電力轉換器以及提高其效率的方法

文檔序號：7381770閱讀：147來源：國知局

電力轉換器以及提高其效率的方法
【專利摘要】公開了一種電力轉換器和提高其效率的方法。一種多級電力轉換器包括被配置成提供調節(jié)后輸出電壓的預調節(jié)器電路、至少一個DC/DC轉換器以及與預調節(jié)器電路和DC/DC轉換器耦合的控制電路。DC/DC轉換器被配置成將輸出電壓和輸出電流提供到負載。DC/DC轉換器包括輸入、輸出以及至少一個電力開關。DC/DC轉換器的輸入耦合到預調節(jié)器電路?？刂齐娐繁慌渲贸烧{節(jié)DC/DC轉換器的輸出電壓，并且根據(jù)DC/DC轉換器的輸出電流來改變預調節(jié)器電路的調節(jié)后輸出電壓。
【專利說明】電力轉換器以及提高其效率的方法
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求在2013年4月11日提交的美國臨時申請第61/810, 825號的權益。以上申請的全部公開內容通過引用合并在本文中。

【技術領域】
[0003] 本公開內容涉及電力轉換器以及提高該電力轉換器的效率的方法。

【背景技術】
[0004] 本部分提供了與本公開內容相關的背景信息，其未必是現(xiàn)有技術。
[0005] 典型的LLC諧振轉換器包括電力開關以及調整電力開關的切換頻率以調節(jié)LLC諧振轉換器的輸出電壓的控制電路。優(yōu)選地，LLC諧振轉換器在臨界非連續(xù)導通模式下工作，使得在每個切換時段的無限小時間量內通過LLC諧振轉換器中的諧振元件(例如，通常稱為諧振電感器Lr以及諧振電容器Cr)的電流為零。因此，可以以零電流切換電力開關從而優(yōu)化LLC諧振轉換器的效率。為了實現(xiàn)臨界非連續(xù)導通模式，電力開關的切換頻率基本上等于諧振元件的諧振頻率。
[0006] 通常，LLC諧振轉換器被設計成當負載在固定的負載狀況(例如，50%的負載等)下工作時，在臨界非連續(xù)導通模式下工作。這確保了在如上說明的調節(jié)LLC諧振轉換器的輸出電壓時基本上不調整電力開關的切換頻率。

【發(fā)明內容】

[0007] 本部分提供本公開內容的大體概要，而并非是其全部范圍或其全部特征的全面公開。
[0008] 根據(jù)本公開內容的一個方面，一種多級電力轉換器包括被配置成提供調節(jié)后輸出電壓的預調節(jié)器電路、至少一個LLC諧振轉換器以及與預調節(jié)器電路和LLC諧振轉換器耦合的控制電路。LLC諧振轉換器被配置成將輸出電壓和輸出電流提供到負載。LLC諧振轉換器包括輸入、輸出、一個或多個諧振元件以及至少一個電力開關。LLC諧振轉換器的輸入耦合到預調節(jié)器電路?？刂齐娐繁慌渲贸烧{節(jié)LLC諧振轉換器的輸出電壓并且根據(jù)LLC諧振轉換器的輸出電流來改變預調節(jié)器電路的調節(jié)后輸出電壓。
[0009] 根據(jù)本公開內容的另一個方面，一種多級電力轉換器包括被配置成提供調節(jié)后輸出電壓的預調節(jié)器電路、至少一個DC/DC轉換器以及與預調節(jié)器電路和DC/DC轉換器耦合的控制電路。DC/DC轉換器被配置成將輸出電壓和輸出電流提供到負載。DC/DC轉換器包括輸入、輸出以及至少一個電力開關。DC/DC轉換器的輸入耦合到預調節(jié)器電路?？刂齐娐?被配置成調節(jié)DC/DC轉換器的輸出電壓并且根據(jù)DC/DC轉換器的輸出電流來改變預調節(jié)器電路的調節(jié)后輸出電壓。
[0010] 根據(jù)本公開內容的另一個方面，公開了一種操作DC/DC轉換器的方法。DC/DC轉換器被配置成接收來自預調節(jié)器電路的調節(jié)后輸出電壓。方法包括調節(jié)DC/DC轉換器的輸出電壓以及根據(jù)DC/DC轉換器的輸出電流來改變預調節(jié)器電路的調節(jié)后輸出電壓。
[0011] 根據(jù)本文中提供的描述，另外的方面和可應用領域將變得明顯。應當理解，可以單獨地或結合一個或多個其它方面來實現(xiàn)本公開內容的各個方面。還應當理解，本文中的描述和具體示例僅意在用于說明目的，而并非意在限制本公開內容的范圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 本文中描述的附圖僅用于對所選擇的實施例而并非是所有可能的實現(xiàn)的說明目的，并且并非意在限制本公開內容的范圍。
[0013] 圖1是根據(jù)本公開內容的一個示例實施例的包括預調節(jié)器電路和LLC諧振轉換器的多級電力轉換器的框圖。
[0014] 圖2是根據(jù)另一個示例實施例的包括預調節(jié)器電路和LLC半橋諧振轉換器的多級電力轉換器的示意圖。
[0015] 圖3是示出了圖2的LLC半橋諧振轉換器的輸出電容器中的紋波電流的曲線圖。
[0016] 圖4是示出了使用固定輸入電壓的LLC諧振轉換器的效率和使用可變輸入電壓的 LLC諧振轉換器的效率的曲線圖。
[0017] 圖5是示出了圖2的LLC半橋諧振轉換器的傳遞函數(shù)的增益曲線的曲線圖。
[0018] 圖6是示出了柵極驅動信號和流過圖2的LLC半橋諧振轉換器的電流的曲線圖。
[0019] 圖7是根據(jù)另一個示例實施例的包括預調節(jié)器電路和LLC半橋諧振轉換器的多級電力轉換器的示意圖。
[0020] 圖8是根據(jù)另一個示例實施例的包括預調節(jié)器電路、LLC半橋諧振轉換器以及包括數(shù)字電路的控制電路的多級電力轉換器的示意圖。
[0021] 圖9是根據(jù)另一個示例實施例的包括PFC AC/DC轉換器、圖8的LLC半橋諧振轉換器以及包括數(shù)字電路的控制電路的多級電力轉換器的示意圖。
[0022] 圖10是示出了使用固定輸入電壓的多級電力轉換器的效率和圖9的多級電力轉換器的效率的曲線圖。
