本發(fā)明屬于直流至直流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)領(lǐng)域,特別涉及一種定頻諧振式直流至直流轉(zhuǎn)換器電路及其控制方法。
背景技術(shù):
傳統(tǒng)單相高功因的切換式電源具有兩級電路架構(gòu),前級為非隔離的PFC整流器(rectifier),后級為隔離式的直流至直流轉(zhuǎn)換器,圖1及圖2為常用的電路架構(gòu),圖1為PFC升壓式AC-DC整流器結(jié)合全橋式相移DC-DC轉(zhuǎn)換器,圖2為升壓式AC-DC整流器結(jié)合LLC諧振式DC-DC轉(zhuǎn)換器。相移控制全橋式DC-DC轉(zhuǎn)換器由于具備定頻與零電壓切換(ZVS)特性,廣泛被使用較大功率的應(yīng)用,但其仍有以下缺點(diǎn):零電壓切換在較輕載時難以達(dá)成,輕載時效率較差且電磁干擾較嚴(yán)重;即便達(dá)成零電壓切換,一次側(cè)具有較大的環(huán)流使得導(dǎo)通損較高等。
圖2的LLC諧振式DC-DC轉(zhuǎn)換器雖無輕載ZVS問題,但仍具有以下限制:為了使LLC諧振式轉(zhuǎn)換器適應(yīng)較寬的輸入電壓范圍,其切換頻率將變化大,變壓器設(shè)計難以被優(yōu)化;變頻操作需求下LLC諧振式轉(zhuǎn)換器的鐵心較大,同時具有較高的鐵損;為使輸入電壓具有較寬的范圍,必須使用較小的磁化電感以獲得高Q值使電路具備較高的增益,但因此會造成較大的導(dǎo)通損;電路在低壓及過載情況容易偏移至電容區(qū),造成電路損毀等。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)相移控制全橋式轉(zhuǎn)換器輕載不易進(jìn)入零電壓切換及變頻式LLC諧振式轉(zhuǎn)換器輸入電壓變化范圍的受限的技術(shù)問題,提供一種定頻諧振式直流至直流轉(zhuǎn)換器電路,允許輸入電壓具有寬廣變化,同時一次側(cè)的主開關(guān)及二次側(cè)的同步開關(guān)在各式負(fù)載下均能達(dá)成零電壓開關(guān)(ZVS)切換。
本發(fā)明的實施例提供一種定頻諧振式直流至直流轉(zhuǎn)換器電路,包括:
變壓器,所述變壓器包括初級側(cè)和次級側(cè);
耦合至所述初級側(cè)的第一級電路,所述第一級電路包括具有第一橋臂及第二橋臂的全橋逆變電路及諧振儲能電路,所述全橋逆變電路輸入端用于連接直流電源,輸出端通過所述諧振儲能電路與變壓器初級側(cè)連接,所述第一橋臂上橋臂上設(shè)有第一開關(guān)管,第一橋臂下橋臂上設(shè)有第二開關(guān)管,所述第二橋臂上橋臂上設(shè)有第三開光管,第二橋臂下橋臂上設(shè)有第四開關(guān)管;
耦合至所述次級側(cè)的第二級電路,所述第二級電路包括具有分別對應(yīng)第一和第四開關(guān)管、第二和第三開關(guān)管的第五開關(guān)管、第六開關(guān)管的整流電路,所述整流電路的輸出端用于給負(fù)載供電。
控制器,用于根據(jù)整流電路輸出電壓及輸出電壓參考值通過相移控制第一開關(guān)、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管、第四開關(guān)管、第五開關(guān)管及第六開關(guān)管的閉合導(dǎo)通時間以維持所述輸出電壓;
其中,所述第一開關(guān)管與第二開關(guān)管之間、第三開關(guān)管與第四開光管之間,第五開關(guān)管與第六開關(guān)之間的導(dǎo)通時間分別為開關(guān)控制信號的半個周期。
進(jìn)一步地,所述控制器包括:
電壓控制器,用于根據(jù)輸出電壓與輸出電壓參考值調(diào)整得到一角度控制信號;
正向限制器,用于將角度控制信號轉(zhuǎn)為第一相移角度θcon1;
