Llc双向谐振变换器及控制方法
【专利摘要】一种LLC双向谐振变换器包括：谐振槽，第一切换电路，其经由第一功率管道连接到谐振槽，第二切换电路，其经由第二功率管道连接到谐振槽，切换元件，以及至少一个可切换电感元件，当在第一操作模式下操作时，该至少一个可切换电感元件通过切换元件设置为跨第二功率管道并联，当在第二操作模式下操作时，该至少一个可切换电感元件通过切换元件设置为跨第一功率管道并联。
【专利说明】LLC双向谐振变换器及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及LLC双向谐振变换器和控制双向谐振变换器的方法。具体而言，本发明涉及具有取决于操作模式跨第一或第二功率管道设置的电感元件的LLC双向谐振变换器，以及控制所述LLC双向谐振变换器的方法。
【背景技术】
[0002]在开关式电源系统(SMPS)或谐振变换器的发展历史中，变换器的整流电路侧的复杂性有所增加。
[0003]在传统的谐振SMPS中，SMPS的整流电路部分包括传统的半导体二极管整流部件，该部件整流由变换器谐振槽部分产生的电压信号。为了控制变换器的输出电压，谐振槽开关频率不断变化。
[0004]为了使这种变换器形式更有效，引入同步整流。同步整流涉及将半导体开关与传统的整流器二极管并联放置(或替换传统的整流器二极管)。通常半导体开关为MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)器件。但是，MOSFET器件可被IGBT (绝缘栅双极型晶体管)器件或多个替代器件替换。
[0005]例如，图1示出典型的SR电路。由串联的电容元件和电感元件构成的谐振槽101经由开关电路105从电源103接收功率。分流电感器106跨隔离变压器107的初级绕组并联地放置。隔离变压器107的输出包括同步整流切换设备109，该设备经由平滑电容器111将输出功率提供给负载113。
[0006]此类LLC电路能够通过在降压或升压区域操作来提供输出电压控制。进一步地，最近在工业标准实践中转为采用此类输出同步整流已导致提供双向功率变换的能力。已经发现传统的LLC串联谐振电路具有不对称传输功能,其中输入-输出传输功能(即，正向传输功能)不同于输出-输入传输功能(即，反向传输功能)。
[0007]但是已发现，反向传输功能不能促进实际的反向功率流控制。例如，如果功率流逆转，则跨源提供的电感加载不会提供任何有用的功能。
[0008]本发明的目标是提供具有改进的正向和反向功率流控制的LLC双向谐振变换器，或者至少为公众提供有用的选择。
[0009]本发明旨在克服，或者至少缓解上述部分或全部问题。
[0010]下面的说明书部分将提供本发明的进一步目标和优点，其中详细的说明是为了完整地公开本发明的优选实施例并且不在其上加任何限制。
[0011]背景讨论(包括任何潜在的现有技术)不能被视为在任何国家承认本领域的公知常识。所讨论的任何参考声明作者对这些参考的断言，并不声明 申请人:对本申请的断言。因此， 申请人:保留怀疑所介绍讨论的精确性和相关性的权利。
【发明内容】
[0012]一般认为，术语“包括”、“包含”和“含有”在不同的司法管辖区被赋予排他的含义或包含的含义。对于本说明书而言，除非另外指出，否则这些术语旨在具有包含的含义一即，它们被视为表示包括直接使用参考的所列部件，但是还可以选择性地表示包括其它未指定的部件或元件。将理解，该字面意义还类似地适用于在用于定义方法或过程步骤时提及的术语。
[0013]将理解，当描述各种整体(例如，模块、部件、元件等)时，任何整体都可由单个整体或多个整体构成。
[0014]根据一方面，本发明提供一种LLC双向谐振变换器,其包括:谐振槽,第一切换电路，其经由第一功率管道连接到谐振槽，第二切换电路，其经由第二功率管道连接到谐振槽，切换元件，以及至少一个可切换电感元件，当在第一操作模式下操作时，所述至少一个可切换电感元件由切换元件设置为跨第二功率管道并联，以及当在第二操作模式下操作时，所述至少一个可切换电感元件由所述切换元件设置为通过跨第一功率管道并联。
[0015]根据第二方面，本发明提供一种控制LLC双向谐振变换器的方法，其包括以下步骤:在第一操作模式与第二操作模式之间切换双向谐振变换器，在第一操作模式下，双向谐振变换器被设置为以正向功率传输模式操作，在第二操作模式下，双向谐振变换器被设置为以反向功率传输模式操作，并且基于双向谐振变换器操作时的操作模式控制切换元件，其中切换元件被设置为取决于双向谐振变换器操作时的操作模式，跨在第一切换电路与谐振槽之间的第一功率管道或谐振槽与第二切换电路之间的第二功率管道并联连接至少一个电感元件。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]现在将参考附图，仅借助示例描述本发明的实施例，其中:
[0017]图1示出公知的谐振变换器电路；
[0018]图2A示出根据本发明的实施例在第一操作模式下操作的双向谐振变换器的概念图；
[0019]图2B示出根据本发明的实施例在第二操作模式下操作的双向谐振变换器的概念图；
[0020]图3示出根据本发明的实施例在第一操作模式下操作的双向谐振变换器的电路框图；
[0021]图4示出根据本发明的实施例在第二操作模式下操作的双向谐振变换器的电路框图；
[0022]图5示出根据本发明的实施例的双向谐振变换器的电路图；
[0023]图6示出根据本发明的实施例的双向谐振变换器的电路图；
[0024]图7A示出根据本发明的实施例的双向谐振变换器的配置图；
[0025]图7B示出根据本发明的实施例的双向谐振变换器的配置图；
[0026]图7C示出根据本发明的实施例的双向谐振变换器的配置图；
[0027]图7D示出根据本发明的实施例的双向谐振变换器的配置图；以及
[0028]图7E示出根据本发明的实施例的双向谐振变换器的配置图。
【具体实施方式】[0029]第一实施例
[0030]图2A示出根据该实施例在第一操作模式下操作的双向谐振变换器的概念图。
[0031]谐振槽201经由第一组功率管道205连接到第一开关布置203。谐振槽201还经由第二组功率管道209连接到第二开关布置207。
[0032]在第一操作模式下，双向谐振变换器被设置为以正向功率传输模式操作，其中功率沿着图2A中指示的箭头方向传输，即，从第二开关布置203传输到谐振槽201，再传输到第二开关布置207。当谐振变换器在第一模式下操作时，第一开关布置203控制被提供给谐振槽的功率，并且第二开关布置207作为同步整流器操作。
[0033]图2B示出在第二操作模式下操作的双向谐振变换器的概念图。
[0034]谐振槽201仍经由第一组功率管道205连接到第一开关布置203。谐振槽201另外仍经由第二组功率管道209连接到第二开关布置207。但是，在该第二操作模式下，双向谐振变换器被设置为以反向功率传输模式操作，其中功率沿图2B中指示的箭头方向传输，即，从第二开关布置207传输到谐振槽207，再传输到第一开关布置203。当变换器被置于该第二模式时，第二开关布置207控制被提供给谐振槽的功率，并且第一开关布置203作为同步整流器操作。
[0035]图3示出在第一操作模式下操作的双向谐振变换器的电路框图。
[0036]谐振槽201被示出为连接到第一开关布置203。谐振分流电感器301被设置为跨第二组功率管道并联。即，谐振分流电感器301有效地被设置为跨第二开关布置207并联。来自电源303的功率通过第一开关布置203被切换为驱动谐振槽201。
[0037]根据该实施例，设置隔离变压器305以将功率从谐振槽传输到第二开关布置。隔离变压器将谐振槽和第一开关布置与第二开关布置207和负载307进行隔离。但是将理解，作为备选，如果需要初级到次级电压/电流变换，但是不需要隔离，则隔离变压器可以是自耦变压器。作为进一步的备选，如果不需要初级到次级电压/电流变换，则第二开关布置可直接连接到谐振电路。
[0038]正向功率传输由箭头309指示。
[0039]图4示出在第二操作模式下操作的双向谐振变换器的电路框图。
[0040]在该第二操作模式下，双向谐振变换器以反向功率传输模式操作。因此，原来的电源303变为负载311，原来的负载307变为新的电源313。谐振分流电感器314被设置为跨第一组功率管道并联。即，谐振分流电感器314有效地被设置为跨第一开关布置203并联。来自新电源313的功率通过第二开关布置207被切换为驱动谐振槽201。
[0041]反向功率传输由箭头315指示。
[0042]如图3所示，在第一操作模式下，第一开关布置203使用第一切换序列控制。进一步地，在该第一操作模式下，第二开关布置207使用第二切换序列控制。
[0043]如图4所示，在第二操作模式下，第一开关布置203使用第三切换序列控制。进一步地，在该第二操作模式下，第二开关布置207使用第四切换序列控制。
[0044]将理解，第一和第四切换序列用于控制被施加到谐振槽201的功率量，第二和第三切换序列用于同步整流电路的输出。
[0045]图5示出根据本发明的该实施例的双向谐振变换器的电路图。
[0046]谐振槽501包括被串联设置的电感元件和电容元件。电源503经由第一开关布置505将功率提供给谐振槽501。
