DC-DC谐振转换器及其控制方法技术

本公开提供一种DC

【技术实现步骤摘要】
DC
‑
DC谐振转换器及其控制方法


[0001]本公开是关于一种DC
‑
DC谐振转换器及其控制方法，尤指一种采用开关频率控制及电压平衡策略的迭桥谐振转换器。

技术介绍

[0002]谐振转换器可采用谐振腔电路对开关电压及/或开关电流的波形进行塑形，以最小化开关损耗且可进行高频运行。由于其具有效率高、通过集成磁性元件实现的简单结构、可于初级开关和次级开关上进行软开关切换及适用于宽电压范围的应用等等优点，故已作为隔离式DC/DC转换器而被广泛使用。
[0003]举例而言，于2002年2月5日公告、专利技术名称为“LLC Series Resonant DC
‑
DC Converter”且专利号为6344979的美国专利揭露了一种LLC谐振转换器及其基本运行原理。图1A及图1B分别示出了在闭环电压控制下的传统全桥LLC谐振转换器及其开关S1至S4的控制信号和初级侧全桥输出电压V
AB
的时序。可通过控制所述初级侧开关的开关频率来调节输出电压V
AB
。当LLC谐振转换器运行于谐振频率f
r
且直流电压增益M等于变压器的匝数比N
P
/N
S
可达到最高效率，其中谐振频率f
r
由谐振电感L
r
和谐振电容C
r
所决定。当开关频率f
sw
大于谐振频率f
r
时，直流电压增益M减小。反之，当开关频率f/>sw
小于谐振频率f
r
时，增益M增大。然而，若开关频率f
sw
朝远离谐振频率f
r
的方向变化，则效率总是下降。为了实现所需的输出电压范围，LLC谐振转换器应运行于其对应的频率范围内。
[0004]如图1A及图1B所示，谐振腔包含串联连接的电感L
r
和电容C
r
，图中的电路可视作串联谐振转换器。若变压器TR的励磁电感L
m
相对较小(即仅为谐振电感L
r
的数倍)，则转换器可以作为LLC串联谐振转换器运行。需注意的是，副边二极管整流器(包含二极管D1、D2、D3及D4)可采用同步整流器(例如采用低导通电阻MOSFET)以提升效率。此外，变压器两侧的可控开关皆允许功率双向流动，故转换器可进行双向运行。另应注意的是，隔离式谐振转换器的次级侧可采用中心抽头次级侧绕组，而非采用图1A所示的全波整流器。
[0005]一般而言，通过可变开关频率控制来对谐振转换器进行控制。在高于谐振频率的运行期间，谐振转换器的初级侧开关实现零电压切换(zero
‑
voltage switching，ZVS)，而在低于谐振频率的运行期间，谐振转换器实现零电流切换(zero
‑
current switching，ZCS)。有关谐振转换器拓扑及其控制方式的更多细节请参阅参考文献[1]。
[0006]图1B示出了图1A中以零电压切换运行的串联谐振转换器的开关控制信号的典型时序。如图1B所示，所有开关S1、S2、S3及S4皆以50％的相同占空比运行。同一桥臂中的初级侧开关(即桥臂A中的开关S1和S2以及桥臂B中的开关S3和S4)以互补方式运行以避免交越传导。初级侧开关的频率由用于调节输出的反馈控制回路所决定。为了在实际运行中实现零电压切换，是于互补运行且处于同一桥臂的开关的的关断和导通时刻之间引入一小段延迟(或称作死区时间)，以将初级侧开关的占空比设定为略小于50％的值。在此死区时间内，电流自处于关断状态的开关器件转为流向换向另一器件的反平行二极管，此可为随后的零电压切换创造条件。