第一相移電路,用于根據(jù)第一相移角度θcon1得到第一相位差θC1;
第一開關(guān)控制器,用于根據(jù)所述第一相位差θC1調(diào)整第五開關(guān)管或第六開關(guān)管的閉合導(dǎo)通時間;
負(fù)向限制器,用于將所述角度控制信號轉(zhuǎn)為第二相移角度θcon2;
第二相移電路,用于根據(jù)第二相移角度得到第二相位差θC2;
第二開關(guān)控制器,用于根據(jù)所述第二相位差θC2調(diào)整第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管或第四開關(guān)管的閉合導(dǎo)通時間。
進(jìn)一步地,所述次級側(cè)包括兩個相互串接的第一次級線圈與第二次級線圈,所述第一次級線圈、第二次級線圈還與所述第五開關(guān)管及第六開關(guān)管串接形成回路,第一次級線圈與第二次級線圈之間引出一條連接線,第五開關(guān)管及第六開關(guān)之間引出另一條連接線,所述兩條連接線形成整流電路的輸出端。
進(jìn)一步地,所述諧振儲能電路包括一諧振電感器Lr和一諧振電容器Cr,所述初級側(cè)包括一個初級側(cè)線圈,所述諧振電感器、諧振電容器及初級側(cè)線圈相互串接后連接在全橋逆變電路的輸出端之間。
進(jìn)一步地,所述整流電路的輸出端上還連接有一濾波電容。
進(jìn)一步地,所述第一開關(guān)、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管、第四開關(guān)管、第五開關(guān)管及第六開關(guān)管為MOS管。
本發(fā)明的實施例還提供一種定頻諧振式直流至直流轉(zhuǎn)換器電路的控制方法,所述控制方法包括:
根據(jù)整流電路輸出電壓及輸出電壓參考值,通過相移控制第一開關(guān)、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管、第四開關(guān)管、第五開關(guān)管和/或第六開關(guān)管的閉合導(dǎo)通時間以維持所述整流電路輸出電壓;
其中,所述第一開關(guān)與第二開關(guān)管之間的切換頻率,第三開關(guān)管與第四開關(guān)管之間的切換頻率,第五開關(guān)管與第六開關(guān)管之間的切換頻率相同且為定頻,同時該頻率大于諧振儲能電路的諧振頻率。
進(jìn)一步地,具體包括以下步驟:
根據(jù)整流電路輸出電壓與輸出電壓參考值調(diào)整輸出一角度控制信號;
控制所述角度控制信號通過正向限制器與負(fù)向限制器處理后分別得到第一相移角度θcon1與第二相移角度θcon2;
控制第一相移角度θcon1與第二相移角度θcon2分別通過一相移電路處理后,得到第一相位差θC1與第二相位差θC2;
根據(jù)所述第一相位差θC1調(diào)整第五開關(guān)管或第六開關(guān)管的閉合導(dǎo)通時間,并根據(jù)所述第二相位差θC2調(diào)整第一橋臂與第二橋臂上開關(guān)管的閉合導(dǎo)通時間。
進(jìn)一步地,當(dāng)所述角度控制信號為正時:
所述第一相移角度為θcon1正值,所述第一相位差θC1=-θcon1,控制第五開關(guān)管閉合導(dǎo)通時間滯后第一橋臂上第一開關(guān)管閉合導(dǎo)通時間的相移角度為θcon1;
所述第二相移角度為0,所述第二相位差θC2=180°+θcon1,控制第二橋臂的相移角度為180°。
進(jìn)一步地,當(dāng)所述角度控制信號為負(fù)時:
所述第一相移角度θcon1為0,所述第一相位差θC1=0,控制第五開關(guān)管的閉合導(dǎo)通時間滯后第一橋臂上第一開關(guān)管閉合導(dǎo)通時間的相移角度為0;
所述第二相移角度θcon2為負(fù)值,所述第二相位差θC2=180°+θcon2,控制第二橋臂的相移角度為180°+θcon2。
