諧振變換器裝置及用於諧振變換器裝置的方法
2023-06-24 04:21:41 2
專利名稱：諧振變換器裝置及用於諧振變換器裝置的方法
技術領域：
本發明涉及一種諧振變換器裝置及用於諧振變換器裝置的方法，更具體地說，涉及包括兩個以上的並聯連接的諧振變換器的變換器裝置及用於該裝置的方法。
背景技術：
目前，高功率變換器裝置可以採用並聯連接的兩個或更多諧振變換器來提供高輸出電流，這樣有利於裝置的維護，並且可以通過冗餘並聯來提高裝置的可靠性。然而，儘管並聯連接的多個諧振變換器可以通過採用對稱的電路布局來得到相同的電流輸出，但是由於電路特性之間存在的固有差異，實際中很難得到完全對稱的布局，所以這些變換器之間一般會存在電流差。這將會降低變換器裝置的效率並產生熱損耗問題，而且對於輸出電流很高的變換器而言，損耗會很大。因此，當前需要一種確保並聯連接的多個諧振變換器的輸出電流保持平衡的機制。
發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的上述缺陷為兩個或更多諧振變換器組成的諧振變換器裝置提供電流平衡機制，以使得各變換器輸出相等的電流。為了實現上述目的，本發明提供一種諧振變換器裝置，包括並聯連接的多個諧振變換器，以及向多個諧振變換器輸出脈寬調製控制信號的控制模塊，所述控制模塊包括電壓控制迴路和電流控制迴路，所述多個諧振變換器的輸出電壓經感測後連接到控制模塊的電壓感測端；所述多個諧振變換器中的每個的輸出電流經感測後連接到控制模塊的電流感測端；所述控制模塊的電壓控制迴路將感測後的輸出電壓與預定的參考電壓進行比較，根據比較結果向多個諧振變換器中的一個變換器輸出脈寬調製控制信號以使得所述一個變換器的輸出電壓等於預定的參考電壓；所述控制模塊的電流控制迴路將所述一個變換器的經感測的輸出電流作為參考電流，將該參考電流與多個諧振變換器中除所述一個變換器之外的其他變換器的經感測的輸出電流進行比較，根據比較結果為每個所述其他變換器生成脈寬調製控制信號的頻率調節變量，並基於輸出到所述一個變換器的脈寬調製控制信號和所述頻率調節變量為每個所述其他變換器計算各自的脈寬調製控制信號，以使得每個所述其他變換器的輸出電流與所述一個變換器的輸出電流相等。這樣，本發明的諧振變換器裝置可以對各個變換器的輸出電流進行均衡，以提高諧振變換器裝置的效率並減少熱損耗。本發明的諧振變換器裝置的控制模塊還可以進一步包括連接到電流控制迴路的時移控制單元，其接收由電流控制迴路輸出的為每個所述其他變換器計算的脈寬調製控制信號，周期性地計算所述一個變換器的脈寬調製控制信號與每個所述其他變換器的脈寬調製控制信號之間的時間差，為每個所述其他變換器的脈寬調製控制信號計算作為死區時間 的時移，使得所述一個變換器的脈寬調製控制信號與每個所述其他變換器的脈寬調製控制信號的時間差等於預定時間差，並將經過時移的每個所述其他變換器的脈寬調製控制信號輸出到各自的變換器，來降低輸出電壓的紋波。本發明還提供一種用於諧振變換器裝置的方法，其中該諧振變換器裝置包括並聯連接的多個諧振變換器以及控制模塊，該方法包括控制模塊將感測後的多個諧振變換器的輸出電壓與預定的參考電壓進行比較，根據比較的結果向多個諧振變換器中的一個變換器輸出脈寬調製控制信號以使得所述一個變 換器的輸出電壓等於預定的參考電壓；控制模塊將所述一個變換器的經感測的輸出電流作為參考電流，將所述參考電流與多個諧振變換器中除所述一個變換器之外的其他變換器的經感測的輸出電流進行比較，根據比較結果為每個所述其他變換器生成脈寬調製控制信號的頻率調節變量，並基於輸出到所述一個變換器的脈寬調製控制信號和頻率調節變量為每個所述其他變換器計算各自的脈寬調製控制信號，以使得每個所述其他變換器的輸出電流與所述一個變換器的輸出電流相等。