諧振功率轉換器的製造方法
2023-04-27 03:03:01
諧振功率轉換器的製造方法
【專利摘要】一種諧振功率轉換器包括由電容構件(Cr1，Cr2)和電感構件(Lr)形成的諧振迴路(14)、連接到諧振迴路(14)和電壓源(12)上的呈橋構造(16)的至少兩個開關(Q1，Q2)、並聯連接到各個開關上的多個緩衝電容器(CS1，CS2)，以及控制器，控制器適於控制至少兩個開關的接通和斷開時機，以便激勵諧振迴路(14)，其特徵在於，提供電壓傳感器(22)來感測跨過至少一個開關(Q2)的電壓降(Us)，並且控制器構造成在感測到的電壓降(Us)的絕對值到達最小值時，使所述至少一個開關(Q2)切換到接通狀態。
【專利說明】諧振功率轉換器【技術領域】
[0001]本發明涉及諧振功率轉換器，包括:由電容構件和電感構件形成的諧振迴路、連接到諧振迴路(resonance tank)和電壓源上的呈橋構造的至少兩個開關、並聯連接到各個開關上的多個緩衝電容器，以及控制器，控制器適於控制至少兩個開關的接通和斷開時機，以便激勵諧振迴路。
【背景技術】
[0002]功率轉換器用來將電能從一個電路傳遞到另一個電路。例如，能量從電網轉變到負載，同時轉換電壓和電流特性。越來越多地利用切換功率轉換器來代替線性調整器和變壓器，因為它們提供了高的效率、小尺寸和減輕的重量。
[0003]上面提到的類型的諧振轉換器已經由在網址http://powerelectronics.com上在 2010 年 12 月公開的 Sokolow 的 「100-kW DC-DC Converter Employs Resonant-Filter (採用諧振濾波器的100-kW DC-DC轉換器)」描述。這樣的轉換器對於高功率應用，即對於大約IOkW至IOOkW的幅度的功率特別有吸引力。
[0004]已知的諧振轉換器典型地在固定源電壓下且在穩定的負載狀況下運行，使得可行的是構造轉換器，使得達到或至少逼近零電壓切換運行模式(ZVS)。這意味著在跨過這個開關的電壓降穿越零或至少到達最小值時，各個開關應當切換到接通狀態(谷(valley)切換)，使得開關損耗減到最小值。
【發明內容】
[0005]本發明的目標是提供一種諧振轉換器，其在不同的運行狀況下以低的開關損耗運行。
[0006]根據本發明，這個目標通過上面提到的類型的諧振功率轉換器實現，其中，提供電壓傳感器來感測跨過至少一個開關的電壓降，並且控制器構造成在感測到的電壓降的絕對值到達最小值時，使所述至少一個開關切換到接通狀態。
[0007]因而，當源電壓的變化或負載狀況的變化使實現零電壓切換或谷切換所處的時機改變時，根據本發明的轉換器將自動地適應改變的狀況。
[0008]本發明的更具體的可選特徵在從屬權利要求中提到。除了別的之外，這些特徵容許在寬範圍的功率和輸出電流內有高效的功率轉換，有主動的功率因素修正和減小電磁幹擾(EMI)。
[0009]在一個實施例中，通過改變開關的切換頻率來實現輸出電流控制。具體而言，當轉換器以滿功率運行時，切換頻率略微高於諧振迴路的諧振頻率，而當切換頻率進一步增大時，轉換的功率和輸出電流將下降。
[0010]當功率需求進一步降低時，切換頻率的持續增加可能導致增加的開關損耗，並且對應地導致轉換器效率降低。在這些情況下，可行的是通過下者來進一步降低輸出電流:通過省略開關的一些接通時段，同時使諧振迴路保持諧振；或通過以爆發模式操作開關，其中，開關的接通和斷開時段的周期性型式被截成由所有開關都斷開的階段中斷的一系列爆發部分。
[0011 ] 在控制輸出電流之後，還可行的是控制輸入電流，並且通過採用嵌套反饋環路，還可行的是控制輸出電流和輸入電流兩者。輸入電流的控制容許保持大致正弦輸入電流曲線，並且從而實現功率因素修正。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]現在將結合附圖來描述本發明的實施例，其中:
圖1是根據本發明的第一實施例的功率轉換器的電路圖；
圖2顯示用於闡述圖1中顯示的功率轉換器的功能的波形；
圖3顯示示出了具有減小的輸出電流的運行模式的波形；
圖4是用於控制圖1中顯示的轉換器的切換的控制器的框圖；
圖5和6顯示示出了轉換器的不同的運行模式的波形；以及 圖7和8是根據本發明的修改的實施例的諧振轉換器的電路圖。
【具體實施方式】
[0013]如圖1中顯不,諧振轉換器10布置成將輸入電壓Uin轉換成輸出電壓Urat。輸入電壓Uin為由電壓源12供應的DC電壓或脈動的DC電壓。
[0014]諧振迴路14由電感器Lr和兩個電容器組形成，一個電容器組為電容器Cr1和Cr2的並聯電路，而另一組為電容器C2和C3的並聯電路(具有並聯負載的LCC拓撲)。諧振迴路14經由開關Q1和Q2形成的半橋16連接到電壓源12上。開關Q1和Q2是電子開關，例如IGBT。這些開關的控制柵連接到電子控制器18(圖4)上，電子控制器18將在後面描述。緩衝電容器Cs1、Cs2並聯連接到各個開關Q1和Q2上。
[0015]以大約25kHz至50kHz的幅度的切換頻率交替地斷開和閉合開關，以便使可具有例如25kHz的諧振頻率的諧振迴路14震蕩。諧振迴路14的電容構件由電容器Crt和(；2形成，電容器Crt和C1-2相對於電感器L對稱地布置,正如開關Q1和Q2那樣。電容器Crt連接在電壓源12的正極和電感器L之間，並且電容器(；2連接在電感器L和電壓源的負極之間。
[0016]具有相等電容的兩個電容器C2和C3串聯連接在電壓源12的正極和負極之間，與諧振迴路14並聯。當諧振迴路震蕩時，在將電感器L連接到電容器C2和C3上的點處的電壓Ur將在中心電壓附近震蕩，中心電壓由電容器C2和C3之間的中間點限定。這個電壓Ur驅動變壓器T的一級側，變壓器T的二級側連接到由二極體全橋D和電容器C4形成的整流器20上。跨過電容器C4的電壓降形成輸出電壓Urat，當連接負載(未顯示)時，用於電容器C4的放電電路閉合，並且一級輸出電流Itjut可在這個放電電路中流動。
[0017]當開關Q1接通而開關Q2斷開時，輸入電流Iin將流過開關Q1和電感器L以對電容器(；2充電。只要跨過電感器L的電壓降為正(Uin>U山諧振迴路14中的電流仁將增加，並且電容器Crt將放電。當電容器Crt被完全放電時，電感器L將使電流L持續，使得電容器C,2將進一步充電，並且電容器Crt將以相反極性充電。跨過電感器L,的電壓降變成負的，並且電流IJ拳低。最終，電流L將改變符號。然後，開關Q1斷開，並且開關Q2接通，使得電容器Crt和(；2將通過電感器L和開關Q2放電。電流將增加，直到電容器Crf放電為止，並且電流將逐漸降到零，同時電壓I相對於電壓源12的負極變成負的。然後，開關Q2將斷開，並且開關Q1將再次接通，使得可開始另一個循環。照這樣，變壓器T中的一級電流保持震蕩，並且當開關Q1和Q2的切換頻率接近諧振迴路14的諧振頻率時，將傳遞最大功率。
[0018]為了阻止電壓源12經由開關Q1和Q2短路，這些開關的接通時段必須始終分開某個最小死時間。在這些死時間期間，本來將流過開關的電流將轉移到緩衝電容器CS1、CS2，並且較少部分進入IGBT的裝置電容中。
[0019]圖2(A)示出開關Q1和Q2的接通和斷開時段的序列。在這個示例中，接通時段分開死時間Td，為了將在下面變得清楚的原因，時間Td大於上面提到的最小死時間。
[0020]圖2⑶示出電壓傳感器22 (圖1)在兩個開關Q1和Q2之間的連結點處感測到的電壓Us的波形。因而，電壓Us對應於跨過開關Q2的電壓降，而Uin-Us代表跨過開關Q1的電壓降。由於圖1中顯示的電路的對稱性的原因，圖2(B)中顯示的電壓Us的波形是點對稱的。
[0021]圖2(C)顯示諧振迴路的電壓U,。在諧振時，這個電壓相對於電壓Us延遲90°。