以上所述技術(shù)方案,通過根據(jù)整流電路輸出電壓及輸出電壓參考值及通過相移控制第一開關(guān)、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管、第四開關(guān)管、第五開關(guān)管及第六開關(guān)管的閉合導(dǎo)通時間以維持所述輸出電壓,從而實現(xiàn)二次側(cè)相對一次側(cè)上開光管的相移控制,從而可以實現(xiàn)維持諧振式轉(zhuǎn)換器的輸出電壓,而且允許輸入電壓具有寬廣變化,同時一次側(cè)的主開關(guān)及二次側(cè)的同步開關(guān)在各式負(fù)載下均能達(dá)成ZVS切換,有效改善了全橋相移輕載不易進(jìn)入ZVS的缺點(diǎn)。
附圖說明
圖1是現(xiàn)有的PFC升壓式AC-DC整流器結(jié)合全橋式相移DC-DC轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2是現(xiàn)有的升壓式AC-DC整流器結(jié)合LLC諧振式DC-DC轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3是本發(fā)明一種實施例的定頻諧振式直流至直流轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)示意圖;
圖4是圖3的轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)簡化電路結(jié)構(gòu)示意圖;
圖5是本發(fā)明定頻諧振式直流至直流轉(zhuǎn)換器電路中的基本波等效電路示意圖;
圖6是本發(fā)明定頻諧振式直流至直流轉(zhuǎn)換器在稍重載下(θcon為正)的相量圖;
圖7是本發(fā)明定頻諧振式直流至直流轉(zhuǎn)換器在輕載下(θcon為負(fù))的相量圖;
圖8是本發(fā)明定頻諧振式直流至直流轉(zhuǎn)換器的仿真電路結(jié)構(gòu)圖;
圖9是圖8中仿真電路在滿載1.5kW下的響應(yīng)示意圖;
圖10是圖8中仿真電路在輕載600W下的響應(yīng)示意圖;
圖11是本發(fā)明一種實施例的定頻諧振式直流至直流轉(zhuǎn)換器的控制方法流程圖。
具體實施方式
為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白,以下結(jié)合附圖及實施例,對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。
如圖3所示,本發(fā)明的實施例提供一種定頻諧振式直流至直流轉(zhuǎn)換器電路,包括
變壓器N,所述變壓器包括初級側(cè)和次級側(cè);
耦合至所述初級側(cè)的第一級電路,所述第一級電路包括具有第一橋臂A及第二橋臂B的全橋逆變電路10及諧振儲能電路20,所述全橋逆變電路10輸入端用于連接直流電源Vd,輸出端通過所述諧振儲能電路20與變壓器N初級側(cè)連接,所述第一橋臂A上橋臂上設(shè)有第一開關(guān)管A+,第一橋臂A下橋臂上設(shè)有第二開關(guān)管A-,所述第二橋臂B上橋臂上設(shè)有第三開光管B+,第二橋臂B下橋臂上設(shè)有第四開關(guān)管B-;
耦合至所述次級側(cè)的第二級電路,所述第二級電路包括具有分別對應(yīng)第一和第四開關(guān)管、第二和第三開關(guān)管的第五開關(guān)管C+、第六開關(guān)管C-的整流電路,所述整流電路的輸出端用于給負(fù)載R供電;
還包括一控制器,所述控制器用于根據(jù)整流電路40輸出電壓Vo及輸出電壓參考值Voref通過相移控制第一開關(guān)A+、第二開關(guān)管A-、第三開關(guān)管B+、第四開關(guān)管B-、第五開關(guān)管C+及第六開關(guān)管C-的閉合導(dǎo)通時間以維持所述輸出電壓Vo。
