隔离式DC-DC转换器制造技术

本案提供一种隔离式DC

【技术实现步骤摘要】
隔离式DC
‑
DC转换器


[0001]本案是关于一种用于控制隔离式谐振DC
‑
DC功率转换器的方法，尤指一种在隔离式DC
‑
DC谐振功率转换器中改善暂态响应并抑制低频输出电压纹波的控制方法。

技术介绍

[0002]一般来说，当谐振DC/DC转换器处于开关模式时，其开关的开关损耗低，故可在高频下有效率地工作，亦使得其磁性组件和电容的尺寸减小。如今，隔离式谐振DC
‑
DC转换器被广泛用于许多要求高效率及需在转换器的输入与输出端之间进行隔离的应用中。如图1所示，隔离式谐振DC
‑
DC转换器包含初级侧开关级、初级侧谐振电路、变压器TR、次级侧谐振电路、次级侧开关级和输出滤波器。初级侧开关级的常见实施态样包含全桥斩波器和半桥斩波器等等。初级侧谐振电路的常见实施态样包含LC电路、LLC电路和CLC电路等等。次级侧谐振电路多用于CLLC双向谐振转换器中。如参考文献[1]‑
[3]所示。次级侧开关级的常见实施态样包含全桥级、中心抽头级和倍压级等等。
[0003]图2为传统LLC谐振DC
‑
DC功率转换器的电路结构示意图，其初级侧开关级包含由MOSFET(metal
‑
oxide
‑
semiconductor field
‑
effect transistor，金属氧化物半导体场效晶体管)开关S1
‑
S4组成的全桥电路。转换器的初级侧谐振电路包含电感L
R
、L
M
和电容C
R
。就单向功率传输而言，图2的LLC转换器中无需设置次级侧谐振级，而其次级侧开关级包含二极管D1
‑
D4。转换器的输出CLC滤波器包含电感L
O
及电容C
O1
和C
O2
。
[0004]图3为采用直接频率控制的传统全桥LLC谐振DC
‑
DC转换器的方框示意图。迄今为止，直接频率控制(direct frequency control，DFC)是对谐振转换器而言最为通用且成熟的控制方法，其通过直接改变开关频率来实现输出电压调节。如图3所示，电压感测器感测并调整输出电压V
O
且将感测器输出电压与参考电压V
REF
进行比较。电压V
REF
和所感测到的输出电压之间的差值由误差放大器(error amplifier，EA)进行处理。EA的输出电压V
EA
被施加于压控振荡器(voltage
‑
controlled oscillator，VCO)的输入端，而压控振荡器的输出为一方波脉冲，其中方波脉冲的频率由电压V
EA
所决定。图3中的开关控制电路为开关S1
‑
S4生成驱动信号，其中开关S1
‑
S4以接近50％的相同占空比运行。于全桥初级侧开关网络中，开关S1及S4的驱动信号相同，开关S2及S3的驱动信号相同。由图3可知，DFC实质上为单回路反馈控制。
[0005]然而，DFC中控制到输出的转移函数G
VC
(定义为V
O
/V
EA
)完全取决于转换器的输入电压V
IN
和负载电流I
O
。由于转移函数G
VC
对运行条件的强烈依赖性，故无法设计出在所有工作点皆具有足够稳定性裕度的宽带宽控制回路。受限于频率控制回路的带宽，导致转换器对输入电压和负载电流的快速变化的暂态响应较差。此外，在开关AC
‑
DC电源供应器中，谐振转换器作为DC
‑
DC级，DC
‑
DC级的输入端存在相当可观的低频输入电压纹波。纹波频率为交流线频率的两倍，且约在100
‑
120Hz的范围内(就典型交流源而言)。低频输入纹波被传播至输出端，且成为输出端的总输出纹波中的主要部分，其中总输出纹波的幅值受AC
‑
DC电源供应器的规格所限制。低频纹波的衰减在很大程度上仰赖于在100
‑
120Hz范围内的DFC回路增
益幅值，其中该幅值可能因较窄的DFC带宽而显得不足。
[0006]过去已发展出两种主要方式来改善谐振转换器的暂态响应及降低低频输出电压纹波。第一种方式为DFC与输入电压前馈控制(voltage feedforward control，VFC)的组合。如参考文献[4]所示。图4示出了参考文献[4]中所述的组合控制的配置之一。输入电压V
IN
由前馈控制器感测和处理。前馈控制器的输出信号V
FF
与反馈控制器的输出信号V
EA
进行算术运算，所产生的控制信号V
CONT
被施加于压控振荡器的输入端。相较于DFC路径，前馈控制路径提供了更快的方式来因应输入电压V
IN
的扰动改变控制信号V