[0022]圖2(D)顯示諧振迴路中的電流I,。這個電流為比電壓U,超前90°，並且因而與電壓Us的(非正弦)波形至少大致同相。
[0023]在圖2㈧-(D)中的時間&處，開關Q1接通，而開關％斷開。電流仁由閉合的開關Q1供應，並且電壓Ur增加。在時間t2處，電壓Ur已經到達其最大值，並且因此，電流仁穿越零。在這瞬間，開關Q1斷開。開關Q1的這個零電流切換具有的優點在於，IGBT開關Q1中的尾電流的有害作用大部分被避免。
[0024]已經箝到Uin的電壓-現在被允許下降，如圖2(B)中顯示。如果開關％和02之間的連結點不連接到諧振迴路14上，則串聯連接的電容器Csi和Cs2將達到平衡，並且Us將下降到Uin/2。但是，緩衝電容器Csi和Cs2與電感器L形成另一個震蕩電路，並且這個震蕩電路趨向於對Cs2進一步放電。理想地，Us因此將下降到零。
[0025]為了減小開關損耗，死時間Td應當選擇成使得開關Q2剛好在Us到達零時接通，因為那時當這個電容器短路時，存儲在電容器Cs2中的能量不會消散。但是，實際上，Us可能始終無法確切地到達零，因為震蕩電路經歷外部影響，諸如輸入電壓Uin的波動和負載狀況的變化。這就是為什麼可能始終無法實現合乎需要的零電壓切換。但是可實現的為所謂的谷切換，即開關Q2在Us (其絕對值)到達最小值時接通。實現這個狀況的確切時機t3還將取決於上面提到的外部影響，並且因此可針對轉換器的不同的運行狀況而改變。
[0026]在時間t4處，開關Q2將再次斷開(在諧振時的零電流切換)，並且電容器Csi的在t4和t5之間的放電過程是在t2和t3之間的過程的鏡像。在t5處，開關Q1再次接通(谷切換)，並且將開始另一個循環。
[0027]在根據本發明的轉換器中，控制器18(圖4)構造成基於電壓傳感器22測量的電壓Us的實際值來確定接通時機t3和t5，使得甚至在轉換器的不同的運行狀況下，可實現ZVS狀況或至少谷切換狀況。
[0028]在這裡描述的示例中，開關Q1和Q2的切換頻率被改變，以便符合輸出電流Iwt的不同的需求，例如，切換頻率可在25kHz和50kHz之間的範圍中改變。
[0029]圖3(A)_(C)顯示其中轉換器在諧振之上運行的運行模式的波形。因為死時間Td通過谷切換狀況來確定，所以切換頻率的增加意味著開關Q1和Q2的接通時段的工作循環變得更短，如圖3(B)中顯示的那樣。切換頻率由時鐘信號CLK確定，時鐘信號CLK的波形顯示在圖3(A)中。時鐘脈衝的時機對應於圖2中的斷開時機t2和t4，即時鐘脈衝交替地觸發開關Q1和Q2的斷開操作。接通操作然後將由谷切換標準確定。
[0030]圖3(C)顯示斷開諧振模式的諧振迴路的電壓U-因為切換頻率高於諧振頻率，所以電壓I的相延遲大於90°，並且幅度更小，使得較少的功率傳遞到輸出側。開關％和02的縮短的工作循環還將有助於減少功率傳遞(並且還減小輸入電流Iin)。
[0031]現在將參照圖4更詳細地描述控制器18。
[0032]在這個示例中，電壓源12由功率供應形成，功率供應具有二極體全橋12a，用於對AC電網電壓Ugrid整流，但是，功率供應不具有用於平滑經整流電壓的電容器，使得用於轉換器10的輸入電壓Uin具有由正弦正半波構成的波形。
[0033]另外，在這個示例假設轉換器10在電流方面受控制，即輸出電流Itjut被控制到由供應到控制器18的需求信號U setpoint所規定的給定目標值。實際輸出電流Iwt由電流傳感器24測量，並且輸送到控制器18作為反饋信號。
[0034]控制器18的主單元26比較輸出電流U與需求信號U setpoint,並且產生命令信號Cmd,命令信號Cmd供應到乘法器28。電壓傳感器30檢測輸入電壓Uin,並且將表不這個輸入電壓的信號發送到乘法器28的另一個輸入。命令信號Cmd和輸入電壓Uin的乘積供應到控制器18的子單元32，作為基準信號Iin ref0子單元32比較這個基準信號與由電流傳感器34檢測到的輸入電流Iin。作為比較結果，子單元32輸出頻率信號f給時鐘發生器36。這個時鐘發生器進一步接收源自輸入電壓Uin的同步信號sync，並且產生時鐘信號CLK，時鐘信號CLK具有頻率f且與脈動的輸入電壓Uin同步，並且間接地與電網電壓Ugrid同步。