其中,所述第一開關(guān)管A+與第二開關(guān)管A-之間、第三開關(guān)管B+與第四開光管B-之間,第五開關(guān)管C+與第六開關(guān)管C-之間的導(dǎo)通時間分別為開關(guān)控制信號的半個周期。因此各開關(guān)的觸發(fā)信號均為50%占空比的方塊波信號。
本實施例中,優(yōu)選地,所述控制器包括第一開關(guān)控制器80及第二開關(guān)控制器110。所述第一開關(guān)控制器80用于發(fā)出方塊波控制信號給第一開關(guān)管A+、第二開關(guān)管A-、第三開關(guān)管B+及第四開關(guān)管B-,從而控制第一開關(guān)管A+、第二開關(guān)管A-、第三開關(guān)管B+及第四開關(guān)管B-的閉合或關(guān)斷;所述第二開關(guān)控制器110用于發(fā)出方塊波控制信號給第五開關(guān)管C+、第六開關(guān)管C-,從而控制第五開關(guān)管C+、第六開關(guān)管C-的閉合或關(guān)斷。
優(yōu)選地,所述控制器還包括:
電壓控制器50,用于根據(jù)輸出電壓Vo與輸出電壓參考值Voref調(diào)整得到一角度控制信號;
正向限制器60,用于將角度控制信號轉(zhuǎn)為第一相移角度θcon1;所述正向限制器的作用為:當(dāng)角度控制信號為正值時,所述轉(zhuǎn)化后的第一相移角度θcon1為正值,且大小與所述角度控制信號的值相等;當(dāng)角度控制信號為負(fù)值時,所述轉(zhuǎn)化后的第一相移角度θcon1為0。
第一相移電路70,用于根據(jù)第一相移角度θcon1得到第一相位差θC1;這里所述的第一相位差θC1=-θcon1。
所述第一開關(guān)控制器80,可根據(jù)所述第一相位差θC1調(diào)整第五開關(guān)管或第六開關(guān)管的閉合導(dǎo)通時間;
負(fù)向限制器90,用于將所述角度控制信號轉(zhuǎn)為第二相移角度θcon2;
所述負(fù)向限制器90的作用為:當(dāng)角度控制信號為正值時,所述轉(zhuǎn)化后的第二相移角度θcon2為0;當(dāng)角度控制信號為負(fù)值時,所述轉(zhuǎn)化后的第二相移角度θcon2為負(fù)值,且絕對值的大小與所述角度控制信號的值相等。
第二相移電路100,用于根據(jù)第二相移角度θcon2得到第二相位差θC2;
本實施例中,所述第二相位差θC2=180°+θcon2。
所述第二開關(guān)控制器110,可根據(jù)所述第二相位差θC2調(diào)整第一開關(guān)管A+、第二開關(guān)管A-、第三開關(guān)管C+或第四開關(guān)管C-的閉合導(dǎo)通時間。
所述次級側(cè)包括兩個相互串接的第一次級線圈與第二次級線圈,所述第一次級線圈、第二次級線圈還與所述第五開關(guān)管及第六開關(guān)管串接形成回路,第一次級線圈與第二次級線圈之間引出一條連接線,第五開關(guān)管及第六開關(guān)之間引出另一條連接線,所述兩條連接線形成整流電路的輸出端。
本發(fā)明的實施例中,所述諧振儲能電路20包括一諧振電感器Lr和一諧振電容器Cr,所述初級側(cè)包括一個初級側(cè)線圈N1,所述諧振電感器Lr、諧振電容器Cr及初級側(cè)線圈N1相互串接后連接在全橋逆變電路10的輸出端之間。
進(jìn)一步地,所述整流電路40的輸出端上還連接有一濾波電容C0。
本實施例中,優(yōu)選地,所述第一開關(guān)A+、第二開關(guān)管A-、第三開關(guān)管B+、第四開關(guān)管B-、第五開關(guān)管C+及第六開關(guān)管C-為MOS管。
本發(fā)明的實施例還提供一種上述定頻諧振式直流至直流轉(zhuǎn)換器電路的控制方法,所述控制方法包括:
根據(jù)整流電路40輸出電壓Vo與輸出電壓參考值Voref,通過相移控制第一開關(guān)A+、第二開關(guān)管A-、第三開關(guān)管B+、第四開關(guān)管B-、第五開關(guān)管C+和/或第六開關(guān)管C-的閉合導(dǎo)通時間以維持所述整流電路40輸出電壓Vo。
如圖11所示,具體包括以下步驟:
步驟S100,根據(jù)整流電路40輸出電壓Vo與輸出電壓參考值Voref調(diào)整輸出一角度控制信號;
步驟S200,控制所述角度控制信號通過正向限制器60與負(fù)向限制器90處理后分別得到第一相移角度θcon1與第二相移角度θcon2;
步驟S300,控制第一相移角度θcon1與第二相移角度θcon2分別通過一相移電路處理后,得到第一相位差θC1與第二相位差θC2;
步驟S400,根據(jù)所述第一相位差θC1調(diào)整第五開關(guān)管C+或第六開關(guān)管C-的閉合導(dǎo)通時間,并根據(jù)所述第二相位差θC2調(diào)整第一橋臂A與第二橋臂B上開關(guān)管的閉合導(dǎo)通時間。
結(jié)合圖3所示,一次側(cè)全橋逆變電路10中,第一橋臂A與第二橋臂B二臂上下開關(guān)管的導(dǎo)通為互補(bǔ),即第一開關(guān)管A+與第二開關(guān)管A-為各導(dǎo)通50%周期時間,第三開關(guān)管B+與第四開關(guān)管B-為各導(dǎo)通50%周期時間,二次側(cè)中心抽頭同步整流二開關(guān)(第五開關(guān)管C+與第六開關(guān)管C-)的導(dǎo)通亦為互補(bǔ),C+與C-為各導(dǎo)通50%周期時間,因此各開關(guān)的觸發(fā)信號均為50%占空比的方塊波信號。
本發(fā)明的控制方法中,假設(shè)相移乃以一次側(cè)第一開關(guān)管A+的角度為零度當(dāng)基準(zhǔn),那么,所述輸出電壓Vo與輸出電壓參考值Voref的誤差經(jīng)由電壓控制器50調(diào)整后得到所述角度控制信號θcon,在負(fù)載為稍重的情況下,此控制信號經(jīng)由一正向限制器60轉(zhuǎn)換為第一相移角度θcon1,此角度再由零度扣除,得到二次側(cè)第五開關(guān)管C+與一次側(cè)第一開關(guān)管A+的第一相位差θC1,由于此值為負(fù),第五開關(guān)管C+的導(dǎo)通因此落后一次側(cè)第一橋臂A的導(dǎo)通θcon度。開關(guān)切換頻率fs的設(shè)定為定頻且為了達(dá)到ZVS切換,其設(shè)定值為高于LLC的諧振頻率。
此正值的角度控制信號θcon經(jīng)由一負(fù)向限制器90后再加上180度并經(jīng)過所述第二相移電路100處理后,得到一次側(cè)第二橋臂B與第一橋臂A的第二相位差θC2,由于正值θcon經(jīng)由負(fù)向限制器后的值為零,因此第二橋臂B的切換將與第一橋臂A的切換為固定的180度相差,亦即此時一次側(cè)第一橋臂A與第二橋臂B二臂間的輸出電壓達(dá)到最高。
但在負(fù)載較輕的情況下,所述角度控制信號θcon轉(zhuǎn)為負(fù),此時由于正向限制器60的緣故,得到第一相移角度θcon1與第一相位差θC1的結(jié)果都為零,因此第一開關(guān)管A+與第五開關(guān)管C+的相移角度固定為零,但此負(fù)值θcon經(jīng)由負(fù)向限制器并加上180度,得到第二相位差θC2=180°+θcon2第二相移角度,將使第二橋臂B與第一橋臂A的相差低于180度,亦即相當(dāng)降低一次側(cè)輸出電壓的占空比以達(dá)到維持輸出電壓Vo之目的。
上述工作原理乃采用一二次側(cè)間輸出電壓的相移控制,為了進(jìn)一步簡化說明本發(fā)明上述實施例中的控制方法,可以將圖3的電路簡化成圖4的電路來表示,其中一次側(cè)全橋逆變器電路的輸出方塊波電壓以Vi來表示,二次側(cè)的輸出電壓反射至一次側(cè)的方塊波電壓以Vop來表示。