[0023] 圖11是根據(jù)另一個示例實施例的包括示出為分立電路的預調節(jié)器、LLC半橋諧振轉換器以及控制電路的多級電力轉換器的示意圖。
[0024] 圖12是示出了使用固定輸入電壓的LLC半橋諧振轉換器中的紋波電流和使用可變輸入電壓的LLC半橋諧振轉換器的紋波電流的曲線圖。
[0025] 圖13是示出了圖12的紋波電流的增長百分比的曲線圖。
[0026] 圖14是根據(jù)另一個示例實施例的包括預調節(jié)器電路和DC/DC轉換器的多級電力轉換器的框圖。
[0027] 圖15是根據(jù)另一個示例實施例的包括兩個LLC半橋諧振轉換器的交織轉換器的示意圖。
[0028] 圖16是根據(jù)另一個示例實施例的包括LLC全橋諧振轉換器的多級電力轉換器的示意圖。
[0029] 圖17是根據(jù)另一個示例實施例的包括兩個LLC全橋諧振轉換器的交織轉換器的示意圖。
[0030] 貫穿附圖的若干視圖，對應的附圖標記表示對應的部分。

【具體實施方式】
[0031] 現(xiàn)在將參照附圖來更充分地描述示例實施例。
[0032] 提供了示例實施例使得本公開內容將是全面的，并且向本領域技術人員充分傳達范圍。闡述了諸多特定細節(jié)，諸如特定部件、設備以及方法的示例，以提供對本公開內容的實施例的全面理解。對本領域技術人員明顯的是，無需采用特定細節(jié)，示例實施例可以以許多不同形式來體現(xiàn)，并且也不應當被解釋為限制本公開內容的范圍。在一些示例實施例中，未詳細描述公知的處理、公知的設備結構以及公知的技術。
[0033] 本文中使用的術語僅用于描述具體示例實施例的目的，而不意在進行限制。如本文中所使用的，單數(shù)形式"一（a)"、"一個（an)"以及"所述（the)"可以意在還包括復數(shù)形式，除非上下文另外清楚地說明。術語"包含（comprises )"、"包括（comprising) "、"含有 (including)"以及"具有（having)"是包括性的，因此指定了所陳述的特征、整體、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或增加一個或多個其它特征、整體、步驟、操作、元件、部件和/或其分組。本文中描述的方法步驟、處理以及操作不應當被解釋為必須要求按照討論或示出的具體順序來執(zhí)行，除非被具體標識為執(zhí)行的順序。還應當理解，可以采用另外的或替代的步驟。
[0034] 盡管本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件、部件、區(qū)域、層和/ 或部分，但是這些術語不應當限制這些元件、部件、區(qū)域、層和/或部分。這些術語可以只是用于區(qū)分一個元件、部件、區(qū)域、層或部分與另一個區(qū)域、層或部分。諸如"第一"、"第二"和其它數(shù)字性術語的術語在用在本文中時不暗示次序或順序，除非上下文清楚地說明。因此，下面討論的第一元件、部件、區(qū)域、層或部分可以被稱為第二元件、部件、區(qū)域、層或部分，而不會偏離示例實施例的教導。
[0035] 為了易于描述，本文中可以使用諸如"內部"、"外部"、"下面"、"下方"、"以下"、"上方"、"以上"等的空間相對術語，以描述如在圖中所示的一個元件或特征與其它(一個或多個）元件或(一個或多個）特征的關系?？臻g相對術語可以旨在包含除了圖中所描繪的方位之外的使用或操作中的設備的不同方位。例如，如果將圖中的設備翻過來，則被描述為其它元件或特征"下方"或"下面"的元件可以被定位在其它元件或特征的"上方"。因此，示例性術語"下方"可以包含上方和下方的方位二者?？梢粤硗獾囟ㄎ辉O備(被旋轉90度或者在其它方位上)，并且相應地解釋本文中所使用的空間相對描述。
[0036] 圖1中示出了根據(jù)本公開內容的一個示例實施例的多級電力轉換器并且一般用附圖標記100來表示該多級電力轉換器。如圖1所示，多級電力轉換器100包括預調節(jié)器電路102、LLC諧振轉換器104以及與預調節(jié)器電路102和LLC諧振轉換器104耦合的控制電路112。LLC諧振轉換器包括輸入106、輸出108、一個或多個諧振元件（圖1中未示出）以及電力開關110。LLC諧振轉換器104的輸入106耦合到預調節(jié)器電路102。預調節(jié)器電路 102向LLC諧振轉換器104提供調節(jié)后輸出電壓。LLC諧振轉換器104將輸出電壓和輸出電流提供到負載（圖1中未示出）。
[0037] 控制電路112調節(jié)LLC諧振轉換器104的輸出電壓并且根據(jù)LLC諧振轉換器104 的輸出電流來改變預調節(jié)器電路102的調節(jié)后輸出電壓。通過這樣控制預調節(jié)器電路102 和LLC諧振轉換器104, LLC諧振轉換器104可以基本上在期望的模式下工作。例如，根據(jù) 設計、負載狀況等，LLC諧振轉換器104可以基本上在臨界非連續(xù)導通模式(如本文中所稱的)、連續(xù)導通模式等下工作。由于基本上在期望的模式(例如，臨界非連續(xù)導通模式）下工作，所以可以在零電流狀況下接通和/或斷開電力開關110 (以及LLC諧振轉換器中的其它電力開關）從而優(yōu)化LLC諧振轉換器104的效率。
[0038] 在一些情況下，LLC諧振轉換器104可包括一個或多個具有電阻部件的部件。這些電阻部件引起LLC諧振轉換器104中的電壓降。因此，為了調節(jié)LLC諧振轉換器104的輸出電壓，可以調整電力開關110的切換頻率來補償電壓降。然而，通過調整切換頻率，因為經(jīng)調整的切換頻率可能與LLC諧振轉換器104的諧振頻率不同，所以LLC諧振轉換器104 可能不再在臨界非連續(xù)導通模式下工作。因此，可能不能實現(xiàn)電力開關110的零電流切換。