[0035]時鐘信號CLK供應到開關控制器38，開關控制器38進一步接收電壓傳感器22感測到的電壓Us，並且控制開關Q1和Q2的控制柵。例如，開關控制器38可通過監測Us的絕對值和時間導數來確定接通時機。因而，在正常運行模式中，開關控制器38基於時鐘信號CLK來控制開關Q1和Q2的斷開時機和基於感測到的電壓Us來控制開關的接通時機。時鐘信號CLK與電網電壓的同步具有的優點在於，切換頻率和電網頻率(50z)之間的不合需要的幹擾被避免，並且減少了 EMI。
[0036]時鐘信號CLK的頻率被改變，以便控制輸出電流U和輸入電流Iin兩者。在包括子單元的32內反饋環路中，輸入電流Iin被控制，以便保持輸入電流的正弦波形(功率因素修正)。時鐘信號CLK的頻率被控制，以使輸入電流Iin遵從基準值Iin ref,基準值Iin ref為Uin和恆定的(或緩慢變化的)命令信號Cmd的乘積，使得Iin被迫具有與Uin相同的正弦半波。
[0037]Iin的半波的幅度由命令信號Cmd確定，命令信號Cmd在外反饋環路中被改變，夕卜反饋環路包括主單元26，並且使輸出電流Itjut遵從需求信號Iwt setpoint規定的需求。
[0038]開關控制器38具有不同的運行模式，可藉助於主單元26輸送到開關控制器38的模式信號Mod選擇運行模式。例如，因為時鐘信號CLK僅確定開關Q1和Q2的斷開時機，並且接通時機由谷切換標準確定，所以要清楚，應當提供開始模式，用於將第一或第一多個接通脈衝輸送到開關Q1和Q2，直到轉換器開始諧振和可得到有意義的電壓Us為止。在優選實施例中，僅在預先限定的時間窗中允許谷切換。如果谷切換失效，則在正常運行狀況之外，迫使開關接通。
[0039]當Iwtsetpoint代表的需求降低時，切換頻率f可增加，以便對應地降低輸出電流1uto但是，當設定點進一步降低時，將到達這樣的點，即在該點處，切換頻率必須高到即便具有本文提出的轉換器，殘餘的開關損耗仍將變得很大。這就是為什麼開關控制器38具有額外的運行模式，該額外的運行模式容許降低輸出電流，甚至超過這個點。
[0040]圖5以減小的時間尺度示出在這樣一種運行模式的開關Q1和Q2的接通和斷開脈衝的序列，即，在該運行模式中，通過周期性省略兩個開關的獨立的一些接通脈衝來減小功率傳遞。在顯示的示例中，省略兩個開關的四分之一的接通脈衝，使得功率傳遞將減小25%。省略兩個開關的接通脈衝所處的時機相對於彼此偏移，這有助於諧振迴路保持在諧振模式中。雖然隨機的脈衝省略將可行，但是優選使用預先限定的規則的脈衝省略方式，以便避免隨機脈衝消除和子諧波輸出電流差異。
[0041]圖6以甚至進一步減小的時間尺度示出這樣一種運行模式，即，在該運行模式中，兩個開關的接通脈衝的序列被截成由中斷部分42分開的爆發部分40。實際上，每個爆發部分的脈衝的數量將顯著比圖6中顯示的大，足夠大到諧振迴路能夠調入(tune in)，並且中斷部分42可大到諧振震蕩可衰退到下一個爆發部分開始。照這樣，功率傳遞可減小到50%或甚至更少。然而，假設給定切換頻率可高達50kHz，爆發部分40的重複頻率可高到將可忽略輸出電流中產生的波紋。
[0042]當然，還可行的是結合圖5的脈衝省略模式與圖6的爆發模式，以便甚至進一步減小功率傳遞。此外，可行的是改變脈衝省略模式中的省略和未省略的脈衝之間的比率和/或改變爆發模式中的爆發部分的長度和中斷部分的長度之間的比率，並且所有這些可另外與頻率控制結合。例如，當從一個模式切換到另一個模式時，轉換器頻率可基於頻率表或適當的算法而設定成預先限定的值，以便阻止在過渡期間的輸出電流中的瞬間階躍。
