谐振功率转换器的制造方法
【专利摘要】一种谐振功率转换器包括由电容构件(Cr1，Cr2)和电感构件(Lr)形成的谐振回路(14)、连接到谐振回路(14)和电压源(12)上的呈桥构造(16)的至少两个开关(Q1，Q2)、并联连接到各个开关上的多个缓冲电容器(CS1，CS2)，以及控制器，控制器适于控制至少两个开关的接通和断开时机，以便激励谐振回路(14)，其特征在于，提供电压传感器(22)来感测跨过至少一个开关(Q2)的电压降(Us)，并且控制器构造成在感测到的电压降(Us)的绝对值到达最小值时，使所述至少一个开关(Q2)切换到接通状态。
【专利说明】谐振功率转换器【技术领域】
[0001]本发明涉及谐振功率转换器，包括:由电容构件和电感构件形成的谐振回路、连接到谐振回路(resonance tank)和电压源上的呈桥构造的至少两个开关、并联连接到各个开关上的多个缓冲电容器，以及控制器，控制器适于控制至少两个开关的接通和断开时机，以便激励谐振回路。
【背景技术】
[0002]功率转换器用来将电能从一个电路传递到另一个电路。例如，能量从电网转变到负载，同时转换电压和电流特性。越来越多地利用切换功率转换器来代替线性调整器和变压器，因为它们提供了高的效率、小尺寸和减轻的重量。
[0003]上面提到的类型的谐振转换器已经由在网址http://powerelectronics.com上在 2010 年 12 月公开的 Sokolow 的 “100-kW DC-DC Converter Employs Resonant-Filter (采用谐振滤波器的100-kW DC-DC转换器)”描述。这样的转换器对于高功率应用，即对于大约IOkW至IOOkW的幅度的功率特别有吸引力。
[0004]已知的谐振转换器典型地在固定源电压下且在稳定的负载状况下运行，使得可行的是构造转换器，使得达到或至少逼近零电压切换运行模式(ZVS)。这意味着在跨过这个开关的电压降穿越零或至少到达最小值时，各个开关应当切换到接通状态(谷(valley)切换)，使得开关损耗减到最小值。
【发明内容】
[0005]本发明的目标是提供一种谐振转换器，其在不同的运行状况下以低的开关损耗运行。
[0006]根据本发明，这个目标通过上面提到的类型的谐振功率转换器实现，其中，提供电压传感器来感测跨过至少一个开关的电压降，并且控制器构造成在感测到的电压降的绝对值到达最小值时，使所述至少一个开关切换到接通状态。
[0007]因而，当源电压的变化或负载状况的变化使实现零电压切换或谷切换所处的时机改变时，根据本发明的转换器将自动地适应改变的状况。
[0008]本发明的更具体的可选特征在从属权利要求中提到。除了别的之外，这些特征容许在宽范围的功率和输出电流内有高效的功率转换，有主动的功率因素修正和减小电磁干扰(EMI)。
[0009]在一个实施例中，通过改变开关的切换频率来实现输出电流控制。具体而言，当转换器以满功率运行时，切换频率略微高于谐振回路的谐振频率，而当切换频率进一步增大时，转换的功率和输出电流将下降。
[0010]当功率需求进一步降低时，切换频率的持续增加可能导致增加的开关损耗，并且对应地导致转换器效率降低。在这些情况下，可行的是通过下者来进一步降低输出电流:通过省略开关的一些接通时段，同时使谐振回路保持谐振；或通过以爆发模式操作开关，其中，开关的接通和断开时段的周期性型式被截成由所有开关都断开的阶段中断的一系列爆发部分。
[0011 ] 在控制输出电流之后，还可行的是控制输入电流，并且通过采用嵌套反馈环路，还可行的是控制输出电流和输入电流两者。输入电流的控制容许保持大致正弦输入电流曲线，并且从而实现功率因素修正。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]现在将结合附图来描述本发明的实施例，其中:
图1是根据本发明的第一实施例的功率转换器的电路图；
图2显示用于阐述图1中显示的功率转换器的功能的波形；