[0039] 代替地，控制電路112可以以基本上固定的切換頻率來切換電力開關110,并根據(jù) LLC諧振轉換器104的輸出電流來改變預調節(jié)器電路102的調節(jié)后輸出電壓（以及由此改變 LLC諧振轉換器104的輸入電壓)。這可以補償由LLC諧振轉換器104中的電阻部件引起的電壓降。因此，LLC諧振轉換器104可以基本上在期望的模式(例如，臨界非連續(xù)導通模式等）下工作，并且因此可以實現(xiàn)電力開關110 (以及LLC諧振轉換器中的其它電力開關）的零電流切換。
[0040] 另外地，與LLC諧振轉換器104耦合的負載的負載狀況可以例如從半負載變化至全負載。負載狀況的這種變化可以引起來自LLC諧振轉換器104的輸出電流增大。因此，可以根據(jù)LLC諧振轉換器104的該增大的輸出電流來改變(例如，增大）預調節(jié)器電路102 的調節(jié)后輸出電壓?？商娲?，可以根據(jù)LLC諧振轉換器104的減小的輸出電流來減小預調節(jié)器電路102的調節(jié)后輸出電壓。
[0041] 在圖1的示例中，控制電路112經(jīng)由LLC諧振轉換器104的信號114來接收感測參數(shù)。感測參數(shù)可以包括LLC諧振轉換器104的感測輸出電壓和/或感測輸出電流。另外地和/或可替代地，控制電路112可接收來自LLC諧振轉換器104的其它的感測參數(shù)、來自預調節(jié)器電路102的感測參數(shù)等。例如，控制電路112可以接收LLC諧振轉換器104的感測輸入電流和/或電壓。
[0042] 另外地，控制電路112將信號116提供到預調節(jié)器電路102并將信號118提供到 LLC諧振轉換器104。信號116可以控制預調節(jié)器電路102中的開關(未示出）以如上所說明的根據(jù)LLC諧振轉換器104的輸出電流來改變預調節(jié)器電路102的調節(jié)后輸出電壓。信號118可以用來控制電力開關110以調節(jié)LLC諧振轉換器104的輸出電壓。
[0043] 如上所說明的，根據(jù)LLC諧振轉換器104的輸出電流來改變預調節(jié)器電路102的調節(jié)后輸出電壓。例如，可以與LLC諧振轉換器104的輸出電流成比例地或以LLC諧振轉換器104的輸出電流的任何其它適合的函數(shù)來改變預調節(jié)器電路102的調節(jié)后輸出電壓。
[0044] LLC諧振轉換器104可以是具有一個電力開關(如圖1所示)或多于一個的電力開關的任意適合的諧振切換電力轉換器。
[0045] 圖2示出了包括預調節(jié)器電路202、LLC諧振轉換器204以及控制電路212的一個示例多級電力轉換器200。如圖2所示，LLC諧振轉換器204的輸入耦合到預調節(jié)器電路 202的輸出，并且LLC諧振轉換器204的輸出耦合到負載(示出為電阻器Ro).
[0046] LLC諧振轉換器204可以包括與LLC諧振轉換器204的輸入和輸出耦合的濾波器。例如，如圖2所示，電容器Cin耦合跨越LLC諧振轉換器204的輸入并且電容器Co耦合跨越LLC諧振轉換器204的輸出。可替代地，可以在不脫離本公開內容的范圍的情況下使用具有不同的和/或另外的濾波元件的任何適合的濾波器。
[0047] 如圖2的示例實施例所示，LLC諧振轉換器204是具有與整流電路206耦合的變壓器TX1的半橋轉換器。LLC諧振轉換器204包括與變壓器TX1的初級繞組P1耦合的電力開關Ql、Q2。變壓器TX1的次級繞組S1經(jīng)由整流電路206耦合到LLC諧振轉換器204的輸出。
[0048] 整流電路206是中心抽頭式全波整流器，并且包括二極管D1、D2、D3、D4。盡管圖2的示例示出整流電路206為包括二極管整流器，但是可以使用同步整流器FET (例如， M0SFET)來進一步提高效率。在該情況下，可以如上所說明的實現(xiàn)M0SFET的零電流切換。
[0049] 在圖2的示例中，用電感器Lm來表示變壓器TX1的磁化電感。另外地，LLC諧振轉換器204可以使用與初級繞組P1耦合的其它的諧振元件。在圖2的示例中，LLC諧振轉換器204包括分別與電力開關Q1、Q2耦合的電容器CR1、CR2以及(經(jīng)由變壓器TX1的初級繞組P1)耦合在電容器CR1、CR2與電力開關Ql、Q2之間的電感器Lr。
[0050] 為清楚起見，電感器Lr被示出為與變壓器TX1獨立的外部電感器。然而，應當明顯的是，電感器Lr可以包括獨立的外部電感(例如，來自電感器）以及來自變壓器TX1的漏電感和/或寄生電感。
[0051] 諧振元件(例如，變壓器TX1的磁化電感、電容器CR1、CR2、電感器Lr等)可以是根據(jù)期望的結果的任何適合的值。例如，每個諧振元件的值可以足以引起LLC諧振轉換器204 的電力開關Ql、Q2的零電流切換。
[0052] 在圖2的示例中，控制電路212可以經(jīng)由LLC諧振轉換器204的反饋信號208來調節(jié)LLC諧振轉換器204的輸出電壓，并且可以部分地基于LLC諧振轉換器204的反饋信號208來改變預調節(jié)器電路202的調節(jié)后輸出電壓。如圖2所示，反饋信號208可以是LLC 諧振轉換器204的感測輸出電壓。
[0053] 例如，控制電路212可以通過由誤差放大器Error-Amp2將反饋信號208與表示例如LLC諧振轉換器204的穩(wěn)態(tài)輸出電壓的固定參考電壓210進行比較來調節(jié)LLC諧振轉換器204的輸出電壓。在圖2的示例中，誤差放大器Error-Amp2包括用于補償LLC諧振轉換器204的輸出電壓與固定參考電壓210之間的差的具有反饋的運算放大器(示出為補償塊 230)。誤差放大器Error-Amp2的輸出可以被提供到提供控制電路212的初級側與次級側之間的隔離的光耦合器電路塊214。
