一调变方式中：(1)该第一开关装置的该第一开关控制信号和该第二开关装置的该第二开关控制信号彼此互补，且该第三开关装置的该第三开关控制信号和该第四开关装置的该第四开关控制信号彼此互补；(2)该第一开关装置的该第一开关控制信号、该第二开关装置的该第二开关控制信号、该第三开关装置的该第三开关控制信号和该第四开关装置的该第四开关控制信号是具有相同的一开关周期；(3)在该开关周期内该每一开关装置的该开关控制信号具有两个上升缘和两个下降缘，且该第一开关装置的该第一开关控制信号的该第一上升缘是落后于该第四开关装置的该第四开关控制信号的该第一上升缘一第一预定时间，而该第一开关装置的该第一开关控制信号的该第二上升缘是领先该第四开关装置的该第四开关控制信号的该第二上升缘一第二预定时间，或者该第一开关装置的该第一开关控制信号的该第一上升缘是领先于该第四开关装置的该第四开关控制信号的该第一上升缘一第一预定时间，而该第一开关装置的该第一开关控制信号的该第二上升缘是落后该第四开关装置的该第四开关控制信号的该第二上升缘一第二预定时间；以及(4)该控制电路可改变该开关周期、该第一预定时间和该第二预定时间。8.如权利要求7所述的功率转换器，其中，该控制电路依据不同于该第一调变方式的一第二调变方式产生该第一开关装置的该第一开关控制信号、该第二开关装置的该第二开关控制信号、该第三开关装置的该第三开关控制信号和该第四开关装置的该第四开关控制信号，该第二调变方式作为对称调变方式进行操作，该第一调变方式和该第二调变方式中的其中一个包括变频调变，该第一调变方式和该第二调变方式中的其中一个包括固定频率调变控制，该控制电路通过在一第一时间区间内在该第一调变方式操作该功率转换器并在一第二时间区间内在该第二调变方式下操作该功率转换器来改变该功率转换器的增益。9.如权利要求1所述的功率...

【专利技术属性】
技术研发人员：张弛，包彼得，
申请(专利权)人：台达电子工业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：