本發明的用於諧振變換器裝置的方法還包括所述控制模塊還周期性地計算所述一個變換器的脈寬調製控制信號與每個所述其他變換器的脈寬調製控制信號之間的時間差，對每個所述其他變換器的各自的脈寬調製控制信號計算作為死區時間的時移，使得所述一個變換器的脈寬調製控制信號與每個所述其他變換器的脈寬調製控制信號的時間差等於預定時間差，並將經過時移的每個所述其他變換器的脈寬調製控制信號輸出到各自的變換器，來降低輸出電壓的紋波。本發明的諧振變換器裝置中的諧振變換器並聯在一起以提供更高的功率，並且各變換器輸出的電流相同。即使本發明中的各變換器在布局上有所不同，也可以通過本發明的裝置和方法實現對各個變換器的電流均衡。此外，本發明通過對脈衝調製控制信號進行時移，可以在對電流進行均衡的基礎上使得輸出電壓的紋波滿足使用的規範。
本發明可以參照附圖和說明書被更好地理解。圖I示出了根據本發明的一種實施方式的諧振變換器裝置的示意性框圖；圖2示出了圖I所示的實施方式的控制模塊的示意性框圖；圖3示出了圖2所示的控制模塊的工作流程示意圖；圖4示出了將本發明用於具有並聯連接的兩個LLC變換器的實施方式的電路示意圖；圖5示出了將本發明用於具有並聯連接的多於兩個LLC變換器的實施方式的電路示意圖；圖6示出了在根據本發明的如圖4所示的實施例中調整時移的示例的示意圖。
具體實施例方式下文中結合示例性實施例來進一步描述本發明。圖I示出了根據本發明的一種實施方式的諧振變換器裝置100的示意性框圖。變換器裝置100包括諧振變換器A和諧振變換器B，它們接收輸入電壓V in並且輸出電壓為V 變換器A和變換器B的輸出電流分別為IAUt和IBwt。為了在變換器A和變換器B獲得相同的輸出電流，可以對開關元件的開關頻率進行調整。、-和IBUt經過感測後分別連接到控制模塊110的IinA端和Iinfi端，輸出電壓V out連接到控制模塊110的電壓感測端V_sense。控制模塊110作為脈寬調製模式(PWM)發生器向變換器A和變換器B輸出控制信號fl和f2，由此驅動變換器A和變換器B的開關元件來分別調節變換器A和變換器B的輸出，使得變換器A和變換器B的輸出電流相等。圖2示出了控制模塊110的示意性框圖。控制模塊110包括電壓迴路控制器111、電流迴路控制器113和時移控制器115。電壓迴路控制器111感測變換器A和變換器B的輸出電壓Vtjut，將感測後的電壓Vsmse與參考電壓Vref相比較之後，輸出PWM控制信號f I給例如變換器A，由此調節變換器A的輸出電壓等於參考電壓Vref。參考電壓VMf可以預先存儲在控制模塊110中，也可以由用戶進行更改。電壓迴路控制器可以用PID(比例積分微分)控制迴路來實現。 電流迴路控制器113接收變換器A和變換器B的輸出電流Iw和IBUt經過感測後的電流IAsmse和IBsmse，並將變換器A的輸出電流的感測後的電流IAs_作為參考電流Iref。電流迴路控制器113根據參考電流Iref和變換器B的經過感測後的電流I—之間的差值產生表示頻率偏移的變量A f。加法器117計算變量A f與fl相加的結果f2。如果IBsmse小於參考電流IMf，即變換器B的輸出電流小於變換器A的輸出電流，變量△ f將使變換器B的開關器件以更低的開關頻率工作，以具有更高的增益，由此增加其輸出電壓，來輸出更多的輸出電流。如果IBs_大於參考電流Iref，即變換器B的輸出電流IBUt大於變換器A的輸出電流IAUt，則變量A f將使變換器B的開關器件以更高的開關頻率工作，以減少輸出電流，由此確保變換器A和變換器B的輸出電流之間的平衡，即相等。