在諧振工作下,圖4的電路可再以Vi及Vop的正弦基本波(頻率為fs)來表示,如圖5的基本波等效電路所示。根據(jù)圖4可繪出在稍重載下(θcon為正)的相量圖如圖6所示,為使電路達(dá)到ZVS,切換頻率設(shè)定高于諧振頻率,電路呈現(xiàn)電感性,使諧振電流Ir落后輸入電壓Vi。在各式負(fù)載下藉由改變Vop落后Vi的夾角,θC可使得Vop的振幅維持定值,等效達(dá)到調(diào)整輸出電壓Vo的目的。負(fù)載電流越大亦即Ir越大,落后的夾角θC越大。反之負(fù)載電流越小,Ir越小其夾角越小,如圖6中的Ir1,其夾角θC1剛好等于零度。
當(dāng)負(fù)載持續(xù)減少,θcon轉(zhuǎn)為負(fù)的相量圖如圖7所示,在此情況下θC維持零度,然而負(fù)值的θcon將使θB=180+θcon,從而θB小于180度,使得Vi隨著θB的減小而減小以保持Vop的定值。這里的θB即為一次側(cè)第二橋臂B上開關(guān)管的相移角度。
以下將以如下規(guī)格的轉(zhuǎn)換器使用仿真方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明所述控制方法的有效性:
輸入電壓:Vin=390Vdc,
輸出電壓:Vo=12Vdc,
切換頻率:fs=100kHz,
變壓器:PQ40/40,N1:N2=29:1,Lm=800μH,Llk=80μH,
電容:Cr=47nF,Co=1000μF*2。
仿真電路如圖8所示,在滿載1.5kW下的響應(yīng)波形如圖9所示,其顯示二次側(cè)同步整流開關(guān)的落后相移角度為θC=38.8°,而一次側(cè)第一橋臂B上開關(guān)管的相移角度為θB=180°。輸出電壓確實能調(diào)整于12V,一次側(cè)第一橋臂A及第二橋臂B與二次側(cè)同步整流的開關(guān)管(第五開關(guān)管及第六開關(guān)管)均能達(dá)成ZVS。在較輕載600W下的響應(yīng)如圖10所示,其顯示二次側(cè)同步整流開關(guān)管(第五開關(guān)管及第六開關(guān)管)的落后相移角度為θC=0°,而一次側(cè)第二橋臂B上開關(guān)管的相移角度為θB=150°。輸出電壓確實能調(diào)整于12V,一次側(cè)第一橋臂A及第二橋臂B與二次側(cè)同步整流的開關(guān)管亦均能達(dá)成ZVS。以上這些響應(yīng)均符合前述電路的原理與本發(fā)明所提定頻相位控制的設(shè)計方法。
本發(fā)明上述實施例提供的定頻諧振式直流至直流轉(zhuǎn)換器電路及其控制方法具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)所提方法采用定頻方式的相位控制技術(shù)以維持諧振式轉(zhuǎn)換器的輸出電壓,因此其變壓器較易設(shè)計,而且允許輸入電壓具有寬廣變化。
(2)一次側(cè)的主開關(guān)及二次側(cè)的同步開關(guān)在各式負(fù)載下均能達(dá)成ZVS切換,改善全橋相移輕載不易進(jìn)入ZVS的缺點(diǎn)。
(3)如同LLC轉(zhuǎn)換器可以采用漏感作為諧振阻抗,電路簡單。
(4)與全橋相移及LLC諧振式轉(zhuǎn)換器二次側(cè)同步整流需偵測負(fù)載電流相較,所提創(chuàng)作二次側(cè)的同步整流開關(guān)不須偵測電流,僅須依據(jù)相移角度動作,較為可靠且可以降低導(dǎo)通損。
(5)對于過流的保護(hù)較易且快速,僅須限制相移角度即可,沒有如LLC需要變頻亦或容易跑至電容區(qū)的問題。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。