谐振变换器系统的制作方法

本发明涉及一种谐振变换器系统，其通过改善双电感器和单电容谐振变换器系统(LLC谐振变换器系统)来减少输出电流纹波，并且减少由于变压器的次级侧的电感偏差而产生的电流偏差。

背景技术：

近来对于插电式混合动力电动车辆(PHEV)和电动车辆(EV)的需求已经增加。通常情况下，PHEV或者EV需要给高压电池充电的充电器。例如，快速充电器使用外部电源供应器和车载充电器来使用普通市用交流电(AC)电源执行充电功能。一般地，PHEV包括发动机，并且因此，作为布置在车辆内的所需设备，例如，发动机、电动机、功率变换器，这些装置的数量将增加。因此，车辆的内部空间妨碍了对于可选的用途的使用。相较于传统车辆，PHEV更加昂贵并且因此，将增加降低成本的措施，包括减少电池充电器尺寸、减少材料成本等。

在某些车辆中，车载充电器包括执行高频开关操作的功率变换器。例如，由于高频开关操作将导致产生EMI问题。由于车载充电器直接连接至系统电源，因此EMI过滤器将最小化在车载充电器内部产生的、引入至交流(AC)系统电源中的噪声。车载充电器包括将AC电转换成直流(DC)电的PFC变换器。因此，功率因素得以提高，并且车载充电器包括DC/DC变换器，其调整输出电压来执行响应于电池电压的充电。已经进行各种用于控制转换电压等级来执行响应于电池电压等级的充电的DC/DC变换器的研究，并且提出了一种可在宽输入电压范围内获得稳定输出的DC/DC变换器。

如图1所示，现有的LLC谐振变换器包括普通的变换器初级侧，该初级侧形成具有配置成包括两个开关电路、电感器和电容器的初级侧12。初级侧连接至变压器14，并且通过变压器将初级侧电压转换成所需要的形式，并且随后将其传输至次级侧。进一步地，变压器连接至整流器16。具体地，整流器包括各种实施例，例如，全桥形式和半桥形式。如图所示，图1示出的整流器为半桥形式。此外，电容器18连接至输出端以补偿在次级侧产生的输出电流的纹波。

与其他脉冲宽度调制(PWM)变换器不同的是，LLC谐振变换器10可执行变压器的初级侧的主开关的零电流开关(ZVS)关断操作。

例如，LLC谐振变换器10可在无需用于软开关操作的额外的辅助电路的情况下使用谐振电流。此外，LLC谐振变换器10提供提高的转换效率。具体地，通过谐振近似正弦波的电流来驱动电路。此外，相较于现有LLC谐振变换器10，电路的噪声引入将减少。然而，现有的LLC谐振变换器10具有如下缺陷，其中，由于输出电感器的移除，输出电流的纹波和输出电容器的电容将增加。换句话说，由于两个次级侧阻抗之间的偏差导致电流集中在一侧，并且因此，在低负载上的效率降低。

作为现有技术描述的内容仅提供来帮助本发明的背景的理解，并且不应当被认为是对应于本领域的技术人员已知的现有技术。

技术实现要素：

本发明提供了一种谐振变换器系统，其能够减少车载充电器的尺寸、减少材料成本，并且减少输出电流纹波。

根据本发明的实施例，一种具有布置在LLC谐振变换器中的变压器的次级侧的谐振变换器系统可以单个线圈进行配置，LLC谐振变换器的次级侧的整流器可以单个二极管进行配置。上述谐振变换器系统还可包括：电感器，其具有连接至变换器的次级侧的整流器的第一侧，以及连接至变换器的输出端的第二侧。可设置有电容器，其具有连接至变压器的次级侧的第一侧，以及连接至变换器的次级侧的整流器的第二侧。上述电感器和上述电容器可设置在变压器的次级侧。

在某些示例性实施例中，整流器的二极管的阴极可连接至电容器的第二侧，并且其阳极可连接至变压器的次级侧。上述谐振变换器系统可进一步地包括：输出电容器，其与变换器的输出端并联连接。

附图说明

从下文结合附图进行的详细描述中，本发明的上述及其他目标、特征和其他优势将更加清晰易懂。

图1是根据现有技术的示例性实施例的LLC谐振变换器系统的示例性配置图；

图2是根据本发明的示例性实施例的LLC谐振变换器系统的示例性配置图；

图3是根据本发明的示例性实施例的LLC谐振变换器的示例性电压和电流曲线图；以及

图4是根据本发明的示例性实施例的示例性AC等效电路图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的示例性实施例，在结合示例性实施例描述本发明时，应当理解的是，本文说明并不意图于将本发明限制于这些示例性实施例。正相反，本发明旨在不仅覆盖示例性实施例，而是包括可被包含在如所附权利要求所界定的精神和范围内的各种变化、修改、等效和其他实施例。

应当理解的是，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或者其他相似术语包括一般的机动车辆，例如包括运动型多用途车(SUV)、公交车、卡车、各式商用车辆在内的载客车辆，包括各种艇和船在内的水运工具，以及航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、内燃车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其他代用燃料车辆(例如，从石油以外的资源取得的燃料)。

本文所使用的专有名词仅是为了说明特定实施例的目的，而非意在限制本发明。如本文所使用的，除非上下文另外清楚表明，单数形式“一个”、“一种”和“该”意在也包括复数形式。还将理解的是，当在本说明书中使用时，词语“包括”和/或“包含”规定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。如本文所使用的，词语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何或全部组合。例如，为了使本发明的描述清晰，将不示出不相关的部分，并且，为了清晰将夸大层和区域的厚度。进一步地，当陈述某一层位于另一层或基质“上”时，该层可直接位于另一层或基板上，或者在该层和另一层或基板之间布置有第三层。

