用于校准谐振转换器的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本文提供一种用于校准电感－电感－电容（LLC）谐振转换器（100）的方法和系统。该方法包含：数学上计算作为输出电压、负载电流以及LLC谐振转换器的组件的容差中的至少一个的函数的输入电压；以及在开环模式下以标称谐振频率操作LLC谐振转换器。该方法还包含：测量LLC谐振转换器的输出电压；以及比较测量的输出电压与计算的输入电压。
【专利说明】用于校准谐振转换器的方法和系统
[0001]相关申请的交叉引用
本申请要求2013年3月15日提交的美国临时专利申请号61/793，763的优先权，通过参考将其整体并入本文。
【背景技术】
[0002]本【技术领域】一般涉及功率转换器，更具体而言，涉及校准谐振转换器的方法和系统。
[0003]在输出级采用电感一电感一电容(LLC)谐振转换器拓扑结构的当前设计使用实证方法来确定要求的输入电压，以适应电路中的所有容差。例如，容差可以包含谐振电感值中的+/-5%至8%的变化、和/或电容值中的+/-5%的变化。因为实证方法使用最差的情况条件，所以该方法没有在所有负载条件和所有输出电压下实现高效率。已知的方法对谐振频率使用查找表或者关闭循环(close-a-loop)。
【发明内容】
[0004]在一个实施例中，提供一种校准谐振转换器的方法。该方法包含:数学上计算作为输出电压、负载电流以及LLC转换器的组件的容差中的至少一个的函数的输入电压；以及在开环模式下以标称谐振频率操作LLC转换器。该方法还包含:测量LLC转换器的输出电压；以及比较测量的输出电压与计算的输入电压。
[0005]在另一个实施例中，提供一种电感一电感一电容(LLC)谐振转换器。该转换器包含逆变器、谐振回路、以及耦合至逆变器和谐振回路的控制器。控制器配置为:数学上计算作为输出电压、负载电流以及LLC转换器的组件的容差中的至少一个的函数的输入电压；以及在开环模式下以标称谐振频率操作LLC转换器。控制器还配置为:测量LLC转换器的输出电压；以及比较测量的输出电压与计算的电压。
[0006]按照本公开的第一方面，提供一种校准电感一电感一电容(LLC)谐振转换器的方法，所述方法包括:
数学上计算作为输出电压、负载电流以及所述LLC谐振转换器的组件的容差中的至少一个的函数的输入电压；
在开环模式下以标称谐振频率操作所述LLC谐振转换器；
测量所述LLC谐振转换器的输出电压；以及比较所测量的输出电压与所计算的输入电压。
[0007]按照第一方面的方法，其中，在开环模式下操作所述LLC谐振转换器包括以预定义的负载来操作。
[0008]按照第一方面的方法，其中，在开环模式下操作所述LLC谐振转换器包括以预定义的输入电压来操作。
[0009]按照第一方面的方法，其中，数学上计算输入电压包括:根据V6us = VoatXNtXM +10UtXfXy±x来计算输入电压，其中，Vout是所述LLC谐振转换器的输出电压，Nt是变压器的匝数比，M是乘数，1ut是所述LLC谐振转换器的实时输出电流，f是输入频率，y是代表跨400V总线的纹波的系数，X是能够在测试期间获得的校准因子。
[0010]按照第一方面的方法，其中，所述LLC谐振转换器包含半桥整流器，所述方法还包括对所述乘数M使用2的值来计算输入电压。
[0011 ] 按照第一方面的方法，其中，所述LLC谐振转换器包含全桥整流器，所述方法还包括对所述乘数M使用I的值来计算输入电压。
[0012]按照第一方面的方法，其中，当所测量的输出电压低于所计算的输入电压时，所述方法包括对X应用负值。
[0013]按照第一方面的方法，还包括确定作为所测量与所计算的输入电压之间的差异的函数的所述电压的大小。
[0014]按照第一方面的方法，其中，当所测量的输出电压高于所计算的输入电压时，所述方法还包括对X应用正值。
[0015]按照第一方面的方法，还包括确定作为所测量与所计算的输入电压之间的差异的函数的所述电压的大小。
