全數(shù)字控制大功率交直流變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及全數(shù)字控制大功率交直流變換器，交流輸入濾波器輸出端連接功率因素校正轉(zhuǎn)換器輸入端，功率因素校正轉(zhuǎn)換器輸出端連接LLC轉(zhuǎn)換器輸入端，LLC轉(zhuǎn)換器輸出端連接直流輸出濾波器輸入端，直流輸出濾波器輸出端接至直流輸出端，交流輸入濾波器的輸入信號端和功率因素校正轉(zhuǎn)換器的輸入信號端均連接高壓隔離信號傳輸裝置，高壓隔離信號傳輸裝置連接數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器連接高壓隔離驅(qū)動器，高壓隔離驅(qū)動器分別與功率因素校正轉(zhuǎn)換器和LLC轉(zhuǎn)換器控制連接。相對于模擬控制器，溫度特性穩(wěn)定，一致性高；相對于2片數(shù)字信號處理器分別控制PFC和LLC，減少數(shù)字信號處理器在輸入側(cè)的雷擊及電網(wǎng)浪涌等損壞危險(xiǎn)。
【專利說明】全數(shù)字控制大功率交直流變換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低成本數(shù)字控制交流輸入直流輸出變換裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，為適應(yīng)全球電網(wǎng)電壓，電源轉(zhuǎn)換器的輸入電壓需要覆蓋85?275V交流電壓。普通常用交流輸入直流電源方案對85?275V交流總線輸出的架構(gòu)，是從交流輸入濾波(ACFilter)到前段功率因素校正(Power Factor Correction ,簡稱PFC)再到后端直流變換器(DC-DC Converter)輸出到直流總線或者電池組。
[0003]交流輸入濾波器是為了減少電源產(chǎn)品對電網(wǎng)的電磁干擾，各電源匹配不盡相同，難以比較。功率因素校正PFC電路是為了滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)(如IEC61000，GB4943等)的功率因素(簡稱PF)和減少輸入電流諧波，全球各大芯片控制廠家已經(jīng)推出專業(yè)模擬控制芯片(簡稱IC)和應(yīng)用數(shù)字信號處理器(簡稱DSP)。后端直流變換器業(yè)界認(rèn)同的高效率大功率直流變換器多以三元件諧振橋式(簡稱LLC)為主，也有推出專業(yè)模擬IC和應(yīng)用DSP。
[0004]使用傳統(tǒng)的模擬芯片控制PFC和LLC時(shí)，控制芯片周圍輔助元器件較多，受元器件公差和溫度漂移的影響，產(chǎn)品的一致性很難保證，可生產(chǎn)性降低。無法根據(jù)輸入電壓和輸出電壓和負(fù)載條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，更新設(shè)計(jì)是需要跟換元器件，操作成本高，風(fēng)險(xiǎn)較大。
[0005]使用2片數(shù)字信號處理器風(fēng)別控制PFC和LLC時(shí)，為實(shí)時(shí)優(yōu)化，數(shù)字信號處理器之間通信耗費(fèi)大量芯片資源。處于輸入側(cè)PFC數(shù)字信號處理器容易受到雷擊，電網(wǎng)浪涌和其它輸入干擾的損壞。處于輸入側(cè)PFC數(shù)字信號處理器無法進(jìn)行直接帶電操作，程序更新比較復(fù)雜。成本較高，不利于市場推廣。數(shù)字信號處理器之間通信容易受到電磁干擾的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種高效率、高可靠性、低成本的數(shù)字控制交流輸入直流輸出變換裝置。
[0007]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