電流迴路控制器113也可以採用PID控制迴路來實現。當然，計算fl和f2的上述處理也可以先根據輸出電壓計算輸出到變換器B的PWM控制信號，然後以變換器B的輸出電流為參考值來計算輸出到變換器A的PWM控制信號。經過上述對開關頻率的調節之後，變換器A和變換器B的開關頻率f I和f2會存在差異，這可能導致它們的輸出電壓存在較大紋波，因此，如圖2所示，可以加入時移控制器115，使得PWM控制信號f2相對於f I具有時移At，由此減少輸出電壓的紋波。時移控制器115連接到電流迴路控制器113，接收其輸出的f2。具體而言，時移控制器115將定期(例如，一個或幾個開關周期)檢測PWM控制信號fl和f2之間的時間差，例如檢測它們的上升沿之間的時間差，根據fl和f2之間預定的時間差來增加f2的死區時間，該死區時間對應於時移A t，使得f I和f2之間的時間差為預定時間差，由此減少電壓紋波。從上述描述中可以看出，控制模塊110中的電流控制迴路和電壓控制迴路已經使得變換器A和變換器B的輸出電流達到平衡。在輸出電壓的紋波不符合要求的條件下，可以引入時移控制器115來減少紋波，不過時移控制器115對於實現並聯連接的變換器的輸出電流的平衡機制並不是必要的。另外，在本發明中，由於變換器A和變換器B的開關頻率可能不同，因此它們之間並不需要保持相同的相位關係。同時，為了確保輸出電壓的紋波滿足用戶所需的特定規範，變換器A和變換器B之間的開關頻率差值必須限定在一定的範圍內。圖3示出了圖2所示的控制模塊的工作流程示意圖。在此可以參照以上對圖2的描述來理解控制模塊的工作流程。控制模塊110首先在步驟10採用電壓迴路控制器來得到用於變換器A的PWM控制信號H，然後在步驟15，電流迴路控制器以變換器A的輸出電流的感測值作為參考電流得到其與變換器B的輸出電流的感測值之間的差值，並根據該差值計算變量A f (步驟20)，由此得到f2。在步驟25，時移控制器115計算變換器B與變換器A的PWM控制信號之間的時移A t，由此根據得到輸出到變換器B的經過時移A t的PWM控制信號f2 (步驟30)。如果紋波電壓滿足要求，可以省略步驟25。當變換器裝置包括多於兩個變換器時，計算各變換器的PWM控制信號的方法與上述方法類似，都是先根據輸出電壓的感測值利用電壓迴路控制器計算一個變換器的PWM控制信號，然後將該變換器的輸出電流的感測值作為參考電流利用電流迴路控制器來計算其他變換器的PWM控制信號，如果有必要，再利用時移控制器計算時移，然後將時移後的其他變換器的PWM控制信號傳輸到他們各自的開關元件來實現電流的平衡機制並同時減少電壓紋波。
圖4示出了將本發明用於具有並聯連接的兩個LLC變換器的實施方式的電路示意圖。如圖所示，變換器裝置200包括LLC半橋諧振型AC-DC變換器LLCl和LLC2以及作為控制器的數位訊號處理器(DSP)(也可以採用其他合適的裝置作為控制器)。DSP包含PID電壓控制迴路和電流控制迴路。變換器LLCl和LLC2具有相同的電路布局，其中變換器LLCl包括開關單元211、諧振單元213、變壓單元215和整流單元217，其中諧振單元包括Crl (Cr2) ,Lrl以及變壓單元的勵磁電感。變換器LLCl的輸出電壓V_out經過感測後輸入到DSP的V_sense端，變換器LLCl和LLC2的開關單元211和221的輸出電流I1和I2分別經過變壓器T3和T6進行感測後得到Ilsmse和I2smse，它們被分別輸入到DSP的Iinl和Iin2端中。DSP的工作方式與圖3所示的控制模塊的工作方式類似。具體來說，DSP首先將感測的電壓信號與其內存儲的參考電壓進行比較。該參考電壓VMf是預設的變換器裝置的輸出電壓值。