[0007]当采用1.2kV的器件时，全桥结构通常用于小于800V直流输入电压的应用中。在高输入电压应用中，参考文献[2]中的三电平拓扑更具有吸引力，这是因为其中每个开关器件仅需阻断一半的输入电压。三电平拓扑被应用于参考文献[3]中的LLC转换器，其所提出的转换器无需额外的辅助电路即可实现开关的零电压切换。在参考文献[4]中，首次提出了三电平串接半桥(serial half bridge，SHB)拓扑(也被称作堆叠式降压拓扑)，其相较于参考文献[2]中的传统三电平拓扑移除了两个钳位二极管。
[0008]图2A及图2B分别示出一示例性串接半桥谐振转换器及其开关S1至S4的控制信号和初级侧全桥输出电压V
AB
的时序。串接半桥谐振转换器亦可通过可变开关频率控制进行控制。如图2A所示，所有开关S1、S2、S3和S4以50％的相同占空比运行。同一桥臂中的初级侧开关(即桥臂A中的开关S1和S2以及桥臂B中的开关S3和S4)以互补方式运行以避免交越传导。开关S1和S4具有相同的开关控制信号，而开关S2和S3具有相同的开关控制信号。初级侧开关的频率由用于调节输出的反馈控制回路所决定。
[0009]一般来说，受限于分离式元件的额定功率，基于分离式元件的全桥谐振转换器的功率被限制在数千瓦。参考文献[5]中提出了一种三相LLC谐振转换器，其通过额外设置与初级侧中的现有桥臂并联的一半桥相位桥臂以及与次级侧中的现有桥臂并联的一半桥相位桥臂，以进一步提升转换器功率。三相转换器可具有三个相互独立的变压器或单个集成变压器。典型三相LLC转换器的拓扑结构及其开关控制时序分别于第3A及3B图中示出。各个初级侧半桥的开关控制信号多以120度的相移相互交错，此实施方式可降低电流和电压纹波，从而降低元器件上的应力。
[0010]近来，由于高输入电压(>2kV)的电源供应器可在相同的输入电流下输送更多功率，故其在高功率应用中(例如固态变压器)越来越有吸引力。参考文献[6]中提出了一种具有采星型连接的变压器的多相多电平LLC谐振转换器，以满足高电压及大功率应用的需求。具有三个模块的多相多电平LLC谐振转换器的拓扑结构及其开关控制时序分别于图4A及图4B中示出，其中各个初级侧半桥桥臂的开关控制信号通常以120度的相移相互交错。然而，由于变压器的堆叠式结构及星形连接方式，故每个相位桥臂中的谐振电容将承受直流偏压。再者，当输入电压上升时，该直流偏压会进一步增加。此外，参考文献[6]并未述及如何解决堆叠电容的电压不平衡问题及进行双向运行。因此，需要开发一种能够在高输入电压和大功率应用中运行的DC/DC双向谐振转换器，并同时保留传统谐振转换器的优点。此外，还需开发一种应用于多相多电平LLC谐振转换器的电压平衡控制策略。
[0011]参考文献：
[0012][1]B.Yang,F.C.Lee,A.J.Zhang and G.Huang,“LLC resonant converter for front end DC/DC conversion,”APEC.Seventeenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and E本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种DC
‑
DC转换器，包含：一初级侧，包含串联堆叠的至少两个半桥逆变单元，其中每一该半桥逆变单元包含串接的两个主动开关以及串接的两个输入电容，该两个主动开关所在的桥臂并联于该两个输入电容所在的桥臂以共同形成一第一回路，每一该半桥逆变单元自该两个主动开关之间的一点依序连接于一谐振腔电路、绕制在一变压器磁芯上的一初级侧绕组以及该两个输入电容之间的一点，其中该半桥逆变单元的第一端连接于该第一回路中的所述桥臂，且任一该半桥逆变单元的该第一端直接连接于所堆叠的对应该半桥逆变单元的第二端，在该至少两个半桥逆变单元中未连接于另一该半桥逆变单元的该第一端及该第二端之间施加或生成一初级侧电压，其中该至少两个半桥逆变单元可共享该变压器磁芯；一次级侧，包含至少两组整流电路元件，其中该整流电路元件耦接于绕制在该变压器磁芯上的一次级侧绕组，该次级侧绕组与一对应初级侧绕组共用该变压器磁芯，该整流电路元件架构于对因电流流经该对应初级侧绕组而在该次级侧产生的一感应电流进行整流，一次级侧电压被生成或施加于该次级侧中；以及一控制电路，架构于致动该DC
