CN100464489C - 谐振电路输出特性控制方法和谐振电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐振电路输出特性控制方法，是根据输出负载的变化，调节谐振电路的电容和/或电感参数，使得谐振电路的电压输出范围扩展。本发明并提供采用上述控制方法的谐振电路。本发明的优点在于：根据谐振电路的负载情况来调节电路中的电容/电感参数，使电路工作在适合的特性曲线上，在高压重载时令电路工作于高谷值、高效率的曲线，而低压轻载时工作于具有低谷值的曲线，就可以两边兼顾，弥补PFM控制方式的不足，有效地扩大电路的输出调节能力。

Description

谐振电路输出特性控制方法和谐振电路

【技术领域】

本发明涉及谐振电路控制技术，具体是涉及一种谐振电路输出特性控制方法和谐振电路。

【背景技术】

目前，谐振电路一般采用变频控制(PFM)的方式，通过调节电路工作的开关频率，得到需要的输出电压。图1是一个典型的半桥LLC串联谐振电路，该电路可以实现主开关管S1、S2的零电压开通，消除输出整流二极管D3、D4的反向恢复，提高电路的效率。在对该电路采用PFM控制时，两个开关管S1、S2互补对称驱动，各导通50％的开关周期。调节S1、S2的开关频率来获得需要的输出电压，输出电压Vo和开关频率f的关系如图2所示。

参考图2，一般开关频率会选择在图2中M＝Vo/Vin取得最大值之后的频率段，所以频率与电压的基本关系是：频率升高，输出电压下降。但是从图2中可以看出，当频率升高到一定程度时，特性曲线变得非常平坦，甚至还可能出现不降反升的情况，使得频率变化对电压的调节能力变得很弱。对于需要得到较宽输出电压范围的模块来说，很大程度上影响了模块的性能。

上面以半桥LLC串联谐振电路为例说明了PFM控制方式存在的缺陷，同样的，全桥LLC串联谐振电路的现象与半桥LLC串联谐振现象是完全相同的。从理论上讲，所有的PFM控制的谐振电路都存在类似的问题。

【发明内容】

本发明的目的在于弥补PFM控制方式存在的上述缺陷，提供一种可扩展谐振电路输出范围的谐振电路输出特性控制方法和谐振电路。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种谐振电路输出特性控制方法，根据输出负载的变化，调节谐振电路的电容和/或电感参数，使得谐振电路的电压输出范围扩展；在所述谐振电路的电容和/或电感上并联调节支路，所述调节支路包括串联的调节电容或电感和控制其通断的可控开关，通过反馈电路获得谐振电路的输出负载信息，控制电路接收该信息并控制各调节支路的可控开关的通断，通过接入或断开不同的调节支路来调节谐振电路的电容和/或电感参数。

一种谐振电路输出特性控制方法，根据输出负载的变化，调节谐振电路的电容和/或电感参数，使得谐振电路的电压输出范围扩展；所述谐振电路为LLC谐振电路；所述LLC谐振电路的谐振电感采用铁硅铝或铁粉作为磁芯材料。

一种谐振电路输出特性控制方法，根据输出负载的变化，调节谐振电路的电容和/或电感参数，使得谐振电路的电压输出范围扩展；所述谐振电路为LLC谐振电路；所述LLC谐振电路的谐振电感采用铁氧体作为磁芯，所述磁芯上具有非均匀气隙，气隙各部分的厚度有差异，所述气隙呈楔形或台阶形。

一种谐振电路，包括振荡回路，还包括调节支路、控制电路和反馈电路，所述振荡回路的电容和/或电感上并联有至少一条调节支路，所述调节支路包括串联的调节电容或电感和控制其通断的可控开关，所述可控开关的控制端接控制电路；所述振荡回路的输出经反馈电路接控制电路，所述控制电路根据输出负载控制各调节支路的可控开关的通断。

所述谐振电路为LLC谐振电路。

一种谐振电路，包括振荡回路，所述谐振电路为LLC电路；所述振荡回路为串联振荡回路，其谐振电感采用铁硅铝或铁粉作为磁芯材料。

一种谐振电路，包括振荡回路，其谐振电感采用铁氧体作为磁芯，所述磁芯上具有非均匀气隙，气隙各部分的厚度有差异；所述谐振电路为LLC谐振电路；所述气隙呈楔形或台阶形。

