CN101741253A

CN101741253A - 交错的llc功率转换器和其制造方法

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Publication number: CN101741253A
Application number: CN200910224522A
Authority: CN
Inventors: R·雷迪; R·卡塔拉诺; R·格兰德钱普特
Original assignee: Lineage Power Corp
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2008-11-19
Filing date: 2009-11-17
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2029-11-17
Also published as: CN101741253B; US8564976B2; US20100123450A1

Abstract

本发明提供了一种具有第一LLC功率转换器和第二LLC功率转换器的系统。第一LLC功率转换器包括第一LLC电压源。第二LLC功率转换器也包括第二LLC电压源。第一LLC功率转换器还包括耦合到第一LLC功率转换器的第一电压源的第一谐振电感，第一磁电感和第一谐振电容。第二LLC功率转换器包括耦合到第二LLC功率转换器的第二电压源的第二谐振电感，第二磁电感和第二谐振电容。第一LLC功率转换器和第二LLC功率转换器两者可磁耦合到公共负载。第一LLC功率转换器的谐振大体与第二LLC功率转换器的谐振匹配。

Description

交错的LLC功率转换器和其制造方法

技术领域

本发明一般地涉及电感-电感-电容(“LLC”)功率转换器，并且更具体地，涉及多个交错的LLC功率转换器。

背景技术

LLC功率转换器是功率转换系统中日益重要的部分。与其它功率转换器相比，LLC功率转换器具有若干优点。这些优点可以包括原边开关在零负载到满负载之间循环时的零电压开关，较低的电磁辐射。LLC功率转换器还可以以高于多种其它形式的功率转换器的开关频率操作，进而这可以减小LLC功率转换器中的磁性元件的大小。

然而，当采用LLC功率转换器时还产生了一些缺点。一个缺点可以包括高输出波纹电流。当试图交错LLC功率转换器时，这尤其成问题。例如，图1示出了交错的LLC功率转换器的输出可以呈现出明显的波纹电流。大的波纹电流显著阻碍了将LLC功率转换器用在许多功率系统的拓扑中，尤其是，当多个LLC功率转换器被耦合到公共负载时。

发明内容

为了解决现有技术中的上述缺点，本发明提供了一种包括第一LLC功率转换器和第二LLC功率转换器的系统。第一LLC功率转换器包括第一LLC电压源。第二LLC功率转换器包括第二LLC电压源。第一LLC功率转换器还包括耦合到第一LLC电压源的第一谐振电感，第一磁电感和第一谐振电容。第二LLC功率转换器还包括耦合到第二LLC电压源的第二谐振电感，第二磁电感和第二谐振电容。第一LLC功率转换器和第二LLC功率转换器两者可磁耦合到公共负载。第一LLC功率转换器的谐振大体与第二LLC功率转换器的谐振匹配。

在另一个方面，本发明提供了一种包括第一LLC功率转换器和第二LLC功率转换器的系统。该系统包括第一LLC功率转换器的第一LLC电压源和第二LLC功率转换器的第二LLC电压源。该系统还包括第一LLC功率转换器的第一磁电感和第一谐振电容，第一磁电感和第一谐振电容耦合到第一LLC电压源。该系统还包括第二磁电感和第二谐振电容，所述第二磁电感和第二谐振电容耦合到第二LLC功率转换器的第二LLC电压源。该系统还包括包含第一谐振电感和第二谐振电感的组件，其中第一谐振电感和第二谐振电感的电感大体匹配。第一谐振电感耦合到第一LLC电压源。第二谐振电感耦合到第二LLC电压源。第一LLC的谐振大体与第二LLC的谐振匹配。第一LLC功率转换器和第二LLC功率转换器两者可磁耦合到公共负载。

在另一个方面，本发明提供了一种制造第一和第二LLC功率转换器的方法。该方法包括选择用于第一和第二LLC功率转换器中的一组大体匹配的电感，每个LLC功率转换器可磁耦合到公共负载。该方法还包括将该组匹配的电感中的每个元件分别耦合到第一和第二LLC功率转换器中。该方法还包括确定第一LLC功率转换器的第一谐振频率，以及确定第二LLC功率转换器的第二谐振频率。该方法还包括大体匹配第一LLC功率转换器和第二LLC功率转换器的谐振频率。

前面已经概述了本发明的优选和可替换的特征，从而本领域的技术人员可以更好地理解下面对本发明的详细描述。下面将描述构成本发明权利要求的主题的本发明的附加特征。本领域的技术人员应当理解，他们可以容易地使用公开的概念和特定实施例作为基础，以便设计或修改实现与本发明相同目的的其它结构。本领域的技术人员应当认识到，这些等同构造不脱离本发明的精神和范围。