图3显示示出了具有减小的输出电流的运行模式的波形；
图4是用于控制图1中显示的转换器的切换的控制器的框图；
图5和6显示示出了转换器的不同的运行模式的波形；以及 图7和8是根据本发明的修改的实施例的谐振转换器的电路图。
【具体实施方式】
[0013]如图1中显不,谐振转换器10布置成将输入电压Uin转换成输出电压Urat。输入电压Uin为由电压源12供应的DC电压或脉动的DC电压。
[0014]谐振回路14由电感器Lr和两个电容器组形成，一个电容器组为电容器Cr1和Cr2的并联电路，而另一组为电容器C2和C3的并联电路(具有并联负载的LCC拓扑)。谐振回路14经由开关Q1和Q2形成的半桥16连接到电压源12上。开关Q1和Q2是电子开关，例如IGBT。这些开关的控制栅连接到电子控制器18(图4)上，电子控制器18将在后面描述。缓冲电容器Cs1、Cs2并联连接到各个开关Q1和Q2上。
[0015]以大约25kHz至50kHz的幅度的切换频率交替地断开和闭合开关，以便使可具有例如25kHz的谐振频率的谐振回路14震荡。谐振回路14的电容构件由电容器Crt和(；2形成，电容器Crt和C1-2相对于电感器L对称地布置,正如开关Q1和Q2那样。电容器Crt连接在电压源12的正极和电感器L之间，并且电容器(；2连接在电感器L和电压源的负极之间。
[0016]具有相等电容的两个电容器C2和C3串联连接在电压源12的正极和负极之间，与谐振回路14并联。当谐振回路震荡时，在将电感器L连接到电容器C2和C3上的点处的电压Ur将在中心电压附近震荡，中心电压由电容器C2和C3之间的中间点限定。这个电压Ur驱动变压器T的一级侧，变压器T的二级侧连接到由二极管全桥D和电容器C4形成的整流器20上。跨过电容器C4的电压降形成输出电压Urat，当连接负载(未显示)时，用于电容器C4的放电电路闭合，并且一级输出电流Itjut可在这个放电电路中流动。
[0017]当开关Q1接通而开关Q2断开时，输入电流Iin将流过开关Q1和电感器L以对电容器(；2充电。只要跨过电感器L的电压降为正(Uin>U山谐振回路14中的电流仁将增加，并且电容器Crt将放电。当电容器Crt被完全放电时，电感器L将使电流L持续，使得电容器C,2将进一步充电，并且电容器Crt将以相反极性充电。跨过电感器L,的电压降变成负的，并且电流IJ拳低。最终，电流L将改变符号。然后，开关Q1断开，并且开关Q2接通，使得电容器Crt和(；2将通过电感器L和开关Q2放电。电流将增加，直到电容器Crf放电为止，并且电流将逐渐降到零，同时电压I相对于电压源12的负极变成负的。然后，开关Q2将断开，并且开关Q1将再次接通，使得可开始另一个循环。照这样，变压器T中的一级电流保持震荡，并且当开关Q1和Q2的切换频率接近谐振回路14的谐振频率时，将传递最大功率。
[0018]为了阻止电压源12经由开关Q1和Q2短路，这些开关的接通时段必须始终分开某个最小死时间。在这些死时间期间，本来将流过开关的电流将转移到缓冲电容器CS1、CS2，并且较少部分进入IGBT的装置电容中。
[0019]图2(A)示出开关Q1和Q2的接通和断开时段的序列。在这个示例中，接通时段分开死时间Td，为了将在下面变得清楚的原因，时间Td大于上面提到的最小死时间。
[0020]图2⑶示出电压传感器22 (图1)在两个开关Q1和Q2之间的连结点处感测到的电压Us的波形。因而，电压Us对应于跨过开关Q2的电压降，而Uin-Us代表跨过开关Q1的电压降。由于图1中显示的电路的对称性的原因，图2(B)中显示的电压Us的波形是点对称的。
[0021]图2(C)显示谐振回路的电压U,。在谐振时，这个电压相对于电压Us延迟90°。
[0022]图2(D)显示谐振回路中的电流I,。这个电流为比电压U,超前90°，并且因而与电压Us的(非正弦)波形至少大致同相。