全數(shù)字控制大功率交直流變換器，特點(diǎn)是:包括交流輸入濾波器、功率因素校正轉(zhuǎn)換器、LLC轉(zhuǎn)換器和直流輸出濾波器，交流輸入濾波器的輸出端連接功率因素校正轉(zhuǎn)換器的輸入端，功率因素校正轉(zhuǎn)換器的輸出端連接LLC轉(zhuǎn)換器的輸入端，LLC轉(zhuǎn)換器的輸出端連接直流輸出濾波器的輸入端，直流輸出濾波器的輸出端接至直流輸出端，交流輸入濾波器的輸入信號端和功率因素校正轉(zhuǎn)換器的輸入信號端均連接高壓隔離信號傳輸裝置，高壓隔離信號傳輸裝置連接數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器連接高壓隔離驅(qū)動器，高壓隔離驅(qū)動器分別與功率因素校正轉(zhuǎn)換器和LLC轉(zhuǎn)換器控制連接。
[0008]進(jìn)一步地，上述的全數(shù)字控制大功率交直流變換器，所述LLC轉(zhuǎn)換器和直流輸出端分別與數(shù)字信號處理器相連。
[0009]本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和進(jìn)步主要體現(xiàn)在:
①本發(fā)明相對于模擬控制器，具有溫度特性穩(wěn)定，一致性高，更新設(shè)計(jì)容易實(shí)現(xiàn)，且無操作人為損壞危險(xiǎn)，可根據(jù)輸入輸出電壓和負(fù)載條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高效率，平滑負(fù)載效率曲線；
②相對于2片數(shù)字信號處理器分別控制PFC和LLC，減少了數(shù)字信號處理器之間通信耗費(fèi)大量的資源，減少數(shù)字信號處理器在輸入側(cè)的雷擊以及電網(wǎng)浪涌和其它輸入干擾的損壞危險(xiǎn)，避免輸入側(cè)PFC數(shù)字信號處理器無法進(jìn)行直接帶電操作的觸電危險(xiǎn)，避免數(shù)字信號處理器之間通信容易受到電磁干擾的影響；
③通過對多種電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用單一數(shù)字信號處理器方案實(shí)現(xiàn)高可靠性，整機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率超過96%，具有20%到100%負(fù)載狀態(tài)效率變化小于I %的平滑效率曲線，在低輸入電壓下也有很好的效率表現(xiàn)和熱平衡；器件成本得到降低，生產(chǎn)工藝得到簡化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步說明:
圖1:本發(fā)明的構(gòu)造示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]如圖1所示，全數(shù)字控制大功率交直流變換器，包括交流輸入濾波器1、功率因素校正轉(zhuǎn)換器2、LLC轉(zhuǎn)換器3和直流輸出濾波器4，交流輸入濾波器I的輸出端連接功率因素校正轉(zhuǎn)換器2的輸入端，功率因素校正轉(zhuǎn)換器2的輸出端連接LLC轉(zhuǎn)換器3的輸入端，LLC轉(zhuǎn)換器3的輸出端連接直流輸出濾波器4的輸入端，直流輸出濾波器4的輸出端接至直流輸出端5，交流輸入濾波器I的輸入信號端和功率因素校正轉(zhuǎn)換器2的輸入信號端均連接高壓隔離信號傳輸裝置8，高壓隔離信號傳輸裝置8連接數(shù)字信號處理器7，數(shù)字信號處理器7連接高壓隔離驅(qū)動器6，高壓隔離驅(qū)動器6分別與功率因素校正轉(zhuǎn)換器2和LLC轉(zhuǎn)換器3控制連接，LLC轉(zhuǎn)換器3和直流輸出端5分別與數(shù)字信號處理器7相連。
[0012]交流輸入經(jīng)交流輸入濾波器I后由功率因素校正轉(zhuǎn)換器2升壓后至LLC轉(zhuǎn)換器3的輸入，LLC轉(zhuǎn)換器3將功率因素的高壓輸入轉(zhuǎn)換成低壓直流輸出，直流輸出濾波器4濾波后由直流輸出端5輸出。其控制部分，交流輸入濾波器I和功率因素校正轉(zhuǎn)換器2的輸入信號經(jīng)過高壓隔離信號傳輸裝置8將模擬信號轉(zhuǎn)化脈寬信號傳輸?shù)綌?shù)字信號處理器7，數(shù)字信號處理器7經(jīng)計(jì)算處理后，發(fā)出脈寬信號由高壓隔離驅(qū)動器6隔離放大后控制功率因素校正轉(zhuǎn)換器2以及頻率信號控制LLC轉(zhuǎn)換器3。