附图说明

为了更完整地理解本发明，现在结合附图参考下面的描述，其中：

图1示出了现有技术的LLC功率转换器的波纹输出的曲线图例；

图2是根据本发明的原理构造的交错两个LLC功率转换器的系统的一个实施例的框图；

图3示出了根据本发明的原理构造的两个交错的LLC功率转换器的输出电流的曲线图；

图4示出了根据本发明的原理构造的包括两个交错的LLC功率转换器的一对匹配的谐振电感的系统的一个实施例的框图；

图5是根据本发明的原理构造的包括一对匹配的谐振电感和具有反向绕组的两个变压器的两个交错的LLC功率转换器的系统的一个实施例的框图；

图6是根据本发明的原理构造的多于两个交错的LLC功率转换器的系统的一个实施例的框图；和

图7示出了制造根据本发明的原理构造的交错的LLC功率转换器的方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

已经认识到输出电流中的不平衡可能是交错的LLC功率转换器之间谐振频率失配的结果。因此交错的LLC功率转换器之间的谐振应当大体匹配。另外，谐振电感的电感失配可能是交错的LLC功率转换器之间的明显谐振失配的一个来源。

因此，可以采用大体匹配的谐振LLC转换器，以便减少或最小化谐振失配。在其它实施例中，调整交错的LLC功率转换器的谐振电感，以便补偿交错的LLC功率转换器之间的谐振失配。在某些实施例中，在进行调整以补偿交错的LLC功率转换器之间的谐振失配之前，事先匹配谐振电感的电感值。

图2是根据本发明的原理构造的交错的第一LLC功率转换器201和第二LLC功率转换器241的系统200的一个实施例的框图。

转换器201具有用于第一LLC功率转换器201的等效的第一Thevenin电压源205。Thevenin电压源205用作LLC功率转换器电压源。可由Thevenin电压源205表示所产生的方波电压输出。可以在可由Thevenin电压源205表示的桥电路的两个金属氧化物半导体场效应晶体管(“MOSFET”)的接合处测量产生的方波电压输出。

对于可在系统200中采用的Thevenin电压源205的更多信息，参见Stuler，AND8257/D“Implementing a Medium Power AC-DCConverter with NCP1395，”Semiconductor Components Industries，LLC，February 2006，Rev.0以及Basso，AND8255/D“A Simple DCSPICE Model for the LLC Converter，”Semiconductor ComponentsIndustries，LLC，October 2006-Rev.2，通过引用将它们完整结合在此。

第一谐振电感210耦合到第一电压源205。第一谐振电容215耦合到第一谐振电感210。第一变压器220的第一磁电感224耦合到第一谐振电容215。第一磁电感224是第一变压器220的原边绕组。第一磁电感224还耦合到电压源205。

第二LLC功率转换器241具有等效的第二Thevenin电压源270。可由Thevenin电压源270表示产生的方波电压输出。可以在可由Thevenin电压源270表示的桥电路的两个MOSFET的接合处测量产生的方波输出。第二谐振电感260耦合到第二电压源270。第二谐振电容250耦合到第二谐振电感260。第二变压器240的第一磁电感244耦合到第二谐振电容250。第一磁电感244是第二变压器240的原边绕组。

第一变压器220具有副边绕组228。副边绕组228被并联耦合到公共负载R₁230。第二变压器240具有副边绕组248。副边绕组248也被并联耦合到公共负载R₁230。公共负载R₁230可磁耦合到第一和第二LLC功率转换器201，241。

在系统200中，在一个实施例中，谐振电感210，260是匹配的电感。在一个实施例中，匹配的电感是各电感具有彼此小于2％的电感变化。在某些实施例中，将在LLC功率转换器201，241中匹配的

谐振包括：

Fs = \frac{1}{{2 π \sqrt{(Ls * Cs)}}

在某些其它实施例中，将在LLC功率转换器201，241中匹配的谐振包括：

Fm = \frac{1}{{2 π \sqrt{{(Ls + Lm) * Cs}}}

因此，具有大体匹配的谐振电感(“L_s”)允许LLC功率转换器201和LLC功率转换器241的谐振频率的更好匹配，这进而允许LLC功率转换器201，241的输出电流的更小的变化。因此输出电流的更小的变化允许LLC功率转换器201，241的有效交错。