[0023]在图2㈧-(D)中的时间&处，开关Q1接通，而开关％断开。电流仁由闭合的开关Q1供应，并且电压Ur增加。在时间t2处，电压Ur已经到达其最大值，并且因此，电流仁穿越零。在这瞬间，开关Q1断开。开关Q1的这个零电流切换具有的优点在于，IGBT开关Q1中的尾电流的有害作用大部分被避免。
[0024]已经箝到Uin的电压-现在被允许下降，如图2(B)中显示。如果开关％和02之间的连结点不连接到谐振回路14上，则串联连接的电容器Csi和Cs2将达到平衡，并且Us将下降到Uin/2。但是，缓冲电容器Csi和Cs2与电感器L形成另一个震荡电路，并且这个震荡电路趋向于对Cs2进一步放电。理想地，Us因此将下降到零。
[0025]为了减小开关损耗，死时间Td应当选择成使得开关Q2刚好在Us到达零时接通，因为那时当这个电容器短路时，存储在电容器Cs2中的能量不会消散。但是，实际上，Us可能始终无法确切地到达零，因为震荡电路经历外部影响，诸如输入电压Uin的波动和负载状况的变化。这就是为什么可能始终无法实现合乎需要的零电压切换。但是可实现的为所谓的谷切换，即开关Q2在Us (其绝对值)到达最小值时接通。实现这个状况的确切时机t3还将取决于上面提到的外部影响，并且因此可针对转换器的不同的运行状况而改变。
[0026]在时间t4处，开关Q2将再次断开(在谐振时的零电流切换)，并且电容器Csi的在t4和t5之间的放电过程是在t2和t3之间的过程的镜像。在t5处，开关Q1再次接通(谷切换)，并且将开始另一个循环。
[0027]在根据本发明的转换器中，控制器18(图4)构造成基于电压传感器22测量的电压Us的实际值来确定接通时机t3和t5，使得甚至在转换器的不同的运行状况下，可实现ZVS状况或至少谷切换状况。
[0028]在这里描述的示例中，开关Q1和Q2的切换频率被改变，以便符合输出电流Iwt的不同的需求，例如，切换频率可在25kHz和50kHz之间的范围中改变。
[0029]图3(A)_(C)显示其中转换器在谐振之上运行的运行模式的波形。因为死时间Td通过谷切换状况来确定，所以切换频率的增加意味着开关Q1和Q2的接通时段的工作循环变得更短，如图3(B)中显示的那样。切换频率由时钟信号CLK确定，时钟信号CLK的波形显示在图3(A)中。时钟脉冲的时机对应于图2中的断开时机t2和t4，即时钟脉冲交替地触发开关Q1和Q2的断开操作。接通操作然后将由谷切换标准确定。
[0030]图3(C)显示断开谐振模式的谐振回路的电压U-因为切换频率高于谐振频率，所以电压I的相延迟大于90°，并且幅度更小，使得较少的功率传递到输出侧。开关％和02的缩短的工作循环还将有助于减少功率传递(并且还减小输入电流Iin)。
[0031]现在将参照图4更详细地描述控制器18。
[0032]在这个示例中，电压源12由功率供应形成，功率供应具有二极管全桥12a，用于对AC电网电压Ugrid整流，但是，功率供应不具有用于平滑经整流电压的电容器，使得用于转换器10的输入电压Uin具有由正弦正半波构成的波形。
[0033]另外，在这个示例假设转换器10在电流方面受控制，即输出电流Itjut被控制到由供应到控制器18的需求信号U setpoint所规定的给定目标值。实际输出电流Iwt由电流传感器24测量，并且输送到控制器18作为反馈信号。
[0034]控制器18的主单元26比较输出电流U与需求信号U setpoint,并且产生命令信号Cmd,命令信号Cmd供应到乘法器28。电压传感器30检测输入电压Uin,并且将表不这个输入电压的信号发送到乘法器28的另一个输入。命令信号Cmd和输入电压Uin的乘积供应到控制器18的子单元32，作为基准信号Iin ref0子单元32比较这个基准信号与由电流传感器34检测到的输入电流Iin。作为比较结果，子单元32输出频率信号f给时钟发生器36。这个时钟发生器进一步接收源自输入电压Uin的同步信号sync，并且产生时钟信号CLK，时钟信号CLK具有频率f且与脉动的输入电压Uin同步，并且间接地与电网电压Ugrid同步。