[0013]LLC轉(zhuǎn)換器3的電路工作有三種狀態(tài)，即開關(guān)頻率大于諧振頻率的降壓區(qū)，開關(guān)頻率等于諧振頻率諧振區(qū)，開關(guān)頻率小于諧振頻率升壓區(qū)。通過改變功率因素校正轉(zhuǎn)換器2的輸出電壓將LLC轉(zhuǎn)換器3設(shè)定在工作效率最高的諧振頻率(Fr)等于開關(guān)頻率(Fs)的諧振區(qū)，因?yàn)長LC轉(zhuǎn)換器3工作的電流波形類似為正弦波，尤其是工作在諧振區(qū)，即開關(guān)頻率等于諧振頻率的時(shí)候，原邊的開關(guān)器件近似工作在零電壓零電流開通，關(guān)斷為零電流模式，在此工作狀態(tài)下，原邊開關(guān)器件的開關(guān)轉(zhuǎn)換損耗近乎為零，能夠得到很高的轉(zhuǎn)換效率。其次副邊整流二極管的電流轉(zhuǎn)化也是接近為零，不存在反向恢復(fù)電流導(dǎo)致的電壓尖峰問題。通常二極管的導(dǎo)通壓降和最大反向電壓值成反比，由于沒有尖峰問題，可選擇較低反向電壓的二極管，減少損耗，降低成本。
[0014]通過改變功率因素校正轉(zhuǎn)換器2在滿足輸入功率因素和諧波要求的情況下將功率因素校正轉(zhuǎn)換器2的輸出電壓改變，使得LLC轉(zhuǎn)換器3閉環(huán)工作在需要的工作效率最高的諧振頻率(Fr)等于開關(guān)頻率(Fs)的諧振區(qū)；同時(shí)在負(fù)載條件改變時(shí)適當(dāng)修正功率因素校正轉(zhuǎn)換器2的輸出電壓，達(dá)到高效率同時(shí)效率曲線隨負(fù)載變化更為平滑、對于LLC轉(zhuǎn)換器3的副邊整流二極管在諧振區(qū)時(shí)為軟開關(guān)切換，所以整個(gè)負(fù)載條件幾乎沒有反向恢復(fù)的尖峰過大問題，提高可靠性和改善電磁干擾，達(dá)到設(shè)計(jì)接近最優(yōu)化的目的。在低輸入電壓情況下，如果還要保證LLC轉(zhuǎn)換器3工作在開關(guān)頻率(Fs)的諧振區(qū)的話，功率因素校正轉(zhuǎn)換器2的效率將下降較快，所以適當(dāng)調(diào)整功率因素校正轉(zhuǎn)換器2的輸出電壓使低于通常值，提高功率因素校正轉(zhuǎn)換器2的低壓工作效率。雖然此變化使得LLC轉(zhuǎn)換器3的開關(guān)工作頻率低于諧振頻率，但是效率變化不太大，最終整個(gè)交流直流裝換裝置在低電壓輸入下，保證較高整機(jī)效率和熱平衡。
[0015]將通常的雙數(shù)字信號處理器優(yōu)化成一個(gè)數(shù)字信號處理器，帶來計(jì)算冗余的減少，控制器之間的通信耗費(fèi)和通訊信號干擾問題已經(jīng)沒有，在生產(chǎn)中減少了生產(chǎn)工序，器件個(gè)數(shù)的減少帶來成本的降低，提到功率密度。將數(shù)字信號處理器放置在低壓直流輸出端，使用高壓隔離信號傳輸裝置和高壓隔離驅(qū)動器滿足輸入和輸出側(cè)電氣隔離需求，同時(shí)降低了輸入端雷擊浪涌和其他輸入電子干擾對數(shù)字信號處理器的影響，提高了使用的可靠性。在更新程序時(shí)沒有輸入側(cè)帶電安全問題，簡化了更新設(shè)計(jì)的流程和降低了操作風(fēng)險(xiǎn)。