CONT
，其中输入电压的扰动首先经由功率级而被传播至输出端，并使输出电压V
O
自其稳态值开始变化，进而被误差放大器处理以产生控制信号V
CONT
。图5为采用直接频率控制和输入电压前馈控制的传统LLC谐振转换器的小信号方框示意图。为确定前馈控制的理想转移函数，是采用图5中适用于图4的组合控制的小信号方框示意图。如图5所示，方框示意图中包含：
[0007]1.在断开反馈和前馈控制路径时，自输入电压V
IN
至输出电压V
O
的转移函数G
VV
；
[0008]2.自控制电压V
CONT
至输出电压V
O
的转移函数G
VC
；
[0009]3.输出电压感测器的转移函数K
D
；
[0010]4.误差放大器的转移函数G
EA
；
[0011]5.输入电压感测器及反馈控制器的组合转移函数
[0012]依据图5所示的方框示意图，可推得在导通反馈和前馈控制路径时自输入电压V
IN
至输出电压V
O
的转移函数
[0013][0014]其中，反馈回路增益T
V
＝K
D
·
G
EA
·
G
VC
。
[0015]由等式(1)可知，在符合等式(2)的条件下，有可能完全消除小信号输入电压扰动。
[0016][0017]须注意的是，由于下列两个主要原因，等式(2)所示的理想小信号前馈控制转移函数无法完全消除实际输入扰动。两个主要原因为：
[0018]1.功率级和反馈频率控制皆为非线性方框，其大信号表现无法以小信号转移函数G...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种隔离式DC
‑
DC转换器，包含：一全桥开关级，具有至少四个主动开关；一谐振电路，具有多个电感及多个电容；一第一变压器，连接于该谐振电路；一输出级，连接于该第一变压器并产生一输出电压或一输出电流；一隔离式电荷感测器，连接于该谐振电路，以产生一谐振电感电流电荷信号；以及一开关控制器，其中根据该谐振电感电流电荷信号及该输出电压或该输出电流，该开关控制器产生并提供控制信号予该至少四个主动开关。2.如权利要求1所述的隔离式DC
‑
DC转换器，还包含一电压前馈控制器，其中该电压前馈控制器架构于感测该全桥开关级的一输入电压，该开关控制器还架构于根据该电压前馈控制器所感测的该输入电压提供该控制信号。3.如权利要求1所述的隔离式DC
‑
DC转换器，还包含一电流前馈控制器，其中该电流前馈控制器架构于感测该输出级的该输出电流，该开关控制器还架构于根据该电流前馈控制器所感测的该输出电流提供该控制信号。4.如权利要求1所述的隔离式DC
‑
DC转换器，还包含：一电压前馈控制器，架构于感测该全桥开关级的一输入电压；以及一电流前馈控制器，架构于感测该输出级的该输出电流，其中该开关控制器还架构于根据该电流前馈控制器所感测的该输出电流及该电压前馈控制器所感测的该输入电压提供该控制信号。5.如权利要求1所述的隔离式DC
‑
DC转换器，其中该隔离式电荷感测器包含该多个电感的一谐振电感的一额外感测绕组，该感测绕组连接于一双重积分电路的输入端，以产生该谐振电感电流电荷信号并作为该双重积分电路的输出端的电压。6.如权利要求5所述的隔离式DC
‑
DC转换器，其中该双重积分电路包含多个被动电子元件。7.如权利要求5所述的隔离式DC
‑
DC转换器，其中该双重积分电路包含多个被动及主动电子元件。8.如权利要求5所述的隔离式DC
‑
DC转换器，还包含一电压前馈控制器，其中该电压前馈控制器架构于感测该全桥开关级的一输入电压，该开关控制器还架构于根据该电压前馈控制器所感测的该输入电压提供该控制信号。9.如权利要求5所述的隔离式DC
‑
DC转换器，还包含一电流前馈控制器，其中该电流前馈控制器架构于感测该输出级的该输出电流，该开关控制器还架构于根据该电流前馈控制器所感测的该输出电流提供该控制信号。10.如权利要求5所述的隔离式DC
‑
DC转换器，还包含：一电压前馈控制器，架构于感测该全桥开关级的一输入电压；以及一电流前馈控制器，架构于感测该输出级的该输出电流，其中该开关控制器还架构于根据该电流前馈控制器所感测的该输出电流及该电压前馈控制器所感测的该输入电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤里，
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：