[0035]时钟信号CLK供应到开关控制器38，开关控制器38进一步接收电压传感器22感测到的电压Us，并且控制开关Q1和Q2的控制栅。例如，开关控制器38可通过监测Us的绝对值和时间导数来确定接通时机。因而，在正常运行模式中，开关控制器38基于时钟信号CLK来控制开关Q1和Q2的断开时机和基于感测到的电压Us来控制开关的接通时机。时钟信号CLK与电网电压的同步具有的优点在于，切换频率和电网频率(50z)之间的不合需要的干扰被避免，并且减少了 EMI。
[0036]时钟信号CLK的频率被改变，以便控制输出电流U和输入电流Iin两者。在包括子单元的32内反馈环路中，输入电流Iin被控制，以便保持输入电流的正弦波形(功率因素修正)。时钟信号CLK的频率被控制，以使输入电流Iin遵从基准值Iin ref,基准值Iin ref为Uin和恒定的(或缓慢变化的)命令信号Cmd的乘积，使得Iin被迫具有与Uin相同的正弦半波。
[0037]Iin的半波的幅度由命令信号Cmd确定，命令信号Cmd在外反馈环路中被改变，夕卜反馈环路包括主单元26，并且使输出电流Itjut遵从需求信号Iwt setpoint规定的需求。
[0038]开关控制器38具有不同的运行模式，可借助于主单元26输送到开关控制器38的模式信号Mod选择运行模式。例如，因为时钟信号CLK仅确定开关Q1和Q2的断开时机，并且接通时机由谷切换标准确定，所以要清楚，应当提供开始模式，用于将第一或第一多个接通脉冲输送到开关Q1和Q2，直到转换器开始谐振和可得到有意义的电压Us为止。在优选实施例中，仅在预先限定的时间窗中允许谷切换。如果谷切换失效，则在正常运行状况之外，迫使开关接通。
[0039]当Iwtsetpoint代表的需求降低时，切换频率f可增加，以便对应地降低输出电流1uto但是，当设定点进一步降低时，将到达这样的点，即在该点处，切换频率必须高到即便具有本文提出的转换器，残余的开关损耗仍将变得很大。这就是为什么开关控制器38具有额外的运行模式，该额外的运行模式容许降低输出电流，甚至超过这个点。
[0040]图5以减小的时间尺度示出在这样一种运行模式的开关Q1和Q2的接通和断开脉冲的序列，即，在该运行模式中，通过周期性省略两个开关的独立的一些接通脉冲来减小功率传递。在显示的示例中，省略两个开关的四分之一的接通脉冲，使得功率传递将减小25%。省略两个开关的接通脉冲所处的时机相对于彼此偏移，这有助于谐振回路保持在谐振模式中。虽然随机的脉冲省略将可行，但是优选使用预先限定的规则的脉冲省略方式，以便避免随机脉冲消除和子谐波输出电流差异。
[0041]图6以甚至进一步减小的时间尺度示出这样一种运行模式，即，在该运行模式中，两个开关的接通脉冲的序列被截成由中断部分42分开的爆发部分40。实际上，每个爆发部分的脉冲的数量将显著比图6中显示的大，足够大到谐振回路能够调入(tune in)，并且中断部分42可大到谐振震荡可衰退到下一个爆发部分开始。照这样，功率传递可减小到50%或甚至更少。然而，假设给定切换频率可高达50kHz，爆发部分40的重复频率可高到将可忽略输出电流中产生的波纹。
[0042]当然，还可行的是结合图5的脉冲省略模式与图6的爆发模式，以便甚至进一步减小功率传递。此外，可行的是改变脉冲省略模式中的省略和未省略的脉冲之间的比率和/或改变爆发模式中的爆发部分的长度和中断部分的长度之间的比率，并且所有这些可另外与频率控制结合。例如，当从一个模式切换到另一个模式时，转换器频率可基于频率表或适当的算法而设定成预先限定的值，以便阻止在过渡期间的输出电流中的瞬间阶跃。
[0043]图7显示根据修改的实施例的谐振转换器10’。在这个实施例中，谐振回路仅具有单个电容器C；，使得与图1中显示的实施例相比，电路没有那么对称。尽管如此，上面阐述的功能原理仍然可适用。另外，显示在图1中的二极管全桥D已经由二极管DpD2的半桥和输出电感器Lf所替代。输出电容器C4连接到变压器T的二级绕组的中心抽头上。