在系统200中，在某些实施例中，还将匹配谐振电感210和260，以便发生LLC功率转换器201，241的交错。虽然在常规LLC功率控制器系统中谐振电容的匹配相当直接，但是常规系统一般具有带有明显电感变化的谐振电感，在某些情况下，该电感变化为8.0％或更高。已经认识到这给LLC功率转换器的交错带来了困难。在某些实施例中，通过有利地采用匹配的谐振电感210，260，通过使得交错的LLC功率转换器201，241以接近的谐振操作，系统200可以交错LLC功率转换器201，241。

在某些其它实施例中，调整谐振电感210，260中的至少一个，以便在LLC功率转换器201和LLC功率转换器241之间大体匹配谐振，其中谐振电感210，260可以是匹配的谐振电感。可以使用该调整来补偿由于诸如第一和第二变压器220，240原边侧(即，磁电感224，244)的附加磁“漏电感”的因素引起的谐振失配，从而改变谐振值。在某些其它实施例中，变压器220，240自身可以具有附加的谐振电感，可以调整该附加的谐振电感，以便调整第一和第二谐振电感210，260的电感值。谐振电感210，260的11微亨的值和谐振电容215，250的66毫微法的值仅是示例性的值，并且谐振电感210，260和谐振电容215，250的其它值也落入本发明的范围内。

在系统200中，由于减轻或最小化LLC功率转换器201，241的输出电流之间的波纹电流的变化，可以进行LLC功率转换器201，241的交错。因此，系统200可以例如通过公共负载R₁230，通过匹配的LLC功率转换器的交错，支持比常规LLC功率转换器通常可获得的更高的总输出电流。

图3示出了根据本发明的原理构造的两个交错的LLC功率转换器201，241的输出电流的曲线图例。如图所示，通过采用具有大体匹配的谐振电感210，260的第一和第二LLC功率转换器101，141，明显减小了电流波纹的变化。L₁210和L₂260的值是1.01L_r和0.99L_r，L_r是谐振电感的给定值，这些电感值可以从上述值改变。

如图3所示，具有大体匹配的谐振的LLC功率转换器201，241的交错可能是有利的。该益处可以是LLC功率转换器电流波形的电流特性大体相似，从而允许LLC功率转换器201，241的交错。一般地，LLC功率转换器201，241的交错可以通过负载与交错的LLC功率转换器201，241的数目成比例地降低合计输出波纹电流的变化。输出波形彼此类似，从而允许发生这些波形的交错。类似波形彼此相差固定的相位，从而有助于减轻电流输出的平均变化。

图4是根据本发明的原理构造的包括两个交错的LLC功率转换器401，441的一对匹配的谐振电感的系统400的一个实施例的框图。一般地，系统400包括集成组件431。集成组件431包括第一谐振电感433和第二谐振电感446。第一谐振电感433和第二谐振电感446分别耦合到第一LLC功率转换器401和第二LLC功率转换器441中。

一般地，当制造交错的第一和第二LLC功率转换器401，441时，插入集成组件431，以便辅助第一和第二谐振电感433，446的匹配，由此允许第一和第二LLC功率转换器401，441之间更密切的谐振频率匹配。在制造处理期间采用具有匹配的电感443，446的集成组件431通常是有利的，这是由于系统400的制造者不必匹配谐振电感433，446，从而避免了库存过剩等问题。

第一LLC功率转换器401具有等效的第一Thevenin电压源405。第一谐振电感433耦合到第一电压源405。第一谐振电感433是集成组件431的一部分。谐振电容420耦合到谐振电感433。第一变压器425的第一磁电感427耦合到谐振电容420。第一磁电感427是第一变压器425的原边绕组。第一磁电感427还耦合到电压源405。

第二LLC功率转换器441具有LLC功率转换器441的等效的第二Thevenin电压源470。第二谐振电感410耦合到第二电压源470。第二谐振电感446也是集成组件431的一部分。第二谐振电容455耦合到第二谐振电感446。第二变压器442的第二磁电感444耦合到谐振电容455。第二磁电感444是第二变压器442的原边绕组。

第一变压器425具有副边绕组429。副边绕组429被并联耦合到公共负载R₁430。第二变压器442具有副边绕组448。副边绕组448也被并联耦合到公共负载R₁430。公共负载R₁430可磁耦合到第一和第二LLC功率转换器401，441。

在系统400中，在一个实施例中，谐振电感433，446是匹配的电感。在一个实施例中，当谐振电感433，446被配置为具有彼此小于2％的电感变化时，它们是匹配的电感。在其它实施例中，可以调整谐振电感433，446，以便进一步允许第一LLC功率转换器401和第二LLC功率转换器441之间的谐振匹配。