如图2所示，在根据本发明的示例性实施例的谐振变换器系统20中，布置在LLC谐振变换器内的变压器24的次级侧可包括单个线圈，并且变换器的次级侧的整流器可包括单个二极管25。然而，在某些示例性实施例中，变换器20的初级侧22将保持与现有LLC谐振变换器10相同的形式。

通过图1和图2进行对比所示，与现有的LLC谐振变换器10不同的是，根据示例性实施例，变压器的次级侧可以单个线圈进行配置。因此，整流器将不需要图1示出的使用两个二极管的半桥电路，并且因此，根据示例性实施例，整流器可包括单个二极管25。如上所述，与其次级侧不包括电感器的现有LLC谐振变换器10不同的是，根据示例性实施例，LLC谐振变换器20可包括电感器27，电感器27具有连接至变换器20的次级侧的整流器的第一侧，以及连接至变换器的输出端的第二侧，并且LLC谐振变换器20可包括电容器26，该电容器26具有连接至变压器24的次级侧的第一侧，以及连接至变换器20的次级侧的整流器25的第二侧，以允许更平滑地减少输出电流的纹波。

如图2所示，对应于次级侧整流器的单个二极管25可包括连接至电容器26的第二侧的阴极，以及连接至变压器24的次级侧的阳极。具体地，可提高次级侧整流二极管的零电流开关(ZCS)控制的准确性。进一步地，与现有LLC谐振变换器类似，根据示例性实施例的LLC谐振变换器可包括并联连接至变换器的输出端的输出电容器28，来补偿在输出电流中产生的纹波。

然而，根据示例性实施例的输出电容器28可具有小于现有LLC谐振变换器10的输出电容器18的容量。谐振变换器10可进一步地包括电感器27，其减少输出电流的纹波。因此，将通过减少在谐振变换器中占有大体积的输出电容器的电容，可以减少电容器的尺寸。因此，谐振变换器的尺寸也将减小。此外，可淘汰昂贵的高容量电容，并且因此，变换器的成本将显著减少。

在根据示例性实施例的谐振变换器系统20中，变压器的次级侧可包括单个线圈。换句话说，与在次级侧提供两个线圈的现有LLC谐振变换器10不同的是，整流器的电流集中(current concentration)和由于变压器的次级侧的电感偏差发生的输出电流的纹波偏差将减少。进一步地，如图2所示，次级侧可包括单个线圈，并且次级侧的整流器可包括单个二极管25。具体地，当与现有结构的二极管的数量进行对比时，本发明的二极管的数量将减少，从而使尺寸、成本以及功率损耗都将减少。

例如，图3示出上述示例性布置，如图3的曲线所示，第一电压(VQ1)、第二电压(VQ2)、第一电流(IQ1)，以及第二电流(IQ2)，VQ1和VQ2可相对于彼此交替地被接通和关断。例如，在VQ1接通并且VQ2关断时，IQ1将被关断并且IQ2将被接通。进一步地，在VQ1关断并且VQ2接通时，IQ1可被接通。因此，根据示例性实施例，将实现初级侧的零电压开关(ZVS)关断控制。换句话说，VQ1和IQ1表示变换器的初级侧的高压侧开关的电压和流经该开关的电流，VQ2和IQ2表示变换器初级侧的低压侧开关的电压和流经该开关的电流。

进一步地，如在图3中示出的IDO曲线的示例性实施例所示，其包括流经谐振变换器20的次级侧的单个二极管25的电流。例如，在初级侧的低压侧开关被关断时，上述电流可被关断，并且因此，能够确认可执行次级侧的单个二极管25的零电流开关(ZCS)关断控制。因此，示例性实施例提供能够执行ZCS和ZVS控制的现有LLC谐振变换器10的类似的优势。

此外，根据示例性实施例的谐振变换器系统20，电容器26和电感器27是阻抗元件，并且其可被设计成包括在变压器24的次级侧中，变压器24可配置成将图2的次级侧电路转换成交流(AC)等效电路，并且于其上执行AC分析。

图4示出用于AC分析的AC等效电路，其通过下列等式进行详细表达：

因此，在基于上述等式推导输入阻抗，输入阻抗可以表示为：

此外，输出阻抗可以表示为：

因此，电压转换率可以为：

其中，C_r：电容器(C_r)的电容，C_p：电容器(C_p)的电容，L_r：电感器(L_r)的电感，L_m：电感器(L_m)的电感，I₁：输入电流，I₂：输出电流，V₁：输入电压，V₂：输出电压。

当通过上述过程整合电容器26和电感器时，变换器的输出电流的纹波将减少。具体地，可在不增加单独元件的情况下控制变压器的次级侧的电感器。因此变换器的尺寸、成本和效率都将得以改善。

如上所述，示例性实施例将提供下列效果。

首先，通过次级侧的统一，将消除由于在现有整流结构的中心抽头处有问题的变压器的次级侧的电感偏差引起的二极管电流集中和输出电流纹波偏差。

第二，当与现有结构进行对比时，通过减少二极管的数量以及输出电容器的电容，尺寸和材料成本将减少。

第三，通过将输出电感器整合进变压器中，在不增加元件数量的情况下，也可减少输出电流的纹波。

上述示例性实施例仅是允许本发明所属领域的普通技术人员易于实施本发明的示例。尽管本发明已被示出，并且已参考特定的示例性实施例进行描述，但是对于本领域内的技术人员显而易见是，在不违背由所附权利要求所界定的精神和范围的情况下，可做出各种修改和变化。