[0054] 如圖2所示，光耦合器電路塊214的輸出可以被提供到壓控振蕩器（VC0) 216,該壓控振蕩器（VC0) 216將信號提供到電力開關Q1、Q2來調節(jié)LLC諧振轉換器204的輸出電壓。在一些情況下，如下面所進一步說明的，控制電路212可以以改變的切換頻率來切換電力開關Ql、Q2以補償LLC諧振轉換器204的電壓降。
[0055] VC0216還可以向誤差放大器Error-Amp3提供參考反饋電壓220。參考反饋電壓 220可以表示基于與LLC諧振轉換器204耦合的負載的變化(例如，LLC諧振轉換器204的輸出電流的變化）的可變參考。在圖2的示例中，可變參考是電力開關Q1、Q2的切換頻率。可替代地，可以使用任何適合的可變參考，包括例如LLC諧振轉換器204的電流等。
[0056] 誤差放大器Err〇r-Amp3可以將參考電壓220與表示處于特定負載狀況的參數(shù)的固定電壓參考218進行比較。例如電壓參考218可以表示與諧振元件在特定負載狀況(例如，50%負載等)下的諧振頻率相等的切換頻率。該切換頻率例如對應于使LLC諧振轉換器 204能夠在如上所說明的臨界非連續(xù)導通模式下工作的切換頻率。
[0057] 誤差放大器Err〇r-Amp3可以將輸出提供到補償輸入電壓調整塊222,該補償輸入電壓調整塊222針對LLC諧振轉換器204的輸入電壓確定期望的調整。然后，電壓參考調整塊224可以提供可基于補償輸入電壓調整塊222的輸出調整的參考電壓。可以由誤差放大器Error-Ampl將來自電壓參考調整塊224的參考電壓與預調節(jié)器電路202的感測輸出電壓(或LLC諧振轉換器204的輸入電壓）進行比較。
[0058] 然后，誤差放大器Error-Ampl可以將輸出提供到補償預調節(jié)器電路塊226,該補償預調節(jié)器電路塊226然后向PWM驅動器228提供表示預調節(jié)器電路202的輸出電壓的所需調整的信號。然后，PWM驅動器228可以將PWM信號提供到預調節(jié)器電路202中的一個或多個開關(未示出）以與LLC諧振轉換器204的輸出電流成比例地改變預調節(jié)器電路202 的調節(jié)后輸出電壓。因此，如上所說明的，LLC諧振轉換器204可以基本上在臨界非連續(xù)導通模式下工作。因此，可以實現(xiàn)電力開關Q1、Q2的零電流切換從而優(yōu)化LLC諧振轉換器204 的效率。
[0059] 在圖2的示例中，誤差放大器Err〇r-Amp3的控制環(huán)帶寬低于預調節(jié)器電路202和 LLC諧振轉換器204的控制環(huán)帶寬。這確保了與預調節(jié)器電路202和LLC諧振轉換器204 的控制環(huán)相比較慢地執(zhí)行誤差放大器Error-Amp3的控制環(huán)。
[0060] 例如，誤差放大器Err〇r-Amp3的控制環(huán)帶寬可以足夠低以產(chǎn)生預調節(jié)器電路202 和LLC諧振轉換器204的控制環(huán)帶寬與誤差放大器Error-Amp3的控制環(huán)帶寬之間的期望的間隔。該間隔可以有助于避免控制環(huán)之間的相互作用。在一些實施例中，控制環(huán)帶寬之間的期望的間隔可以是約一個十倍頻程。
[0061] 在一些情況下，LLC諧振轉換器204的控制環(huán)帶寬可以高于預調節(jié)器202的控制環(huán)帶寬。例如，LLC諧振轉換器204的控制環(huán)帶寬可以是約3kHz到約5kHz，而預調節(jié)器電路202的控制環(huán)帶寬可以是約10Hz。因此，例如在改變負載狀況期間與預調節(jié)器電路202 的控制環(huán)相比較快地執(zhí)行LLC諧振轉換器204的控制環(huán)。在該情況下，可以調整電力開關 Ql、Q2的切換頻率來將LLC諧振轉換器的輸出電壓調節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)。然后，可以調整預調節(jié)器電路202的調節(jié)后輸出電壓直到切換頻率被重新調整至諧振頻率(或如下所進一步說明的參考頻率）為止。
[0062] 與例如在非連續(xù)導通模式下相比，通過基本上在臨界非連續(xù)導通模式下操作LLC 諧振轉換器204,以較低的RMS電流實現(xiàn)電力開關Q1、Q2的零電流切換。另外地，通過在臨界非連續(xù)導通模式下操作，可以減小電容器Co中的RMS紋波電流。例如，如圖3所示，與當 LLC諧振轉換器204在非連續(xù)導通模式下工作時相比，當LLC諧振轉換器204在臨界非連續(xù)導通模式下工作時的電容器Co中的紋波電流較低。在一些情況下，相對于非連續(xù)導通模式，當LLC諧振轉換器204在臨界非連續(xù)導通模式下工作時，電容器Co中的紋波電流可以低約20%。
[0063] 返回參照附圖2,由于一些功率調節(jié)需要在半（S卩，50%)負載下的峰值效率，因此可以將LLC諧振轉換器204設計成在半負載下在臨界非連續(xù)導通模式下工作。例如，當LLC 諧振轉換器204在半負載下在臨界非連續(xù)導通模式下工作時的電力開關Q1、Q2的切換頻率可以是參考頻率，并且由圖2的電壓參考調整塊224提供的可調整參考電壓可以是標稱值。
[0064] 當LLC諧振轉換器204在滿載（即，100%)下工作時，可調整參考電壓可能增大(例如，由于LLC諧振轉換器204的輸出電流的增大)，這從而增大了預調節(jié)器電路202的調節(jié) 后輸出電壓(例如與增大的輸出電流成比例)。預調節(jié)器電路202的調節(jié)后輸出電壓(或LLC 諧振轉換器204的輸入電壓）的增大可以補償LLC諧振轉換器的電壓降(如上所說明的）。
[0065] 可替代地，當LLC諧振轉換器204在無負載（0%)下工作時，可調整參考電壓可能減?。ɡ?，由于LLC諧振轉換器204的輸出電流的減小)，這從而減小了預調節(jié)器電路202 的調節(jié)后輸出電壓。