采用上述技术方案，本发明有益的技术效果在于：

1)根据将在具体实施方式中详细叙述的分析可知，谐振电路的电容/电感参数与其输出特性曲线的变化趋势密切相关，因此能够根据谐振电路的负载情况来调节电路中的电容/电感参数，使电路工作在适合的特性曲线上。例如：在高压重载时令电路工作于具有高工作效率的曲线，而低压轻载时工作于具有更低电压输出的曲线，就可以两边兼顾，弥补PFM控制方式的不足，有效地扩大电路的输出调节能力，而又不影响电路在核心工作区的性能。

2)采用并联调节支路的结构来进行控制，精确可靠；采用铁硅铝芯或铁粉芯电感以及采用具有非均匀气隙的铁氧体磁芯电感，这些类型的电感的感量能够自适应的随电流的增大而减小，不必对电路进行额外的改动即可实现本发明，简单经济。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：

【附图说明】

图1是一种现有典型的半桥LLC串联谐振电路示意图。

图2是图1中电路的输出特性曲线图。

图3是图1中Lm不同时的输出特性曲线比较图。

图4是图1中Ls不同时的输出特性曲线比较图。

图5(a)、(b)分别是台阶形气隙及其电感—电流关系图。

图6是铁硅铝或铁粉芯材料的电感在不同的电流条件下其电感量相对于0电流时电感量的比例图。

图7(a)、(b)分别是楔形气隙及其电感—电流关系图。

图8是图1中Cs不同时的输出特性曲线比较图。

图9是采用本发明控制方式的一种谐振电路示意图。

【具体实施方式】

实施例一、一种谐振电路输出特性控制方法，是根据输出负载的变化，调节谐振电路的电容和/或电感参数，使得谐振电路的电压输出范围扩展。

仍以图1中电路为例，当励磁电感Lm变化时，其输出特性曲线的变化如图3所示。图3中 $f_s=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_s{C}_s}};$ “Lm大”是在核心工作区(如48V输出系统，核心工作区为48V～58V)以效率为优化目标进行设计的参数取值；“Lm小”是在轻载条件下以宽的输出电压范围为目的设计的参数取值。

由图3可以看到，控制特性曲线会随着励磁电感Lm的变化而变化，如果要得到更低的输出电压，可以减小Lm。但是单纯减小Lm，虽然可以向下延展输出电压的范围，却会使得变换器无法实现最优设计，变换器效率显著下降达4％，变换器谐振回路器件损耗成倍增加，散热困难。因此根据输出负载的变化调节Lm，使得输出高压重载时电路工作于Lm大的曲线，而低压轻载时工作于Lm小那条曲线，就可以两边都能兼顾，有效地扩大输出的调节能力，而又不影响核心工作区的性能。

与改变励磁电感Lm类似，改变串联谐振电路的其他电感参数例如谐振电感Ls，也可以得到类似的改善特性。仍以图1中电路为例，当励磁电感Lm变化时，其输出特性曲线的变化如图4所示。图4中 $f_s=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_s{C}_s}};$ “Ls小”是在核心工作区(如48V输出系统，核心工作区为48V～58V)以效率为优化目标进行设计的参数取值；“Ls大”是在轻载条件下以宽的输出电压范围为目的设计的参数取值。

由图4可以看到，控制特性曲线会随着谐振电感Ls的变化而变化，如果要得到更低的输出电压，可以增大Ls。但是单纯增大Ls，虽然可以向下延展输出电压的范围，却会使得变换器无法实现最优设计。因此根据输出负载的变化调节Ls，使得输出高压重载时电路工作于Ls小的曲线，而低压轻载时工作于Ls大那条曲线，就可以两边都能兼顾，有效地扩大输出的调节能力，而又不影响核心工作区的性能。

使电感可以改变的方法有很多，可以采用突变或渐变两种方式：

(1)突变改变电感值的方法有：给被控电感并联调节支路，在某个负载条件下将此支路切入电路或从电路中断开，改变电路的调节特性，这种结构将在下面的实施例中详细叙述；也可以使用铁氧体磁芯的电感，将气隙开成台阶形，如图5(a)所示，这种结构的电感其感量与电流具有如图5(b)所示的当电流增大到一定值时电感值突变减小的关系。

(2)渐变改变电感值的方法有：使用铁硅铝、铁粉芯等磁性材料，这些材料的特性使得电感会随着电流的增大电感量减小，如图6所示(各曲线上所标注的电流值单位为μA)；也可以使用铁氧体磁芯的电感，将气隙开成楔形，如图7(a)所示，这种结构的电感其感量与电流具有如图7(b)所示的电感值随电流增大而减小的关系。

