带软启动和输出电压控制的谐振转换器系统及其控制方法技术方案

本公开涉及带软启动和输出电压控制的谐振转换器系统及其控制方法。本发明专利技术涉及用于谐振转换器的软启动和输出电压控制技术。本发明专利技术的第一方面涉及谐振转换器，该谐振转换器包括：作为包括半导体开关器件的开关网络的输入级，谐振电路、以及用于控制开关网络的控制器，其中，该控制器适于在启动过程期间操作谐振转换器，其中，开关频率和占空比在第一时间间隔(t1)期间保持恒定。本发明专利技术还涉及一种用于控制谐振转换器的方法，其中，转换器是通过在第一时间间隔(t1)期间维持开关频率和占空比恒定来启动的。转换器在启动过程期间是以突发模式操作的。本发明专利技术提供了一种用于谐振转换器的尤其是针对轻负载状况的快速且精确的软启动和输出电压控制方法。输出电压控制方法。输出电压控制方法。

【技术实现步骤摘要】
带软启动和输出电压控制的谐振转换器系统及其控制方法


[0001]本专利技术总体上涉及用于谐振转换器的控制方法，特别地，本专利技术涉及用于谐振转换器的软启动和输出电压控制方法。
[0002]本专利技术的目的是提供一种利用用于谐振转换器的尤其是针对轻负载运行状况的输出电压和功率准确度控制方法的快速且精确的软启动过程。
[0003]本专利技术的另一目的是提供一种用于谐振转换器的控制方法，该控制方法通过限制涌浪电流(inrush current)、快速电压斜率以及高电压纹波来减小半导体应力。
[0004]本专利技术还涉及在上述方法下运行的谐振转换器系统。

技术介绍

[0005]DC
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DC转换器存在于从家庭到工业或汽车领域的许多应用中。在不同的DC
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DC转换器当中，广泛使用如图1所示的LLC串联谐振转换器拓扑(LLC
‑
SRC)。转换器的这种拓扑属于所谓的谐振转换器系列，其利用它们的无源组件之间的谐振来进行软开关，并因此减少开关损耗。由于这种损耗减少，因此，其允许增加转换器的效率并增加开关频率以减小转换器的尺寸。
[0006]谐振转换器通常是借助于频率变化来控制的。在LLC
‑
SRC转换器的情况下，控制趋向于通过以最高频率和50％占空比进行开关而在输出端处以0V启动转换器，并且当输出电压达到目标电压时，减小频率以达到输出功率需求。
[0007]LLC
‑
SRC和其它谐振转换器的一个公知的问题是涌浪电流，该涌浪电流在这种启动过程期间可能损坏半导体开关。
[0008]一些应用需要具有快速输出动态(例如，在小于100ms至200ms内从0V预充电至500V)的高功率转换器。这又意味着减小了转换器的输出电容器(例如，对于10kW至20kW设备是9uF至12uF，而不是数百或数千uF的大体积铝电容器)。在预充电状况期间(在输出端处没有任何负载)，转换器的唯一负载是放电电阻器(例如100kOhm至200kOhm电阻器)，以使在10kW至20kW转换器中存在非常小的、小于1W负载的功耗。
[0009]这种情形在预充电刚开始时(在0V输出时)会引起问题，这是因为电压在没有控制的情况下突然增加，造成电压过冲以及高电流冲击。具有较低ESR的小输出电容器在前2ms至20ms期间使情形恶化。尽管占空比低且开关频率最大(在LLC
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SCR情况下)，这也会发生。
[0010]除此之外，一些应用需要具有高电压准确度/分辨率(例如，在150V至500V范围内具有
±
10V误差的预充电设定点)的预充电(或电压控制)方法。由于前面提及的电压增加是因轻负载状况而恶化的，因此利用传统方法难以获得这一点。因此，必需以低占空比开始，否则在低电压下电压将增加太多；并且需要更多的离散化(例如，利用突发模式)，以便以足够的准确度/分辨率覆盖高输出电压范围。
[0011]与涌浪电流相关联的这些上述问题已经导致多种解决方案，诸如使用相移、PWM调制、HB模式、占空比变化、频率调制以及突发序列等。
[0012]解决该问题的经典方法是具有2级的软启动方法，如图2所示，其中，执行具有可变
占空比和固定频率的第一级直至达到目标电压，以及具有固定占空比和可变频率的第二级。具有向谐振回路(resonant tank)递送的小功率脉冲的第一级可以通过改变脉冲宽度，从而改变占空比，或者改变支路之间的相移(在多于一个支路的情况下)并将占空比维持在50％来实现。
[0013]已知一种软启动方法，该软启动方法是利用借助于支路之间的相移控制而增加(图2中的t1)的小占空比来启动的。
[0014]还已知在软启动期间改变占空比，但是使用曲线(图2中的t1，但是使用经优化的曲线)。专利公开US
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8018740B2和US
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20160181927A1描述了如图2所示的两级方法。而且，已经建议使用第一级，其基于理论方程计算关断(turn
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off)(并因此计算占空比)，并且之后减小频率直至达到输出电压。
[0015]专利公开US
‑
20150280545A1描述了一种利用更简单的控制器的解决方案，并且提出了一种基于从最小占空比和最大频率(占空比和频率的变化基于1个开关(顶部或底部)或2个开关)开始同时改变占空比和频率(参见图3)的启动方法；并且它取决于从最小占空比和最大频率开始的斜坡或指数曲线。
[0016]还已知使用控制转换器的突发方法，如图4所示并且如专利公开US
‑
9893609B1所述，该方法基于使用50％的占空比、最大频率并且使转换器实现ON和OFF以在较低电压下提供更多或更少的功率。该方法利用了在低输出电压和在启动期间的零电压开关(ZVS)。在轻负载和低输出电压情形下使用突发模式也是已知的。
[0017]上述方法减小了启动序列期间开关的应力，但是它们在正确评估转换器具有高输出功率和高输出电压工作范围以及非常轻的负载(例如，非常小的输出电容器)的情况时发现许多其它问题。在这些情况下，转换器可以提供的最大频率和最小占空比趋向于具有足够的功率来生成可能损坏开关的高涌浪电流。
[0018]当使用更简单的控制器时，最大工作频率可以接近谐振频率，因此即使将该频率取为最大，也不足以避免过电流，因为使用初始频率的现有技术至少在谐振频率的1.5至3倍之间。
[0019]另外，它还产生突然的输出电压增加和更多的输出电压纹波。
[0020]因此，在该
中需要一种准确的启动控制方法，其允许对向输出端递送的功率进行更精确且离散的控制，以便(尤其是在轻负载状况期间)减小涌浪电流、快速电压斜率以及高电压纹波。