在一个实施例中，谐振电感433，446的制造者将它们插入到组件431中。在某些实施例中，以制造产品的同一批次制造电感433，446，从而电感433，446更可能具有匹配的电感值。在另一个实施例中，组件431的制造调整谐振电感433的值，以便确保它们彼此落入诸如2％容差之内。在系统400中，组件431被插入到系统400中，从而帮助确保电感433，446之间的匹配，并且从而进一步帮助确保第一LLC功率转换器401和第二LLC功率转换器441之间的谐振频率匹配。在另一个实施例中，系统400的制造者还调整谐振电感433，446中的至少一个，以便帮助LLC功率转换器401和LLC功率转换器441之间的谐振匹配。

在其它实施例中，即使系统400没有以正常操作参数操作，在第一和第二电感433和466之间具有匹配可以是有利的。例如，如果负载430汲取了太多电流以至于不能承受，则LLC功率转换器401，441两者将操作于非线性区域。然而，具有大体匹配的谐振电感433，466帮助确保LLC功率转换器401，441两者以类似的方式非线性地操作(即，输出特性等)，这可以帮助避免交错LLC功率转换器系统的其它故障。

图5是根据本发明的原理构造的两个交错的第一和第二LLC功率转换器501，541的系统500的一个实施例的框图，所述第一和第二LLC功率转换器501，541包括集成组件431的一对匹配的谐振电感433，446和具有反向绕组(即，相反方向的绕组)的第一和第二变压器510，520。对于更多信息，请见Wadlington等人(“Wadlington”)的题为“Electromagnetic Apparatus and Method forMaking a Multi-Phase High Frequency Electromagnetic Apparatus”的美国专利No.7,271,695，通过引用将其完整结合在此。诸如在Wadlington中所见的，采用变压器510，520通常允许对电路中的磁谐振和电感谐振参数进行的更多控制，从而允许LLC功率转换器501，541的更有效的交错。

第一变压器510具有与第二绕组514相反的第一绕组512。第二变压器520具有与第二绕组524相反的第一绕组522。在一个实施例中，至少部分地由于第一和第二变压器的绕组的校准，第一变压器的电感在第二变压器的2％之内。

图6是根据本发明的原理构造的多于两个交错的LLC功率转换器的系统600的一个实施例的框图。第一LLC功率转换器601，第二LLC功率转换器631，第三LLC功率转换器661和第四LLC功率转换器691全部交错，并且可磁耦合到包括耦合的公共负载660的网络655。所有谐振电感602，632，662和692大体匹配。在一个实施例中，谐振电感彼此具有2.0％的变化。由于这帮助确保LLC功率转换器的谐振频率大体匹配，从而帮助减少每个LLC功率转换器602，632，662和692的电流传导变化，这允许LLC功率转换器601，631，661和691的交错。虽然未示出，系统600还可以采用具有相反绕组的变压器，诸如图5的变压器510，520。

图7示出了用于制造诸如可见于系统200，400，500和600的第一和第二功率转换器的方法700。在步骤710，选择一组匹配的谐振电感以用于可磁耦合到公共负载的第一和第二LLC功率转换器。在步骤720，将该组匹配的电感中的每一个元件耦合到第一和第二LLC功率转换器中。在步骤730，确定第一LLC功率转换器的第一谐振频率。在步骤740，确定第二LLC功率转换器的第二谐振频率。在步骤750，大体匹配第一LLC功率转换器和第二LLC功率转换器的谐振频率。

在方法700的另一个实施例中，大体匹配的电感具有彼此在2％之内的电感值。在方法700的其它实施例中，调整第一和第二LLC功率转换器中的至少一个电感的电感值，以便大体匹配第一和第二LLC功率转换器的谐振频率。该调整还可以包括如果第一LLC功率转换器的谐振频率相对于第二LLC功率转换器的谐振频率的变化大于2％，则调整所述至少一个电感。

在方法700的其它实施例中，第一变压器耦合到第一LLC功率转换器，第二变压器耦合到第二LLC功率转换器，并且公共负载耦合在第一变压器和第二变压器之间。第一变压器的原边绕组与第一变压器的副边绕组的缠绕方向相反。第一变压器耦合到第一LLC功率转换器。第二变压器的原边绕组与第二变压器的副边绕组的缠绕方向相反。第二变压器是第二LLC功率转换器的一部分。在一个实施例中，由于第一变压器的电感和第二变压器的电感的失配，进行对电感的调整。