[0066] 因此，通過調整預調節(jié)器電路202的調節(jié)后輸出電壓(或LLC諧振轉換器204的輸入電壓)，電力開關Q1、Q2的切換頻率可以幾乎是固定的并且基本上等于在不同負載狀況的范圍內的諧振頻率。因此，如上所說明的，LLC諧振轉換器204可以貫穿不同負載狀況的范圍繼續(xù)基本上在臨界非連續(xù)導通模式下工作，從而優(yōu)化了 LLC諧振轉換器204的效率。
[0067] 可替代地，如果可以通過在例如連續(xù)導通模式下操作LLC諧振轉換器204來實現(xiàn) 較高的效率，則在特定負載狀況下的對應的切換頻率可以是參考頻率。在一些情況下，如果在連續(xù)導通模式下操作LLC諧振轉換器204則可以提高效率。這可能是由于在連續(xù)導通模式期間觀測到的電力開關Q1、Q2中的較低的RMS電流。
[0068] 圖4是示出在20%到100%的負載狀況下使用固定輸入電壓的LLC諧振轉換器的效率和使用可變輸入電壓的LLC諧振轉換器(例如，圖2的轉換器204)的效率的曲線圖。如圖4所示，使用可變輸入電壓的LLC諧振轉換器的效率通常高于使用固定輸入電壓的LLC 諧振轉換器的效率。
[0069] 圖5示出了 LLC諧振轉換器204的傳遞函數(shù)的示例增益曲線500。下式（1)是LLC 諧振轉換器204的示例傳遞函數(shù)。 Vo M(fsw) … I till / II I .................... % % f Vin 2n "
[0071] 在示例式（1)中，Vo是LLC諧振轉換器204的輸出電壓，Vin是LLC諧振轉換器 204的輸入電壓，η是變壓器TX1的匝數(shù)比，以及M(fsw)是作為電力開關Q1、Q2的切換頻率的函數(shù)的電壓轉換率。如本領域內技術人員通常所知的，M(fsw)可以是包括例如LLC諧振轉換器204的品質（Q)因數(shù)、電感器Lm相對于電感器Lr的比率、諧振頻率相對于切換頻率的比率等的多個參數(shù)的函數(shù)。
[0072] 如圖5所示，增益與歸一化切換頻率成反比例。例如，如果歸一化切換頻率降低則增益增大(反之亦然)。另外地，當歸一化切換頻率與諧振頻率相等時增益是一（1 )。
[0073] 圖6示出了示例柵極驅動信號、流過變壓器TX1的初級繞組P1的電流的示例波形以及流過圖2的變壓器TX1的次級繞組S1的電流的示例波形。如圖6所示，可以以零電流或者接近零電流切換電力開關Q1、Q2以及在變壓器TX1的次級側的開關(例如，在整流電路 206中的開關)。
[0074] 圖7示出了包括LLC諧振轉換器704、控制電路712以及圖2的預調節(jié)器電路202 的另一個示例多級電力轉換器700。LLC諧振轉換器704基本上類似于圖2的LLC諧振轉換器204。然而，LLC諧振轉換器704包括用于監(jiān)測LLC諧振轉換器704中的電流的電流傳感器716。在圖7的示例中，電流傳感器716位于變壓器TX1的初級繞組P1與電力開關 Q1、Q2之間來感測初級繞組P1中流動的電流?？商娲兀娏鱾鞲衅骺梢晕挥谌魏芜m合的位置來感測LLC諧振轉換器704中的期望的電流(例如，輸出電流)。
[0075] 控制電路712基本上類似于圖2的控制電路212。然而，控制電路712經(jīng)由電流傳感器716來監(jiān)測電流(塊714)。如圖7所示，電流監(jiān)測塊714可以將輸出提供到誤差放大器 Error-Amp3。監(jiān)測的電流可以表示基于與LLC諧振轉換器704耦合的負載(在圖7中示出為電阻R〇)的變化的可變參考。在圖7的示例中，所監(jiān)測（經(jīng)由電流傳感器716)的電流是與LLC諧振轉換器704的輸出電流成比例的電流?？商娲?，所監(jiān)測的電流可以是LLC諧振轉換器704中的輸出電流或任何其它的適合電流。
[0076] 如圖7所示，誤差放大器Error-Amp3可以將電流監(jiān)測塊714的輸出與如上所說明的表示在特定負載狀況下的參數(shù)的固定電壓參考218進行比較。然后，誤差放大器 Err〇r-Amp3可以如上所說明的將輸出提供到補償輸入電壓調整塊222,該補償輸入電壓調整塊222針對LLC諧振轉換器704的輸入電壓確定期望的調整。
[0077] 圖8示出了包括LLC諧振轉換器804、控制電路812以及圖2的預調節(jié)器電路202 的另一個示例多級功率放大器800。如圖8所示，LLC諧振轉換器804是具有與整流電路 806耦合的變壓器TX1的半橋轉換器。LLC諧振轉換器804包括與變壓器TX1的初級繞組 P1耦合的電力開關Q2、Q3。變壓器TX1的次級繞組S1、S2經(jīng)由整流電路806耦合到LLC諧振轉換器804的輸出。整流電路806是中心抽頭式全波整流器并且包括二極管Dl、D2。
[0078] 盡管圖8的示例示出整流電路806為包括二極管整流器，但是可以使用同步整流器FET (例如，M0SFET)來進一步提高效率。在該情況下，可以如上所說明的實現(xiàn)M0SFET的零電流切換。
[0079] LLC諧振轉換器804包括與LLC諧振轉換器804的輸入和輸出耦合的電容器濾波器。例如，如圖8所示，電容器C1耦合跨越LLC諧振轉換器804的輸入并且電容器C2耦合跨越LLC諧振轉換器804的輸出。
[0080] 另外地并且如上所說明的，LLC諧振轉換器804包括與初級繞組P1耦合的諧振元件。在圖8的示例中，LLC諧振轉換器804包括分別耦合到電力開關Q2、Q3的電容器CR1、 CR2以及(經(jīng)由初級繞組P1)耦合在電力開關Q2、Q3與電容器CR1、CR2之間的電感器Lr。
[0081] 在圖8的示例中，控制電路812包括LLC數(shù)字控制電路808和預調節(jié)器控制電路 810。由控制電路808經(jīng)由LLC諧振轉換器804的反饋信號來調節(jié)LLC諧振轉換器804的輸出電壓，并且由控制電路810部分地基于LLC諧振轉換器804的反饋信號來改變預調節(jié) 器電路202的調節(jié)后輸出電壓。