[0043]圖7顯示根據修改的實施例的諧振轉換器10』。在這個實施例中，諧振迴路僅具有單個電容器C；，使得與圖1中顯示的實施例相比，電路沒有那麼對稱。儘管如此，上面闡述的功能原理仍然可適用。另外，顯示在圖1中的二極體全橋D已經由二極體DpD2的半橋和輸出電感器Lf所替代。輸出電容器C4連接到變壓器T的二級繞組的中心抽頭上。
[0044]圖8顯示轉換器10〃的另一個實施例，其中四個開關Qp Q2、Q3和Q4形成全橋，使得轉換器可由AC輸入電壓Uin直接提供功率。在這個全橋構造中，開關Q1和Q4將始終與開關Q2和Q3同時切換。諧振迴路由電感器L和單個電容器(；形成，並且跨過電容器(；的電壓降由二極體全橋D3和電容器C4整流，使得DC輸出電壓供應到負載R。
【權利要求】
1.一種諧振功率轉換器，包括由電容構件(crt，(；2 ；Cr)和電感構件(LJ形成的諧振迴路(14)、連接到所述諧振迴路(14)和電壓源(12)上的呈橋構造(16)的至少兩個開關(Q1,Q2 ;Q3，Q4)、並聯連接到所述開關中的各個上的多個緩衝電容器(CS1，Cs2 ；CS3, CS4)，以及控制器(18)，所述控制器(18)適於控制所述至少兩個開關的接通和斷開時機，以便激勵所述諧振迴路(14)，其特徵在於，提供電壓傳感器(22)來感測跨過所述開關中的至少一個(Q2)的電壓降(Us)，並且所述控制器(18)構造成在感測到的電壓降(Us)的絕對值到達最小值時，使所述開關中的所述至少一個(Q2)切換到接通狀態。
2.根據權利要求1所述的轉換器，其特徵在於，所述控制器(18)構造成基於具有給定頻率(f)的時鐘信號(CLK)而確定所述開關進入斷開狀態的切換時機(t2，t4)。
3.根據權利要求2所述的轉換器，其特徵在於，所述時鐘信號(CLK)與AC或波動的DC輸入電壓(Uin)同步。
4.根據權利要求2或3所述的轉換器，其特徵在於，所述頻率(f)是用於針對給定需求而調節所述轉換器的輸出功率或輸出電流(Itjut)的變量。
5.根據前述權利要求中的任一項所述的轉換器，其特徵在於，所述控制器(18)具有這樣一種運行模式，即，其中所述開關的獨立的接通時段被以周期性時間方式省略，以減少所述轉換器的輸出功率。
6.根據權利要求5所述的轉換器，其特徵在於，所述至少兩個開關(Q1A2)的接通時段在相對於彼此偏移的時機被省略。
7.根據前述權利要求中的任一項所述的轉換器，其特徵在於，所述控制器(18)具有這樣一種運行模式，即，其中所述開關的接通和斷開時段的爆發部分(40)與中斷部分(42)交替，在所述中斷部分(42)中，所有開關處於斷開狀態。
8.根據權利要求4至7中的任一項所述的轉換器，其特徵在於，所述控制器(18)適於對所述轉換器的輸出電流(Itjut)進行反饋控制。
9.根據權利要求4至8中的任一項所述的轉換器，其特徵在於，所述控制器(18)適於對所述轉換器的輸入電流(Iin)進行反饋控制。
10.根據權利要求9所述的轉換器，其特徵在於，所述控制器(18)適於根據正弦波形而控制所述輸入電流(Iin)。
11.根據權利要求9和10所述的轉換器，其特徵在於，所述控制器(18)具有嵌套反饋環路(26，32)，以控制所述轉換器的所述輸出電流(I。」和所述輸入電流(Iin)兩者。
12.根據前述權利要求中的任一項所述的轉換器，其特徵在於，所述電壓源(12)構造成輸送波動的(DC)輸入電壓(Uin)，所述波動的(DC)輸入電壓(Uin)具有由正弦半波組成的波形。
13.根據前述權利要求中的任一項所述的轉換器，其特徵在於，具有帶有並聯負載的LCC拓撲。
【文檔編號】H02M3/337GK103460584SQ201280005856
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年1月19日 優先權日:2011年1月19日
【發明者】M.卡多魯斯, J.希夫費倫, M.格雷寧格, D.範卡斯特倫 申請人:Abb有限公司