在方法700的另一个实施例中，将第一和第二谐振电感制造为同一批次的一部分。在另一个实施例中，第一谐振电感和第二谐振电感集成在一个公共组件内。在方法700的另一个实施例中，将该组匹配的电感中的每个元件分别耦合到第一和第二LLC功率转换器中的步骤720还包括将该集成组件耦合到第一和第二LLC功率转换器两者内。

在方法700的另一个实施例中，耦合的第一和第二LLC功率转换器被并联耦合到公共负载。在方法700的另一个实施例中，作为将该组匹配的电感中的每个元件分别耦合到第一和第二LLC功率转换器中的步骤的结果，进行大体匹配第一和第二LLC功率转换器的谐振频率的步骤。在另一个实施例中，为高达“N”个的多个LLC功率转换器选择该组匹配的电感，其中根据：a)交错LLC功率转换器的最大输出波纹电流要求；和b)交错LLC功率转换器的给定设计中可用的体积，得出多个LLC功率转换器的个数。

本发明相关领域的技术人员将会理解，可以对描述的实施例进行其它和进一步的增加、删除、替换和修改，而不脱离本发明的范围。

Claims

1.一种包括第一电感-电感-电容功率转换器和第二电感-电感-电容功率转换器——即第一LLC功率转换器和第二LLC功率转换器——的系统，包括：

所述第一LLC功率转换器的第一LLC电压源；

所述第二LLC功率转换器的第二LLC电压源；

耦合到所述第一LLC电压源的所述第一LLC功率转换器的第一谐振电感，第一磁电感和第一谐振电容；

耦合到所述第二LLC电压源的所述第二LLC功率转换器的第二谐振电感，第二磁电感和第二谐振电容；

其中所述第一LLC功率转换器和所述第二LLC功率转换器两者能够磁耦合到公共负载，和

其中所述第一LLC功率转换器的谐振大体与所述第二LLC功率转换器的谐振匹配。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述第一LLC功率转换器的所述谐振频率与所述第二LLC功率转换器的所述谐振频率的所述大体匹配被定义为所述第一LLC功率转换器和所述第二LLC功率转换器之间的谐振频率的2％或更小的变化。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述第一谐振电感和所述第二谐振电感在如下容差之内匹配，所述容差为所述第一谐振电感和所述第二谐振电感之间2％的电感差异。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述第一谐振电感和所述第二谐振电感被集成在公共组件内。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述第一磁电感和第二磁电感中的每一个分别是第一和第二变压器的原边绕组。

6.一种包括第一电感-电感-电容功率转换器和第二电感-电感-电容功率转换器——即第一LLC功率转换器和第二LLC功率转换器——的系统，包括：

所述第一LLC功率转换器的第一LLC电压源；

所述第二LLC功率转换器的第二LLC电压源；

耦合到所述第一LLC电压源的所述第一LLC功率转换器的第一磁电感和第一谐振电容；

耦合到所述第二LLC电压源的所述第二LLC功率转换器的第二磁电感和第二谐振电容；

包括第一谐振电感和第二谐振电感的组件，其中所述第一谐振电感和所述第二谐振电感的电感大体匹配，

其中所述第一谐振电感耦合到所述第一LLC电压源，

其中所述第二谐振电感耦合到所述第二LLC电压源，

其中所述第一LLC的谐振与所述第二LLC的谐振大体匹配，以及

其中所述第一LLC功率转换器和所述第二LLC功率转换器两者能够磁耦合到公共负载。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述第一磁电感和第二磁电感中的每一个分别是第一和第二变压器的原边绕组。

8.如权利要求6所述的系统，其中制造所述第一和第二谐振电感作为同一批次的一部分。

9.如权利要求6所述的系统，其中在所述组件被耦合到所述第一和第二LLC功率转换器之前，将所述第一和第二谐振电感集成在所述组件内。

10.一种制造第一电感-电感-电容功率转换器和第二电感-电感-电容功率转换器——即第一LLC功率转换器和第二LLC功率转换器——的方法，包括：

选择用于第一和第二LLC功率转换器中的一组大体匹配的电感，每个LLC功率转换器能够磁耦合到公共负载；

分别将该组匹配的电感中的每个元件耦合到所述第一和第二LLC功率转换器中；

确定所述第一LLC功率转换器的第一谐振频率；

确定所述第二LLC功率转换器的第二谐振频率；和

大体匹配所述第一和第二LLC功率转换器的谐振频率。