[0082] 例如，控制電路808 (經(jīng)由電壓傳感器Vsense)接收LLC諧振轉換器804的感測輸出電壓?？梢杂烧`差放大器814將感測輸出電壓與固定參考電壓Vrefl進行比較。固定參考電壓Vrefl表不LLC諧振轉換器804的穩(wěn)態(tài)輸出電壓。誤差放大器814的輸出可以由PI 控制器來處理并且被提供到壓控振蕩器VC0。
[0083] 壓控振蕩器VC0可以向控制電路812的驅動器816提供脈沖。來自壓控振蕩器 VC0的脈沖可以具有與誤差放大器814的經(jīng)處理的輸出成反比例的頻率。這樣，誤差放大器814的經(jīng)處理的輸出可以表示可以改變以調節(jié)LLC諧振轉換器804的輸出電壓的切換頻率。
[0084] 驅動器816可以經(jīng)由隔離變壓器818 (以及緩沖器)將信號輸出到電力開關Q2、Q3 以控制電力開關Q2、Q3的切換。
[0085] 如圖8所示，誤差放大器814的經(jīng)處理的輸出還可以被提供到誤差放大器820。誤差放大器820將誤差放大器814的經(jīng)處理的輸出與表示與在特定負載狀況(例如，50%負載等)下的諧振元件的諧振頻率相等的切換頻率的電壓參考Vfreq進行比較。誤差放大器820 的輸出被處理并且然后被提供到預調節(jié)器控制電路810?；谡`差放大器820的經(jīng)處理的輸出以及感測參數(shù)(例如，預調節(jié)器控制電路202的輸出電壓和/或電流)，預調節(jié)器控制電路810生成一個或多個信號來控制預調節(jié)器電路202的一個或多個開關(未示出）。
[0086] 圖9示出了包括預調節(jié)器電路902、控制電路912以及圖8的LLC諧振轉換器804 的另一個示例多級電力轉換器900。在圖9的示例中，預調節(jié)器電路902是PFC AC/DC轉換器。預調節(jié)器電路902包括以升壓轉換器拓撲來設置的電感器L1、電力開關Q1以及二極管 D1。預調節(jié)器電路902還包括輸入904、與輸入904耦合的EMI濾波器906、在電感器L1與 EMI濾波器906之間的整流器908以及耦合跨越預調節(jié)器電路902的輸出的電容器C1。
[0087] 在圖9的示例中，控制電路912包括圖8的用于調節(jié)LLC諧振轉換器804的輸出電壓的LLC數(shù)字控制電路808。為清楚起見，控制電路808的一些部件未在圖9示出?？刂?電路912還包括PFC數(shù)字控制電路910。PFC數(shù)字控制電路910包括PWM驅動器922、四個誤差放大器914、916、918、920以及兩個PI控制器。
[0088] 誤差放大器814 (以上所說明的）的經(jīng)處理的輸出可以被提供到誤差放大器914。誤差放大器914將誤差放大器814的經(jīng)處理的輸出與表示與在特定負載狀況(例如，50%負載等）下的諧振元件的諧振頻率相等的切換頻率的電壓參考Vfreq進行比較。誤差放大器 914的輸出被處理并且被提供到誤差放大器916,該誤差放大器916將誤差放大器914的輸出與電壓參考Vref_pf C進行比較。誤差放大器916的輸出被提供到誤差放大器918,該誤差放大器918將預調節(jié)器電路902的感測輸出電壓與誤差放大器916的輸出進行比較。
[0089] 如圖9所示，誤差放大器918的輸出可以被處理并且然后（經(jīng)由乘法器924)與預調節(jié)器電路902的感測整流輸入電壓相乘。誤差放大器920可以將預調節(jié)器電路902的感測電感器電流與乘法器924的輸出進行比較。誤差放大器920的輸出可以被處理并且被提供到PWM驅動器922,該PWM驅動器922生成信號來控制預調節(jié)器電路902的電力開關Q1。因此，并且如上所說明的，可以改變預調節(jié)器電路902的調節(jié)后輸出電壓。
[0090] 例如，當預調節(jié)器電路902的調節(jié)后輸出電壓(或LLC諧振轉換器804的輸入電壓）減小時，LLC諧振轉換器804的輸出電壓會減小。因此，誤差放大器814的輸出將變?yōu)楦?的正數(shù)(例如，感測輸出電壓與固定參考電壓Vrefl之間的差增大)。從而，誤差放大器914、 916、918、920的輸出也變?yōu)楦蟮恼龜?shù)。因此，來自PWM驅動器922的信號被調整并且預調節(jié)器電路902的調節(jié)后輸出電壓會增大。
[0091] 該處理可以繼續(xù)直到壓控振蕩器VC0的頻率基本上等于參考頻率同時LLC諧振轉換器804的輸出電壓被調節(jié)至由固定參考電壓Vrefl設定的電壓為止。例如，如上所說明的，該參考頻率可以是當LLC諧振轉換器804在半負載（50%)下在臨界非連續(xù)導通模式下工作時的電力開關Q2、Q3的切換頻率。
[0092] 可替代地，可以在需要時使用模擬方法。例如，提供給電力開關Q2、Q3的信號的導通時間可以變化，同時死區(qū)時間可以保持恒定。如上所說明的，為了實現(xiàn)臨界非連續(xù)導通模式，電力開關Q2、Q3的切換頻率可以基本上等于LLC諧振轉換器804中的諧振元件的諧振頻率。在諧振頻率處，信號的導通時間可以基本上等于諧振元件的諧振時間的大約一半。這轉換成信號的具體占空比（即，導通時間/總時段）使得轉換器804可以在臨界非連續(xù)導通模式下工作。
[0093] 例如，可以將LLC諧振轉換器804設計成在具體的線路和負載狀況(例如，半負載）下在臨界非連續(xù)導通模式下工作。如果諧振元件的諧振時間是大約4. 5微秒并且信號的死區(qū)時間是大約〇. 5微秒，則電力開關Q2、Q3可以具有約45%的占空比使得轉換器804在臨界非連續(xù)導通模式下工作。因此，電力開關Q2、Q3可需要具體占空比(例如，45%)使得轉換器804在具體的負載狀況(例如，半負載）下在臨界非連續(xù)導通模式下工作。