[0016]將PFC級和LLC的交流輸入側(cè)采樣信號通過高壓隔離傳輸裝置傳輸?shù)街绷鬏敵鰝?cè)兩級轉(zhuǎn)換器的控制單元集成到一個(gè)數(shù)字信號處理器，輸出側(cè)信號可直接采樣。在一個(gè)數(shù)字信號處理器里將PFC和LLC的輸入信號進(jìn)行優(yōu)化和計(jì)算后，在通過高壓隔離驅(qū)動器將直流輸出側(cè)數(shù)字信號處理器的輸出控制信號傳輸?shù)捷斎雮?cè)PFC級和LLC級，完成整個(gè)環(huán)路控制。不僅具有數(shù)字控制相對于模擬芯片的一致性好、效率高、更新設(shè)計(jì)容易等優(yōu)點(diǎn)，還在區(qū)別于其它數(shù)字信號處理器，以數(shù)字控制技術(shù)配合可以信號高壓隔離傳輸裝置使所有控制歸于一個(gè)數(shù)字信號處理器內(nèi)部進(jìn)行處理，使得這個(gè)電源變換器具備在根據(jù)不同輸入電壓輸入條件下，進(jìn)行效率工作，而沒有高頻信號傳輸問題；計(jì)算冗余的減少，數(shù)字信號處理器的減少帶來成本降低，便于量產(chǎn)；數(shù)字信號處理器輸出側(cè)的位置避免了數(shù)字信號處理器在輸入側(cè)雷擊和電壓浪涌帶來損壞的風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品的可靠性；也避免了輸入側(cè)程序更新帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)；減少生產(chǎn)流程中程序輸入的次數(shù)，降低工時(shí)，提高生產(chǎn)效率。
[0017]相對于模擬控制芯片，具有溫度特性穩(wěn)定，一致性高，更新設(shè)計(jì)容易實(shí)現(xiàn)，且無操作人為損壞危險(xiǎn)，可根據(jù)輸入輸出電壓和負(fù)載條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高效率，平滑負(fù)載效率曲線。相對于2片數(shù)字信號處理器分別控制PFC和LLC，減少了數(shù)字信號處理器之間通信耗費(fèi)大量的芯片資源，減少數(shù)字信號處理器在輸入側(cè)的雷擊以及電網(wǎng)浪涌和其它輸入干擾的損壞危險(xiǎn)，避免輸入側(cè)PFC數(shù)字信號處理器無法進(jìn)行直接帶電操作的觸電危險(xiǎn)，避免數(shù)字信號處理器之間通信容易受到電磁干擾的影響。
[0018]通過對多種電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用單一數(shù)字信號處理器方案實(shí)現(xiàn)高可靠性，整機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率超過96 %，具有20 %到100 %負(fù)載狀態(tài)效率變化小于I %的平滑效率曲線。在低輸入電壓下也有很好的效率表現(xiàn)和熱平衡。此外器件成本得到降低，生產(chǎn)工藝得到簡化。
[0019]需要強(qiáng)調(diào)的是:以上僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.全數(shù)字控制大功率交直流變換器，其特征在于:包括交流輸入濾波器、功率因素校正轉(zhuǎn)換器、LLC轉(zhuǎn)換器和直流輸出濾波器，交流輸入濾波器的輸出端連接功率因素校正轉(zhuǎn)換器的輸入端，功率因素校正轉(zhuǎn)換器的輸出端連接LLC轉(zhuǎn)換器的輸入端，LLC轉(zhuǎn)換器的輸出端連接直流輸出濾波器的輸入端，直流輸出濾波器的輸出端接至直流輸出端，交流輸入濾波器的輸入信號端和功率因素校正轉(zhuǎn)換器的輸入信號端均連接高壓隔離信號傳輸裝置，高壓隔離信號傳輸裝置連接數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器連接高壓隔離驅(qū)動器，高壓隔離驅(qū)動器分別與功率因素校正轉(zhuǎn)換器和LLC轉(zhuǎn)換器控制連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字控制大功率交直流變換器，其特征在于:所述LLC轉(zhuǎn)換器和直流輸出端分別與數(shù)字信號處理器相連。
【文檔編號】H02M7/02GK103683974SQ201310672518
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月12日
【發(fā)明者】章磊, 步宏飛 申請人:安伏（蘇州）電子有限公司