根據該預設的輸出電壓值與當前的感測的輸出電壓的比較結果，DSP向變換器A輸出PWM控制信號，用於控制變換器A的開關單元211和整流單元217的開關元件。為了平衡變換器LLCl和變換器LLC2的電流輸出，DSP通過將變換器LLCl的輸出電流的感測電流Ilsmse作為參考值，與變換器LLC2的輸出電流的感測電流I2smse進行比較之後，得到變量Af來調節輸出到變換器LLC2的各開關的PWM控制信號。如果變換器LLC2的輸出電流小於變換器LLCl的輸出電流，輸出到變換器LLC2的PWM控制信號的開關頻率將相對於輸出到變換器LLCl的PWM控制信號的開關頻率減小，直到變換器LLC2的輸出電流等於變換器LLCl的輸出電流。由於變換器LLCl和變換器LLC2的PWM控制信號所控制的開關頻率不同，所以會在輸出電壓上產生紋波。為了減小甚至消除產生的紋波，DSP中的時移控制單元將為變換器LLC2的PWM控制信號計算相對於變換器LLCl的PWM控制信號的時移At。在該實施方式中，期望通過調整時移At使得變換器LLCl和變換器LLC2的開關頻率之間的時間差保持為預定時間差，例如等於變換器LLCl的開關頻率的1/4周期。根據上文所述，DSP通過PID電壓控制迴路和電流控制迴路計算fl和f2，在該實施方式中f2通過fl和Af得到。為了計算時移，DSP首先檢測兩個PWM信號，即fl和f2，的上升沿的時間差。該時間差可以通過內部計數器測量和計算。在計算時間差之後，DSP將計算需要補償的死區時間，以使得f I和f2之間的時間差等於上述預定的時間差，而該補償的死區時間就對應於At。在本發明中，將通過計算時移At來調整PWM信號的時間差的過程稱為同步過程。該同步過程不必在每個開關周期都執行，可以以若干個開關周期為固定周期循環進行。圖6示出了調整時移的示意圖。圖中示出了兩對PWM信號，其中CHl和CH2是LLCl的PWM信號，它們通過電壓控制迴路得到；而013和CH4是LLC2的PWM信號，它們通過電流控制迴路得到。比較圖中的信號CHl和CH4可以發現由於它們的頻率不同，所以兩個信號之間的時間差也不斷變化。在圖6中，設定同步周期為每4個LLCl的開關周期，即每經過4個LLCl的開關周期，調整LLC2的開關控制信號f2的時移A t，使得在加入對應於A t的死區時間之後，LLC2的PWM信號落後LLCl的PWM信號1/4周期。由此，通過周期性地同步LLCl和LLC2的開關控制信號，來減少輸出電壓的紋波。圖5示出了將本發明用於具有並聯連接的三個LLC變換器的變換器裝置的實施方式的電路示意圖。該變換器裝置的電路布局和工作原理與圖4所示的變換器裝置類似。DSP將首先根據輸出電壓計算其中一個變換器的PWM控制信號，然後將該變換器的輸出電流的 感測值作為參考值來計算輸出到其他兩個變換器的PWM控制信號。在圖5中所示的實施方式中，DSP首先根據參考電壓如上文所述得到輸出到變換器LLCA的PWM控制信號fA，然後以變換器A的輸出電流的感測值為參考電流，通過與變換器LLCB和變換器LLCC的感測電流相比較分別為變換器LLCB和變換器LLCC的PWM控制信號fB和計算表示相對於fA頻率偏移的變量A fB和A f。。由此，通過計算後的fB和使得變換器B和變換器C的輸出電流與變換器A的輸出電流相同。隨後DSP中的時移控制單元將為輸出到變換器LLCB和變換器LLCC的PWM控制信號fB和計算時移A tB和A tc,並將經過時移的fB和fc分別輸出到變換器B和變換器C的開關元件，由此來減少電壓紋波。儘管已經參照許多特定細節描述了本發明，但本領域的普通技術人員將認識到，本發明可在不脫離本發明的精神的情況下以其它特定形式實施。例如，本發明的變換器可以根據實際需要進行選擇，通常可以包括各種變換器，例如AC-DC、DC-AC和AC-AC變換器。控制器也可以根據需要選擇不同的搭建方式，例如採用模擬電路或者通過MCU (微控制器)或DSP (數位訊號處理器)等裝置來實現。因此，本領域的普通技術人員將會理解，本發明不受前述說明性細節的限制，而是由所附權利要求限定。