[0094] 如果兩個信號（具有45%的占空比）被提供給"或"門，則可以在該具體的負載狀況下實現(xiàn)具有90%的占空比的結果信號。該結果信號可以被提供到平均濾波器，該平均濾波器可以輸出VccXO. 9的固定DC電壓。Vcc可以是例如用于驅動器1C的恒定DC偏置供給電壓。平均濾波器的該輸出（即，固定DC電壓）可以在閉環(huán)模式下由控制電路使用。 [0095] 因為已知在臨界非連續(xù)導通模式下(在具體負載狀況下)操作轉換器804所需要的具體占空比，所以可以使用誤差放大器來改變預調節(jié)器電路902的調節(jié)后輸出電壓。例如，誤差放大器可以將固定DC電壓(例如，VccXO. 9的固定DC電壓）與可以基于電力開關Q2、 Q3的占空比改變的平均濾波器的輸出進行比較。可以使用誤差放大器的輸出來改變預調節(jié) 器電路902的調節(jié)后輸出電壓。這可以有助于保持電力開關Q2、Q3的占空比基本上等于在臨界非連續(xù)導通模式下操作轉換器804所需要的具體占空比。
[0096] 圖10是示出兩個750W多級電力轉換器的效率的曲線圖。一個電力轉換器包括圖 9的PFC升壓AC/DC預調節(jié)器電路902以及使用至LLC諧振轉換器的固定輸入電壓的LLC 諧振轉換器。另一個電力轉換器是圖9的多級電力轉換器900。
[0097] 如圖10所示，使用至LLC諧振轉換器的可變輸入電壓的電力轉換器的效率高于另一個電力轉換器的效率。例如，使用可變輸入電壓的電力供給的效率在滿載時（750W )高了 0. 5%并且在半負載（375W)時高了 0. 3%。
[0098] 圖11示出另一個示例多級電力轉換器1000,該多級電力轉換器1000包括：預調節(jié)器1002 (示出為可變電壓源)、LLC諧振轉換器1004以及與預調節(jié)器1002和LLC諧振轉換器1004耦合的控制電路1012。在圖11的示例中，預調節(jié)器1002、LLC諧振轉換器1004 以及控制電路1012被示出為分立電路。電力轉換器1000可以包括與以上所說明的益處相同的益處。
[0099] 控制電路1012包括誤差放大器X2、X4和壓控振蕩器VC0。控制電路1012可以接收來自LLC諧振轉換器1004的感測輸出電壓。誤差放大器X2可以將該感測輸出電壓與固定參考電壓V4進行比較，然后將輸出提供到壓控振蕩器VC0和誤差放大器X4。
[0100] 如圖11的示例所示，壓控振蕩器VC0可以將信號提供到運算放大器E2、E3,運算放大器E2、E3生成信號來控制LLC諧振轉換器1004的電力開關Q1、Q2。從而，可以調節(jié)LLC 諧振轉換器1004的輸出電壓。
[0101] 誤差放大器X4可以將誤差放大器X2的輸出與固定參考電壓V7進行比較。誤差放大器X4的輸出可以被提供到運算放大器E8,該運算放大器E8可以改變預調節(jié)器1002的電壓。
[0102] 本文中所公開的LLC諧振轉換器可以是任何適合的LLC諧振轉換器，其包括例如正激式轉換器、反激式轉換器、橋式轉換器(例如，全橋轉換器或如圖2、7、8、9、11所示的半橋轉換器）等。
[0103] 例如，圖16示出了 LLC全橋轉換器1600,該LLC全橋轉換器1600具有：電力開關 Q1、Q2、Q3、Q4以及如上所述的輸入電容器濾波器C1、變壓器TX1、諧振元件(例如，諧振電感器Lr、諧振電容器Cr、變壓器TX1的磁化電感等)、整流電路和輸出電容器濾波器C2。電力開關Q2、Q3可以在相對于變壓器TX1的初級繞組的點規(guī)定的正半周期期間導通，而電力開關Ql、Q4可以在負半周期期間導通，以為變壓器TX1提供高頻AC電壓。電感元件可以是例如足以引起電力開關Q1、Q2、Q3、Q4以及整流電路中的開關的零電壓和零電流切換（ZVS， ZCS)的任何適合的值。
[0104] 另外，如圖15和圖17所示，兩個LLC諧振轉換器可以并聯(lián)地耦合以形成交織轉換器。圖15的交織轉換器1500包括兩個LLC半橋諧振轉換器，并且圖17的交織轉換器1700 包括兩個LLC全橋諧振轉換器。
[0105] 盡管未示出，但是圖15和圖17的LLC諧振轉換器的輸入可以耦合到本文中所公開的預調節(jié)器電路中的任何一個預調節(jié)器電路。每個交織轉換器的LLC諧振轉換器可以以其之間具有90度相移來工作并且在每個交織轉換器的輸出Vout處產(chǎn)生重疊電流。重疊電流可以引起每個交織轉換器的輸出電容器(例如，圖15的電容器C6和圖17的電容器C3) 中的紋波電流的消除，從而降低對輸出電容器的應力。每個交織轉換器的重疊電流和初級側開關電流可以是基本上正弦的。盡管圖15和圖17中僅示出了兩個LLC諧振轉換器，但是可以使用多于兩個LLC諧振轉換器而不脫離本公開內容的范圍。此外，盡管圖1、2、7-9 以及15-17示出了 LLC諧振轉換器，但是可以在不脫離本公開內容的范圍的情況下使用具有任何適合的拓撲的任何適合的DC/DC轉換器。例如，圖14示出另一個示例多級電力轉換器1400,該多級電力轉換器1400包括：預調節(jié)器電路1402、DC/DC轉換器1404 (包括一個或多個電力開關）以及與預調節(jié)器電路1402和DC/DC轉換器1404耦合的控制電路1412。多級電力轉換器1400可以包括與以上相對于LLC諧振轉換器所描述的益處相同的益處。
[0106] 本文中所公開的預調節(jié)器電路可以是提供DC電壓和電流的任何適合的電路。例如，預調節(jié)器電路可以是AC/DC轉換器、DC/DC轉換器等并且使用任何適合的拓撲(例如，降壓、升壓等)。在一些實施例中，預調節(jié)器電路可以是如圖9所示的PFC AC/DC升壓轉換器。