[0047]根据该实施例,第一开关布置505可以是包括两个MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)器件的半桥布置。
[0048]将理解，可使用替代的器件，例如IGBT (绝缘栅双极型晶体管)器件或多个替代器件来同步整流。
[0049]还将理解，第一开关布置可被修改为采取全桥驱动电路的形式。进一步地，驱动电路可被设置为采用零电压转换(ZVT)切换。
[0050]隔离变压器507上的初级绕组接收来自谐振槽的输出。隔离变压器507使功率能够从谐振槽501传输到电路的输出侧。在隔离变压器507的次级绕组侧，具有半桥开关布置509，用于整流来自隔离变压器的信号输出。来自隔离变压器的信号输出由平滑电容器511进行平滑处理，然后被提供给负载513。将理解，作为备选，半桥开关布置可由全桥开关布置替代。
[0051]根据该实施例，提供采取谐振分流电感器形式的单个可切换电感元件515。提供单极单掷继电器开关517并对该开关进行控制以使得当谐振变换器处于第一操作模式时，能够跨隔离变压器507的初级绕组设置电感元件515，即，跨谐振槽的输出并联地设置电感元件515。即，将谐振分流电感器置于电路中，以便它跨第二组功率管道209并联。
[0052]将理解，电感元件可由一个或多个电感元件构成。
[0053]在第二操作模式下，单极单掷继电器开关517被控制以使在谐振槽501的输入两端能够设置电感元件515。参考图2A和2B，将分流电感器置于电路中，以便它跨第一组功率管道205并联。
[0054]因此，在第一操作模式下，谐振变换器被设置为以正向功率传输模式操作。可切换电感元件515通过在变换器的输出上提供低损耗电感负载，影响通过谐振槽传输的功率，其中变换器的输出为第二组功率管道209。
[0055]在第二操作模式下，谐振变换器被设置为以反向功率传输模式操作。可切换电感元件515通过在变换器的输出上提供低损耗电感负载，影响通过谐振槽传输的功率，其中变换器的输出为第一组功率管道205。
[0056]将理解，可切换电感元件的典型值可基于谐振变换器的所需正向和反向传输特性选择。
[0057]进一步地，将理解，作为备选，跨第一组功率管道切换的一个或多个电感元件可以是不同的部件，这些不同的部件可以与跨第二组功率管道切换的一个或多个电感元件具有相同或不同的值。以这种方式，可选择部件值以提供所需正向和反向传输特性的独立控制。
[0058]进一步的实施例
[0059]图6示出根据本发明的进一步实施例的双向谐振变换器的电路图。
[0060]根据该进一步的实施例，提供有关谐振槽601、电源603、第一开关布置605、隔离变压器607和第二开关布置609的类似布置。但是，根据该实施例，第一和第二开关布置被设置为全桥切换电路。
[0061]图7A-7E示出根据本发明的进一步实施例的双向谐振变换器的谐振槽的各种LC布置。例如，根据实际考虑，从设计的角度来看，最好选择将谐振槽的电感器部件和电容器部件置于变压器的特定侧。[0062]根据图7A，可看出谐振槽701的LC部件位于变压器的初级侧，如上在第一实施例中所述。可切换电感元件703被设置为跨第一功率管道或跨第二功率管道放置，如图2A和3B所示。
[0063]根据图7B，谐振槽701的两个LC部件与可切换电感元件703均位于变压器的次级侧。
[0064]根据图7C，示出变换器的非隔离版本，其中没有设置变压器以分离输入侧与输出侧。
[0065]根据图7D，谐振槽的电感部件705位于变压器711的初级侧，而谐振槽的电容部件707位于变压器的次级侧。可切换电感元件709包括双极双掷继电器，该继电器被设置为跨第二组功率管道或跨第一组功率管道放置可切换电感元件，其中第二组功率管道位于变压器的次级侧，而第一组功率管道位于变压器的初级侧。即，可切换电感元件的两端跨变压器边界两侧切换。根据该示例，变压器的绕组匝数比为1:1。将理解，如果匝数比从1:1改变，则可能需要备选电感值。
[0066]根据图7E，谐振槽的电容部件707位于变压器711的初级侧，而谐振槽的电感部件705位于变压器的次级侧。可切换电感元件709包括双极双掷继电器，从而跨第二组功率管道两侧或跨第一组功率管道两侧放置可切换电感元件，其中第二组功率管道位于变压器的次级侧，而第一组功率管道位于变压器的初级侧。即，可切换电感元件的两端跨变压器边界两侧切换。根据该示例，变压器的绕组匝数比为1:1。将理解，如果匝数比从1:1改变，则可能需要备选电感值。
[0067]将理解，此处描述的本发明的实施例仅作为实例，并可以在不偏离本发明范围的情况下做出各种更改和修改。
【权利要求】