權利要求
1.一種諧振變換器裝置，其包括並聯連接的多個諧振變換器，以及向多個諧振變換器輸出脈寬調製控制信號的控制模塊，所述控制模塊包括電壓控制迴路和電流控制迴路， 所述多個諧振變換器的輸出電壓經感測後連接到控制模塊的電壓感測端； 所述多個諧振變換器中的每個的輸出電流經感測後連接到控制模塊的電流感測端； 所述控制模塊的電壓控制迴路將感測後的輸出電壓與預定的參考電壓進行比較，根據比較結果向多個諧振變換器中的一個變換器輸出脈寬調製控制信號以使得所述ー個變換器的輸出電壓等於預定的參考電壓； 所述控制模塊的電流控制迴路將所述一個變換器的經感測的輸出電流作為參考電流，將該參考電流與多個諧振變換器中除所述ー個變換器之外的其他變換器的經感測的輸出電流進行比較，根據比較結果為每個所述其他變換器生成脈寬調製控制信號的頻率調節變量，並基於輸出到所述ー個變換器的脈寬調製控制信號和頻率調節變量為每個所述其他變換器計算各自的脈寬調製控制信號，以使得每個所述其他變換器的輸出電流與所述ー個變換器的輸出電流相等。
2.根據權利要求I所述的諧振變換器裝置，其特徵在於所述控制模塊還包括連接到電流控制迴路的時移控制単元，其接收由所述電流控制迴路輸出的為每個所述其他變換器計算的脈寬調製控制信號，周期性地計算所述ー個變換器的脈寬調製控制信號與每個所述其他變換器的脈寬調製控制信號之間的時間差，為每個所述其他變換器的脈寬調製控制信號計算作為死區時間的時移，使得所述ー個變換器的脈寬調製控制信號與每個所述其他變換器的脈寬調製控制信號的時間差等於預定時間差，並將經過時移的每個所述其他變換器的脈寬調製控制信號輸出到各自的變換器，來降低輸出電壓的紋波。
3.根據權利要求2所述的諧振變換器裝置，其特徵在於所述預定時間差是所述ー個變換器的脈寬調製控制信號的1/4周期。
4.根據權利要求I或2所述的諧振變換器裝置，電流控制迴路在所述其他變換器中的任何一個變換器的經感測的輸出電流小於所述參考電流吋，生成頻率調節變量來降低輸出到所述其他變換器中的所述任何一個變換器的脈寬調製控制信號的頻率，並且在所述其他變換器中的所述任何一個變換器的經感測的輸出電流大於所述參考電流吋，生成頻率調節變量來增加輸出到所述其他變換器中的所述任何一個變換器的脈寬調製控制信號的頻率。
5.根據權利要求I或2所述的諧振變換器裝置，所述電壓控制迴路是PID控制迴路，所述電流控制迴路是PID控制迴路。
6.根據權利要求I或2所述的諧振變換器裝置，所述多個諧振變換器是兩個或更多變換器。
7.根據權利要求2所述的諧振變換器裝置，所述多個諧振變換器是LLC變換器。
8.根據權利要求7所述的諧振變換器裝置，所述多個變換器的每個包括開關單元、諧振単元、變壓單元和整流単元，所述諧振単元的輸出電流作為所述多個諧振變換器的輸出電流，經感測後輸出到所述控制模塊的電流感測端，所述控制模塊將脈寬調製控制信號分別輸出到相應的所述多個諧振變換器的開關單元和整流単元，用於控制其中的開關元件。
9.根據權利要求I或2所述的諧振變換器裝置，所述控制模塊包括DSP。
10.根據權利要求I或2所述的諧振變換器，所述多個諧振變換器是AC-DC變換器、DC-AC變換器或AC-AC變換器。