[0107] 本文中所公開的控制電路可以包括模擬控制電路、數(shù)字控制電路(例如，數(shù)字信號控制器（DSC)、數(shù)字信號處理器（DSP)等）或混和控制電路(例如，數(shù)字控制單元和模擬電路)。例如，如圖2所示，控制電路212在控制電路212的初級側使用數(shù)字實現(xiàn)而在次級側使用模擬實現(xiàn)。另外，控制電路可以為預調節(jié)器電路和/或DC/DC轉換器提供閉環(huán)調節(jié)。
[0108] 通過使用本文中所公開的多級電力轉換器，本文中所公開的諧振轉換器和DC/DC 轉換器可以基本上貫穿負載范圍在穩(wěn)態(tài)狀況期間在期望的模式(例如，臨界非連續(xù)導通模式）下工作。因此，可以貫穿負載范圍實現(xiàn)轉換器中的電力開關的零電流切換，因此可以減小對整流電路、電力開關等的電壓應力從而能夠得到較低額定電壓的設備。
[0109] 另外，通過在臨界非連續(xù)導通模式下操作諧振轉換器和DC/DC轉換器，例如與當在非連續(xù)導通模式下操作轉換器時相比，RMS損耗可以較低。
[0110] 此外，通過在滿載狀況下在臨界非連續(xù)導通模式下操作轉換器，可以減小輸出電容器中的紋波電流。因此，輸出電容器的負載壽命可以更長。例如圖12示出了如上所說明的使用固定輸入電壓的LLC諧振轉換器以及使用可變輸入電壓的LLC諧振轉換器的輸出電容器中的紋波電流。LLC諧振轉換器包括400V的操作輸入電壓和12V、1100W的額定輸出。如圖12所示，特別是在增大的負載狀況下，使用可變輸入電壓的LLC諧振轉換器與使用固定輸入電壓的LLC諧振轉換器相比具有減小的紋波電流。圖13示出了圖12所示的紋波電流的增長百分比（％)。下式（2)是計算紋波電流的增長百分比（％)的示例公式。
[0111]

【權利要求】
1. 一種多級電力轉換器，包括：預調節(jié)器電路，所述預調節(jié)器電路被配置成提供調節(jié)后輸出電壓；至少一個LLC諧振轉換器，所述至少一個LLC諧振轉換器被配置成將輸出電壓和輸出電流提供到負載，所述LLC諧振轉換器包括輸入、輸出、一個或多個諧振元件以及至少一個電力開關，所述LLC諧振轉換器的所述輸入耦合到所述預調節(jié)器電路；以及控制電路，所述控制電路耦合到所述預調節(jié)器電路和所述LLC諧振轉換器，所述控制電路被配置成調節(jié)所述LLC諧振轉換器的輸出電壓并且根據(jù)所述LLC諧振轉換器的輸出電流來改變所述預調節(jié)器電路的所述調節(jié)后輸出電壓。
2. 根據(jù)權利要求1所述的多級電力轉換器，其中所述LLC諧振轉換器被配置成基本上在臨界非連續(xù)導通模式下工作。
3. 根據(jù)權利要求1所述的多級電力轉換器，其中所述LLC諧振轉換器被配置成基本上在連續(xù)導通模式下工作。
4. 根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的多級電力轉換器，其中所述LLC諧振轉換器包括半橋轉換器。
5. 根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的多級電力轉換器，其中所述預調節(jié)器電路包括直流-交流轉換器。
6. 根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的多級電力轉換器，其中所述預調節(jié)器電路包括直流-直流轉換器。
7. 根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的多級電力轉換器，其中所述LLC諧振轉換器包括變壓器，所述變壓器具有與所述LLC諧振轉換器的所述至少一個電力開關耦合的初級繞組和與所述LLC諧振轉換器的所述輸出耦合的次級繞組。
8. 根據(jù)權利要求7所述的多級電力轉換器，其中所述LLC諧振轉換器包括與所述變壓器的所述次級繞組耦合的整流電路。
9. 根據(jù)權利要求7或8所述的多級電力轉換器，其中所述變壓器被配置成產(chǎn)生磁化電感，其中所述LLC諧振轉換器的所述一個或多個諧振元件耦合到所述變壓器的所述初級繞組，以及其中所述磁化電感和所述LLC諧振轉換器的所述一個或多個諧振元件足以引起所述LLC諧振轉換器的所述至少一個電力開關的零電流切換。
10. 根據(jù)權利要求1至9中任一項所述的多級電力轉換器，其中所述控制電路被配置成以基本上固定的切換頻率切換所述至少一個電力開關。
11. 根據(jù)權利要求1至10中任一項所述的多級電力轉換器，其中所述多級電力轉換器包括參考反饋電壓，以及其中所述控制電路被配置成通過基于可變參考調整所述參考反饋電壓來改變所述預調節(jié)器電路的所述調節(jié)后輸出電壓。
12. 根據(jù)權利要求11所述的多級電力轉換器，其中所述可變參考是所述LLC諧振轉換器的所述至少一個電力開關的切換頻率。
13. 根據(jù)權利要求11所述的多級電力轉換器，其中所述LLC諧振轉換器包括用于監(jiān)測所述LLC諧振轉換器中的電流的電流傳感器，以及其中所述可變參考是在所述LLC諧振轉換器中監(jiān)測到的電流。
14. 根據(jù)權利要求13所述的多級電力轉換器，其中在所述LLC諧振轉換器中監(jiān)測到的所述電流是與所述LLC諧振轉換器的所述輸出電流成比例的電流。
15.根據(jù)權利要求1至14中任一項所述的多級電力轉換器，其中所述控制電路包括數(shù) 字控制器。
【文檔編號】H02M3/335GK104104231SQ201410146056
【公開日】2014年10月15日申請日期:2014年4月11日優(yōu)先權日:2013年4月11日
【發(fā)明者】詹姆斯·西加馬尼, 安東尼奧·雷梅蒂奧·索列諾申請人:雅達電子國際有限公司

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