技术实现思路

[0021]本专利技术通过提供一种包括两级的软启动和输出电压控制方法，令人满意地解决了现有技术的上述缺点，即：第一级或上升时间，其中，输出电压缓慢地增加直至达到输出目标电压，以及随后的第二级或保持时间，在该第二级或保持时间期间，控制谐振转换器输出电压以将其维持在期望值。
[0022]本专利技术还涉及一种DC
‑
DC谐振转换器系统，该DC
‑
DC谐振转换器系统包括适于根据上述方法进行操作的至少一个谐振转换器。在本专利技术的优选实施方式中，该系统包括串联和/或并联连接的多个谐振转换器。
[0023]根据本专利技术的谐振转换器包括：输入级，所述输入级包括具有半导体开关器件的
开关网络，以用于将DC输入电压转换成AC电压；谐振回路或电路，该谐振回路或电路连接在开关网络的接收AC电压的输出端处；以及转换器控制器，该转换器控制器用于控制开关网络的半导体开关器件的开关。
[0024]该控制器适于在谐振转换器的启动过程期间操作半导体开关器件，使得开关频率和占空比在第一时间间隔(t1)期间保持恒定。在第一时间间隔(t1)期间保持开关频率和占本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种谐振转换器系统，所述谐振转换器系统包括至少一个谐振转换器，其中，所述谐振转换器依次包括：输入级，所述输入级作为具有半导体开关器件的开关网络(1)，以用于将DC输入电压(Uin)转换成AC电压；谐振电路(4)，所述谐振电路被连接在所述开关网络(1)的输出端(Uab)处；控制器，所述控制器用于控制所述开关网络(1)的开关频率和占空比，其中，所述控制器适于在所述开关网络(1)的启动过程期间按照使得所述开关频率和所述占空比在所述谐振转换器启动时的第一时间间隔(t1)期间保持恒定的方式操作所述开关网络。2.根据权利要求1所述的谐振转换器系统，其中，所述控制器适于在所述第一时间间隔(t1)期间按照使得所述开关频率最大、占空比最小的方式操作所述开关网络(1)。3.根据权利要求1或2所述的谐振转换器系统，其中，所述控制器还适于在与所述第一时间间隔(t1)连续的第二时间间隔(t2)期间操作所述开关网络(1)，在所述第二时间间隔期间，所述开关频率逐渐减小，并且所述占空比逐渐增大。4.根据权利要求3所述的谐振转换器系统，其中，所述占空比在所述第二时间间隔(t2)期间逐渐增加直至最大值或者增加至低于所述最大值的预定义值，所述最大值优选是约50％。5.根据权利要求1至4中任一项所述的谐振转换器系统，其中，所述控制器还适于在第三时间间隔(t3)期间操作所述开关网络(1)，在所述第三时间间隔期间，所述开关频率逐渐减小，并且所述占空比在该占空比的最大值处保持恒定，并且其中，所述第三时间间隔(t3)持续，直至达到所述谐振转换器的输出电压(Uout)的设定点。6.根据权利要求1至5中任一项所述的谐振转换器系统，其中，所述控制器还适于设定所述半导体开关器件的驱动脉冲，以执行所述开关网络(1)的零电压开关ZVS操作。7.根据权利要求1至6中任一项所述的谐振转换器系统，其中，所述控制器还适于在所述第一时间间隔、所述第二时间间隔或所述第三时间间隔中的至少一个时间间隔期间，以突发模式操作所述开关网络(1)。8.根据权利要求1至7中任一项所述的谐振转换器系统，其中，所述开关网络(1)包括至少一个支路(1a、1b)，所述至少一个支路包括两个半导体开关器件(SW1、SW2、SW3、SW4)，所述两个半导体开关器件被串联连接在所述开关网络(1)的两个输入端子(2、3)之间，并且其中，所述控制器还适于操作所述半导体开关器件(SW1、SW2、SW3、SW4)，以生成第一半脉冲和第二半脉冲...

【专利技术属性】
技术研发人员：E，
申请(专利权)人：法可特里亚股份有限公司，
类型：发明
国别省市：