11.ー種用於諧振變換器裝置的方法，其中所述諧振變換器裝置包括並聯連接的多個諧振變換器以及控制模塊，所述方法包括 所述控制模塊將感測後的所述多個諧振變換器的輸出電壓與預定的參考電壓進行比較，根據比較的結果向多個諧振變換器中的一個變換器輸出脈寬調製控制信號以使得所述一個變換器的輸出電壓等於預定的參考電壓； 所述控制模塊將所述ー個變換器的經感測的輸出電流作為參考電流，將該參考電流與多個諧振變換器中除所述ー個變換器之外的其他變換器的經感測的輸出電流進行比較，根據比較結果為每個所述其他諧振變換器生成脈寬調製控制信號的頻率調節變量，並基於輸出到所述ー個變換器的脈寬調製控制信號和頻率調節變量為每個所述其他變換器計算各自的脈寬調製控制信號，以使得每個所述其他變換器的輸出電流與所述ー個變換器的輸出電流相等。
12.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於所述控制模塊還周期性地計算所述ー個變換器的脈寬調製控制信號與每個所述其他變換器的脈寬調製控制信號之間的時間差，對每個所述其他變換器的各自的脈寬調製控制信號計算作為死區時間的時移，使得所述ー個變換器的脈寬調製控制信號與每個所述其他變換器的脈寬調製控制信號的時間差等於預定時間差，並將經過時移的每個所述其他變換器的脈寬調製控制信號輸出到各自的變換器，來降低輸出電壓的紋波。
13.根據權利要求12所述的方法，其特徵在於所述預定時間差是所述ー個變換器的脈寬調製控制信號的1/4周期。
14.根據權利要求11或12所述的方法，根據比較結果為每個所述其他變換器生成脈寬調製控制信號的頻率調節變量的步驟包括在其他變換器中的任何一個變換器的經感測的輸出電流小於所述參考電流時，生成頻率調節變量以降低輸出到所述其他變換器中的所述任何一個變換器的脈寬調製控制信號的頻率，並且在所述其他變換器中的所述任何ー個變換器的經感測的輸出電流大於所述參考電流時，生成頻率調節變量以增加輸出到所述其他變換器中的所述任何一個變換器的脈寬調製控制信號的頻率。
15.根據權利要求11或12所述的方法，其特徵在於所述多個諧振變換器是兩個或更多變換器。
16.根據權利要求11或12所述的方法，其特徵在於所述控制模塊包括DSP。
17.根據權利要求12所述的方法，所述多個諧振變換器的每個是LLC變換器，每個LLC變換器包括開關單元、諧振單元、變壓單元和整流単元，所述諧振単元的輸出電流作為所述多個諧振變換器的輸出電流，所述控制模塊將脈寬調製控制信號分別輸出到相應的所述多個變換器的開關單元和整流単元，用於控制其中的開關元件。
18.根據權利要求11或12所述的諧振變換器，所述多個諧振變換器是AC-DC變換器、DC-AC變換器或AC-AC變換器。
全文摘要
本發明公開了諧振變換器裝置及其使用的方法。該裝置包括並聯連接的多個諧振變換器，以及向其輸出脈寬調製控制信號的控制模塊，控制模塊包括電壓控制迴路和電流控制迴路，電壓控制迴路將感測後的輸出電壓與預定的參考電壓進行比較，向多個變換器中的一個變換器輸出脈寬調製控制信號以使得該一個變換器的輸出電壓等於預定的參考電壓；電流控制迴路將該一個變換器的經感測的輸出電流作為參考電流，將該參考電流與多個變換器中除所述一個變換器之外的其他變換器的經感測的輸出電流進行比較，生成頻率調節變量，並進而為每個所述其他變換器計算各自的脈寬調製控制信號，以使得各變換器的輸出電流相等。由此，本發明為變換器裝置提供了電流平衡機制。
文檔編號H02M1/14GK102684464SQ201110061418
公開日2012年9月19日 申請日期2011年3月15日 優先權日2011年3月15日
發明者李太強, 蔡毅, 鄭永寧, 鍾小芬 申請人:雅達電子國際有限公司