工程实践中，在Lm大→Lm小时，采用(2)中所述逐渐变化的自适应方式效果较好。

同样，改变谐振电路的电容类参数也有相似的效果。仍以图1中电路为例，当电容参数Cs变化时，其输出特性曲线的变化如图8所示，因此同样可通过调节电容参数来扩大电路的动态输出范围。改变电容的具体方式可以采用给被控电容并联调节支路等方法。

实施例二、一种谐振电路，如图9所示，包括串联LLC振荡回路、调节支路、控制电路(未在图中画出)和反馈电路(未在图中画出)。所述串联LLC振荡回路由Lm、Ls和Cs串联构成，两个开关管S1、S2互补对称驱动，控制振荡回路的开关频率；调节支路由调节电感Lmt和可控开关S3串联构成，S3是可控导通、可控关断的，而且在关断时能够阻断双向电流(S3可以用两个可控导通、可控关断但只能阻断单向电流的开关器件对顶合成，如采用两个MOS管对顶合成)，可控开关S3由控制电路控制其导通和关断；调节支路并联在Lm上；振荡回路的输出经反馈电路接控制电路，控制电路根据输出负载控制可控开关S3的通断。

具体工作过程：反馈电路将输出的负载信息传送给控制电路，当电路输出高压重载时，控制电路断开S3，使电路工作于图3中的曲线Lm大；当低压轻载时，控制电路接通S3，使电路工作于图3中的曲线Lm小，既有效地扩大整个电路的输出调节能力，又不影响核心工作区的性能。

图6中调节支路的“调节元件+可控开关”的结构还可以应用到其它各种谐振电路中，并不限于上述形式，其调节的对象可以是回路中的电感也可以是电容，针对调节对象选择相应的调节元件即可，甚至可以同时为电容和电感配备调节支路，每个被调节元件也不只限于配备一条调节支路，其数目可根据需要调节的精度和实际需要来确定。

Claims (8)

1.一种谐振电路输出特性控制方法，其特征在于：根据输出负载的变化，调节谐振电路的电容和/或电感参数，使得谐振电路的电压输出范围扩展；在所述谐振电路的电容和/或电感上并联调节支路，所述调节支路包括串联的调节电容或电感和控制其通断的可控开关，通过反馈电路获得谐振电路的输出负载信息，控制电路接收该信息并控制各调节支路的可控开关的通断，通过接入或断开不同的调节支路来调节谐振电路的电容和/或电感参数。

2.根据权利要求1所述的谐振电路输出特性控制方法，其特征在于：所述谐振电路为LLC谐振电路。

3.一种谐振电路输出特性控制方法，其特征在于：根据输出负载的变化，调节谐振电路的电容和/或电感参数，使得谐振电路的电压输出范围扩展；所述谐振电路为LLC谐振电路；所述LLC谐振电路的谐振电感采用铁硅铝或铁粉作为磁芯材料。

4.一种谐振电路输出特性控制方法，其特征在于：根据输出负载的变化，调节谐振电路的电容和/或电感参数，使得谐振电路的电压输出范围扩展；所述谐振电路为LLC谐振电路；所述LLC谐振电路的谐振电感采用铁氧体作为磁芯，所述磁芯上具有非均匀气隙，气隙各部分的厚度有差异；所述气隙呈楔形或台阶形。

5.一种谐振电路，包括振荡回路，其特征在于：还包括调节支路、控制电路和反馈电路，所述振荡回路的电容和/或电感上并联有至少一条调节支路，所述调节支路包括串联的调节电容或电感和控制其通断的可控开关，所述可控开关的控制端接控制电路；所述振荡回路的输出经反馈电路接控制电路，所述控制电路根据输出负载控制各调节支路的可控开关的通断。

6.根据权利要求5所述的谐振电路，其特征在于：所述谐振电路为LLC谐振电路。

7.一种谐振电路，包括振荡回路，其特征在于：所述谐振电路为LLC谐振电路；所述振荡回路为串联振荡回路，其谐振电感采用铁硅铝或铁粉作为磁芯材料。

8.一种谐振电路，包括振荡回路，其特征在于：所述谐振电路为LLC谐振电路；其谐振电感采用铁氧体作为磁芯，所述磁芯上具有非均匀气隙，气隙各部分的厚度有差异；所述气隙呈楔形或台阶形。

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