‑
DC转换器中的该主动开关，以改变该逆变单元或该整流电路元件上的电压或电流的脉冲频率、脉冲宽度或相移角。2.如权利要求1所述的DC
‑
DC转换器，其中对于任一该半桥逆变单元，该控制电路判断所测量到的该半桥逆变单元中该两个输入电容上的电压的一平均值是否大于一参考电压，若判断结果为是，则该控制电路通过控制该两个主动开关的占空比平衡电容电压。3.如权利要求1所述的DC
‑
DC转换器，其中该控制电路判断所测量到的每一该半桥逆变单元中该两个输入电容上的任一平均电压与一参考电压的差值是否大于一阈值电压，若判断结果为是，则该控制电路判断所述半桥逆变单元中最大的该差值，并通过控制该主动开关调整每一相位桥臂中的相移角，以平衡电容电压。4.一种DC
‑
DC转换器，包含：一初级侧，包含串联堆叠的至少两个半桥逆变单元，其中每一该半桥逆变单元包含串接的两个主动开关以及一输入电容，该两个主动开关所在的桥臂并联于该输入电容所在的桥臂以共同形成一第一回路，每一该半桥逆变单元自该两个主动开关之间的一点依序连接于一谐振腔电路、绕制在一变压器磁芯上的一初级侧绕组的第一端、该初级侧绕组的第二端以及该至少两个半桥逆变单元的一公共星形连接点，其中任一该半桥逆变单元的第一端连接于该第一回路中的所述桥臂，且任一该半桥逆变单元的该第一端直接连接于所堆叠的对应该半桥逆变单元的第二端，在该至少两个半桥逆变单元中未连接于另一该半桥逆变单元的该第一端及该第二端之间施加或生成一初级侧电压，其中该至少两个半桥逆变单元可共享该变压器磁芯；一次级侧，包含至少两组整流电路元件，其中该整流电路元件耦接于绕制在该变压器磁芯上的一次级侧绕组，该次级侧绕组与一对应初级侧绕组共用该变压器磁芯，该整流电路元件架构于对因电流流经该对应初级侧绕组而在该次级侧产生的一感应电流进行整流，一次级侧电压被生成或施加于该次级侧中；以及一控制电路，架构于致动该DC
‑
DC转换器中的所述主动开关，以改变该逆变单元或该整流电路元件上的电压或电流的脉冲频率、脉冲宽度或相移角。5.如权利要求4所述的DC
‑
DC转换器，其中所述整流电路元件形成串联堆叠的多个半桥
整流单元，每一该半桥整流单元包含串接且具有相同导通方向的两个二极管以及一输出电容，该两个二极管所在的桥臂并联于该输出电容所在的桥臂以共同形成一第二回路，每一该半桥整流单元自该两个二极管之间的一点经由一阻隔电容连接于对应的该次级侧绕组的第一端，并经由对应的该次级侧绕组的第二端连接于该多个半桥整流单元的一公共星形连接点，其中任一该半桥整流单元的第一端连接于该第二回路中的所述桥臂，且任一该半桥整流单元的该第一端直接连接于所堆叠的对应该半桥整流单元的第二端，在该多个半桥整流单元中未连接于另一该半桥整流单元的该第一端及该第二端之间生成该次级侧电压。6.如权利要求4所述的DC
‑
DC转换器，其中所述整流电路元件形成串联堆叠的多个半桥整流单元，每一该半桥整流单元包含串接且受该控制电路控制的两个...

【专利技术属性】
技术研发人员：张弛，沈志宇，王汝锡，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：