[0044]图8显示转换器10〃的另一个实施例，其中四个开关Qp Q2、Q3和Q4形成全桥，使得转换器可由AC输入电压Uin直接提供功率。在这个全桥构造中，开关Q1和Q4将始终与开关Q2和Q3同时切换。谐振回路由电感器L和单个电容器(；形成，并且跨过电容器(；的电压降由二极管全桥D3和电容器C4整流，使得DC输出电压供应到负载R。
【权利要求】
1.一种谐振功率转换器，包括由电容构件(crt，(；2 ；Cr)和电感构件(LJ形成的谐振回路(14)、连接到所述谐振回路(14)和电压源(12)上的呈桥构造(16)的至少两个开关(Q1,Q2 ;Q3，Q4)、并联连接到所述开关中的各个上的多个缓冲电容器(CS1，Cs2 ；CS3, CS4)，以及控制器(18)，所述控制器(18)适于控制所述至少两个开关的接通和断开时机，以便激励所述谐振回路(14)，其特征在于，提供电压传感器(22)来感测跨过所述开关中的至少一个(Q2)的电压降(Us)，并且所述控制器(18)构造成在感测到的电压降(Us)的绝对值到达最小值时，使所述开关中的所述至少一个(Q2)切换到接通状态。
2.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述控制器(18)构造成基于具有给定频率(f)的时钟信号(CLK)而确定所述开关进入断开状态的切换时机(t2，t4)。
3.根据权利要求2所述的转换器，其特征在于，所述时钟信号(CLK)与AC或波动的DC输入电压(Uin)同步。
4.根据权利要求2或3所述的转换器，其特征在于，所述频率(f)是用于针对给定需求而调节所述转换器的输出功率或输出电流(Itjut)的变量。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的转换器，其特征在于，所述控制器(18)具有这样一种运行模式，即，其中所述开关的独立的接通时段被以周期性时间方式省略，以减少所述转换器的输出功率。
6.根据权利要求5所述的转换器，其特征在于，所述至少两个开关(Q1A2)的接通时段在相对于彼此偏移的时机被省略。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的转换器，其特征在于，所述控制器(18)具有这样一种运行模式，即，其中所述开关的接通和断开时段的爆发部分(40)与中断部分(42)交替，在所述中断部分(42)中，所有开关处于断开状态。
8.根据权利要求4至7中的任一项所述的转换器，其特征在于，所述控制器(18)适于对所述转换器的输出电流(Itjut)进行反馈控制。
9.根据权利要求4至8中的任一项所述的转换器，其特征在于，所述控制器(18)适于对所述转换器的输入电流(Iin)进行反馈控制。
10.根据权利要求9所述的转换器，其特征在于，所述控制器(18)适于根据正弦波形而控制所述输入电流(Iin)。
11.根据权利要求9和10所述的转换器，其特征在于，所述控制器(18)具有嵌套反馈环路(26，32)，以控制所述转换器的所述输出电流(I。」和所述输入电流(Iin)两者。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的转换器，其特征在于，所述电压源(12)构造成输送波动的(DC)输入电压(Uin)，所述波动的(DC)输入电压(Uin)具有由正弦半波组成的波形。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的转换器，其特征在于，具有带有并联负载的LCC拓扑。
【文档编号】H02M3/337GK103460584SQ201280005856
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年1月19日 优先权日:2011年1月19日
【发明者】M.卡多鲁斯, J.希夫费伦, M.格雷宁格, D.范卡斯特伦 申请人:Abb有限公司