[0016]按照本公开的第二方面，提供一种电感一电感一电容(LLC)谐振转换器，包括:
逆变器；
谐振回路；以及
控制器，耦合至所述逆变器和所述谐振回路，所述控制器配置为:
数学上计算作为输出电压、负载电流以及所述LLC转换器的组件的容差中的至少一个的函数的输入电压；
在开环模式下以标称谐振频率操作所述LLC谐振转换器；
测量所述LLC谐振转换器的输出电压；以及比较所测量的输出电压与所计算的电压。
[0017]按照第二方面的LLC谐振转换器，其中，所述控制器还配置为以预定义的负载和预定义的电压中的至少一个来操作。
[0018]按照第二方面的LLC谐振转换器，其中，为了数学上计算输入电压，所述控制器还配置为根据匕=匕/^^#+/0?^/^_7±1来计算输入电压。
[0019]按照第二方面的LLC谐振转换器，其中，Vout是所述LLC谐振转换器的输出电压，Nt是变压器的匝数比，M是乘数，1ut是所述LLC谐振转换器的实时输出电流，f是输入频率，Y是代表跨400V总线的纹波的系数，X是能够在测试期间获得的校准因子。
[0020]按照第二方面的LLC谐振转换器，还包括半桥整流器，所述控制器还配置为对M应用2的值。
[0021 ] 按照第二方面的LLC谐振转换器，还包括全桥整流器，所述控制器还配置为对M应用I的值。
[0022]按照第二方面的LLC谐振转换器，其中，当所测量的输出电压低于所计算的电压时，所述方法包括对X应用负值。
[0023]按照第二方面的LLC谐振转换器，其中，当所测量的输出电压高于所计算的电压时，所述方法包括对X应用正值。
[0024]按照第二方面的LLC谐振转换器，其中，所述谐振回路包括谐振电感和谐振电容。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是常规LLC串联谐振转换器的电路图；
图2是示出对于图1所示的LLC功率转换器的增益曲线的图表；
图3是示出查找表与应用于具有标称附近的回路值(tank value)的整流器的示范方程之间的效率比较的图表；
图4是示出查找表与应用于具有在容差范围的低端的回路元件(tank element)的整流器的示范方程之间的效率比较的图表。
【具体实施方式】
[0026]图1是电感一电感一电容(LLC)串联谐振转换器100的电路图，该串联谐振转换器100用于将输入电压Vg转换为其输出处的不同电压V。。在不范实施例中,转换器100包含逆变器102、LLC串联谐振回路104和整流器106。逆变器102是半桥逆变器，并包含第一开关(Mp) 110和第二开关(Mn) 112。开关110和112被互补驱动，以在谐振回路(resonanttank) 104的输入Vin产生方波。谐振回路104包含串联耦合的电感(Ls) 114、串联电容器(Cs) 116和谐振电感(Lp) 118，以实现谐振。谐振电感118与负载并联耦合。
[0027]在示范实施例中，整流器106包含中心抽头变压器120、滤波电容(CF)122、第一整流二极管(Dp) 124和第二整流二极管(Dn) 126。整流器106将来自谐振回路104的AC波形整流为DC输出。整流器106可以是半桥整流器、全桥整流器、或者能使整流器106如本文说明的那样发挥功能的任何其他类型的整流器。在低输出电压、高电流应用中，第一和第二整流二极管124和126被替换为同步整流器(未示出)，以减小跨每个半导体整流器的电压降(传导损耗)。
[0028]在示范实施例中，LLC转换器100还包含可通信地耦合至逆变器102、谐振回路104和/或整流器106的控制器108。控制器108配置为执行转换器100的一个或多个操作，如本文进一步具体说明的那样。例如，控制器108使用数学式来计算最佳总线电压，所述总线电压作为输出电压、负载电流、输入频率和/或LLC回路104的元件(即谐振电感118和谐振电容116)的容差的函数。这便于每个元件在峰值效率下操作，而不会降低诸如噪声计噪声(psophometric noise)的其他性能。数学式给出如下:
Vbus = VoutXNtXM+ 10UtXfXy±x(I)
“V-”是LLC转换器100的输出电压。“Nt”是变压器120的匝数比。“M”是乘数，对于半桥整流器应用2的值，而对于全桥整流器应用I的值。“ Iwt”是LLC转换器100的实时输出电流。“f ”是输入频率，“y”是代表跨400V总线的纹波的系数，“X”是能够在测试期间获得的校准因子。
[0029]在示范实施例中，通过在开环模式下以标称谐振频率操作LLC转换器100来完成校准。还可以通过以预定义的负载或者以预定义的输入电压操作LLC转换器100，来完成在开环模式下操作LLC转换器100。在该测试期间，测量输出电压V。，并与期望的标称值比较。如果测量的输出电压V。低于期望值，那么可以推断出特定回路具有更低的谐振频率，因此系数X将具有符号，并且大小是测量值对期望值之间的差异的函数。或者，如果测量的电压高于所期望的，这意味着该单元的谐振频率高于标称，而系数X将具有符号。大小是测量值对期望值之间的差异的函数。
[0030]图2是示出对于(图1所示的)LLC功率转换器100的增益曲线的图表。增益曲线对应于LLC功率转换器100的归一化DC输出电压，并且包含第一归一化增益曲线200、第二归一化增益曲线205以及第三归一化增益曲线210。在示范实施例中，谐振电感具有+/-8%的变化，以及谐振电容具有+/-5%的变化。如图2所示，标称谐振频率大约为186kHz，以及标称输出电压在IV与1.02V之间。
[0031]图3是示出使用查找表的系统与使用应用于具有标称附近的回路值的整流器的上述方程(I)的系统之间的效率比较的图表。第一曲线300与使用方程(I)来确定电压的LLC转换器的效率关联。第二曲线305与使用查找表来确定电压的系统关联。在示范实施例中，方程(I)被应用于具有标称附近的回路值的整流器。如图3所示，与使用查找表的曲线305相比，代表方程(I)的曲线300遍及几乎整个操作范围实现更高效率。
[0032]图4是示出查找表与具有在容差范围的低端的回路元件的整流器的方程(I)之间的效率比较的图表。第一曲线400与使用方程(I)来确定电压的LLC转换器的效率关联。第二曲线405与使用查找表来确定电压的系统关联。如图4所示，与使用查找表的曲线405相比，代表方程(I)的曲线400遍及基本上所有整个操作范围实现更高效率。
[0033]本文说明的实施例提供一种控制器，实现计算最佳总线电压的数学方法，该总线电压为输出电压、负载电流、输入频率和LLC回路元件(即谐振电感和谐振电容)的容差的函数。实施例能使每个元件在峰值效率下操作，而不会降低诸如噪声计噪声的其他性能。此夕卜，实施例提供一种过程来获得用于补偿LLC谐振转换器中的容差的系数，而不用测量回路频率。
[0034]本书面说明使用包含优选模式的示例公开了本发明，另外能使本领域的任何技术人员将本发明付诸实践，包含制造并使用任何设备或系统并执行任何结合的方法。本发明的可专利的范围由权利要求定义，并可以包含本领域的技术人员能想到的其他示例。如果该其他示例具有没有不同于权利要求的字面语言的构成要素，或者如果其包含与权利要求的字面语言具有非实质差异的等价构成要素，那么该其他示例预期落入权利要求的范围内。
[0035]本文使用的术语控制器可以指电子控制器，其可以包含计算机处理器或者处理设备(未示出)。处理器一般是能够处理信息的任何硬件，所述信息诸如有例如数据、计算机可读程序代码、指令等(一般是“计算机程序”、例如软件、固件等)和/或其他适当的电子信息。例如，处理器可以配置为执行计算机程序或者命令，其可以存储在板载处理器，或者另外可以存储在关联的存储器(未示出)中。在又一个示例中，处理器可以具体化为或者另外包含一个或多个专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等。因此，尽管处理器能够执行计算机程序来执行一个或多个功能，但是各种示例的处理器能够执行一个或多个功能，而不用计算机程序的协助。