1.一种LLC双向谐振变换器，包括: 谐振槽， 第一切换电路，其经由第一功率管道连接到所述谐振槽， 第二切换电路，其经由第二功率管道连接到所述谐振槽， 切换元件，以及 至少一个可切换电感元件，当在第一操作模式下操作时，所述至少一个可切换电感元件通过所述切换元件设置为跨所述第二功率管道并联，并且当在第二操作模式下操作时，所述至少一个可切换电感元件通过所述切换元件设置为跨所述第一功率管道并联。
2.根据权利要求1所述的双向谐振变换器，其中，当在所述第一操作模式下操作所述双向谐振变换器时，经由所述第一功率管道将功率从所述第一切换电路传输到所述谐振槽，以及经由所述第二功率管道将功率从所述谐振槽传输到所述第二切换电路，并且 当在所述第二操作模式下操作所述双向谐振变换器时，经由所述第二功率管道将功率从所述第二切换电路传输到所述谐振槽，以及经由所述第一功率管道将功率从所述谐振槽传输到所述第一切换电路。
3.根据权利要求1所述的双向谐振变换器，其中， 当在所述第一操作 模式下操作所述双向谐振变换器时，所述第一切换电路被设置为根据第一切换序列切换，并且所述第二切换电路被设置为根据第二切换序列切换， 当在第二操作模式下操作所述双向谐振变换器时，所述第一切换电路被设置为根据第三切换序列切换，并且所述第二切换电路被设置为根据第四切换序列切换。
4.根据权利要求1所述的双向谐振变换器，其中所述谐振槽包括与谐振电感元件串联的谐振电容元件。
5.根据权利要求1所述的双向谐振变换器，其中，在第一操作模式下，所述双向谐振变换器以正向功率传输模式操作，而在第二操作模式下，所述双向谐振变换器以反向功率传输模式操作。
6.根据权利要求1所述的双向谐振变换器，其中所述第二切换电路被设置为在所述第一操作模式期间为第一整流器电路。
7.根据权利要求6所述的双向谐振变换器，其中所述第一整流器电路为根据所述第二切换序列切换的第一同步整流器电路。
8.根据权利要求1所述的双向谐振变换器，其中所述第一切换电路被设置为在所述第二操作模式期间为第二整流器电路。
9.根据权利要求8所述的双向谐振变换器，其中所述第二整流器电路为根据所述第四切换序列切换的第二同步整流器电路。
10.根据权利要求1所述的双向谐振变换器，进一步包括设置在所述谐振槽与所述第二切换电路之间的变压器。
11.根据权利要求1所述的双向谐振变换器，进一步包括设置在所述第一切换电路与所述谐振槽之间的变压器。
12.根据权利要求10或11所述的双向谐振变换器，其中所述变压器为隔离变压器和自耦变压器之一。
13.根据权利要求10或11所述的双向谐振变换器，其中所述谐振槽包括与谐振电感元件串联的谐振电容元件。
14.根据权利要求13所述的双向谐振变换器，其中所述谐振电容元件和所述谐振电感元件在所述变压器的初级侧上串联。
15.根据权利要求13所述的双向谐振变换器，其中所述谐振电容元件和所述谐振电感元件在所述变压器的次级侧上串联。
16.根据权利要求13所述的双向谐振变换器，其中所述谐振电感元件位于所述变压器的初级侧，而所述谐振电容元件串联地位于所述变压器的次级侧。
17.根据权利要求13所述的双向谐振变换器，其中所述谐振电感元件位于所述变压器的次级侧，而所述谐振电容元件串联地位于所述变压器的初级侧。
18.根据权利要求1所述的双向谐振变换器，其中所述第一和/或第二切换电路被设置为半桥驱动电路。
19.根据权利要求1所述的双向谐振变换器，其中所述第一和/或第二切换电路被设置为全桥驱动电路 。
20.根据权利要求1所述的双向谐振变换器，其中所述第一和/或第二切换电路被设置为推挽驱动电路。
21.根据权利要求1所述的双向谐振变换器，其中所述第一和/或第二切换电路采用ZVT切换。
22.一种方法，用于控制LLC双向谐振变换器，该方法包括以下步骤: 在第一操作模式与第二操作模式之间切换所述双向谐振变换器，在所述第一操作模式下，所述双向谐振变换器被设置为以正向功率传输模式操作，在所述第二操作模式下，所述双向谐振变换器被设置为以反向功率传输模式操作，并且基于所述双向谐振变换器操作时的操作模式控制切换元件，其中所述切换元件被设置为取决于所述双向谐振变换器操作时的操作模式，跨在第一切换电路与谐振槽之间的第一功率管道或在所述谐振槽与第二切换电路之间的第二功率管道并联连接至少一个电感元件。
【文档编号】H02M3/335GK104011986SQ201280063220
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2012年2月20日 优先权日:2011年12月21日
【发明者】P·M·亨特 申请人:伊顿工业公司