本文使用的电子或者计算机存储器一般是能够存储信息的任何硬件，所述信息诸如临时性质或者永久性质的数据、计算机程序和/或其他适当的信息。在一个示例中，存储器可以配置为在一个或多个数据库中存储各种信息。存储器可以包含易失性和/或非易失性存储器，可以是固定的或者可移动的。适当的存储器的示例包含随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬盘驱动器、闪存存储器、拇指驱动器、可移动计算机磁盘、光盘、磁带或者上述的一些组合。光盘可以包含压缩盘只读存储器(⑶ROM)、压缩盘读写存储器(CD-R/W)、数字视频盘存储器(DVD)等。在各种实例中，存储器可以被称为计算机可读存储介质，其作为能够存储信息的非临时性设备，可以区别于诸如能够将信息从一个位置携带至另一个的电子暂时性信号的计算机可读传输介质。本文说明的计算机可读介质一般可以指计算机可读存储介质或者计算机可读传输介质。
【权利要求】
1.一种校准电感一电感一电容(LLC)谐振转换器(100)的方法，所述方法包括: 数学上计算作为输出电压、负载电流以及所述LLC谐振转换器的组件的容差中的至少一个的函数的输入电压； 在开环模式下以标称谐振频率操作所述LLC谐振转换器； 测量所述LLC谐振转换器的输出电压；以及 比较所测量的输出电压与所计算的输入电压。
2.如权利要求1所述的方法，其中，数学上计算输入电压包括:根据Kaus=VmtXNtXM+ ImtXf \y±x来计算输入电压，其中，Vwt是所述LLC谐振转换器(100)的输出电压，Nt是变压器(120)的匝数比，M是乘数，Itjut是所述LLC转换器的实时输出电流，f是输入频率，y是代表跨400V总线的纹波的系数，X是能够在测试期间获得的校准因子。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述LLC谐振转换器(100)包含半桥整流器(106)，所述方法还包括对所述乘数M使用2的值来计算输入电压。
4.如权利要求2所述的方法，其中，所述LLC谐振转换器(100)包含全桥整流器(106)，所述方法还包括对所述乘数M使用I的值来计算输入电压。
5.如权利要求2所述的方法，其中，当所测量的输出电压低于所计算的输入电压时，所述方法包括对X应用负值。
6.如权利要求2所述的方法，其中，当所测量的输出电压高于所计算的输入电压时，所述方法还包括对X应用正值。
7.一种电感一电感一电容(LLC)谐振转换器(100)，包括: 逆变器(102)； 谐振回路(104);以及 控制器(108)，耦合至所述逆变器和所述谐振回路，所述控制器配置为: 数学上计算作为输出电压、负载电流以及所述LLC谐振转换器的组件的容差中的至少一个的函数的输入电压； 在开环模式下以标称谐振频率操作所述LLC谐振转换器； 测量所述LLC谐振转换器的输出电压；以及 比较所测量的输出电压与所计算的电压。
8.如权利要求7所述的LLC谐振转换器，其中，所述控制器(108)还配置为以预定义的负载和预定义的电压中的至少一个来操作。
9.如权利要求7所述的LLC谐振转换器，其中，为了数学上计算输入电压，所述控制器(108)还配置为根据= f XX#来计算输入电压，其中，Vtjut是所述LLC转换器(100)的输出电压，Nt是变压器(120)的匝数比，M是乘数，Itjut是所述LLC转换器的实时输出电流，f是输入频率，y是代表跨400V总线的纹波的系数，X是能够在测试期间获得的校准因子。
10.如权利要求7所述的LLC谐振转换器，其中，所述谐振回路(104)包括谐振电感(118)和谐振电容(I 16)。
【文档编号】H02M3/28GK104052291SQ201410096700
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月17日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】R.雷迪, D.D.史密斯 申请人:通用电气公司