CN102545570A - Llc转换器有源缓冲电路及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及LLC转换器有源缓冲电路及其操作方法。具体公开了一种用于功率转换器的有源缓冲电路、操作该电路的方法和并入该电路或方法的电感器电感器电容器转换器。在一个实施例中，所述电路包括：(1)串联耦合的第一电容器和二极管，所述第一电容器和二极管与功率转换器中的次级侧开关相关联，并与其输出端耦合；和(2)有源缓冲电路开关，所述有源缓冲电路开关与所述二极管并联耦合，并被构造为在所述次级侧开关打开的时间中的至少一部分期间接收闭合有源缓冲电路开关的控制信号。
Description
技术领域
本申请总地来说涉及功率转换器，更具体地涉及一种LLC转换器有源缓冲电路及其操作方法。
背景技术
功率转换器是将输入电压波形转换为指定的输出电压波形的功率处理电路。在要求DC输出的许多应用中，经常利用开关模式的DC/DC功率转换器来获得益处。开关模式的DC/DC功率转换器通常包括逆变器、隔离变压器和在隔离变压器的次级侧的整流器。逆变器通常包括将DC输入电压转换为AC电压的主电源开关，诸如场效应晶体管(“FET”)。隔离变压器然后将AC电压变换为另一个值，整流器在功率转换器的输出端处产生期望的DC电压。按照惯例，整流器包括多个整流器开关(比如，充当同步整流器开关的二极管或FET)，这些整流器开关响应于输入到其的输入波形来传导负载电流。
通常以诸如200-300kHz的相对高的切换频率操作主电源开关和整流器开关，以使得可在功率转换器内使用较小的组件，诸如电感器和电容器。结果，可降低与功率转换器的组件相关联的寄生或杂散电感或电容。
然而，以上提及的残余寄生元件可产生高频振荡，该高频振荡表现为在功率转换器中与切换转变相关联的不期望的“振铃(ringing)”波形，特别是与变压器和开关相关联的那些。叠加在与功率转换器的正常操作相关联的波形上的振铃波形促使使用更级别的、更高成本的电路组件，以在这样的环境下操作。另外，有害的振铃波形使得功率转换器的损耗更大并且效率更低。一些损耗本身表现为不期望的电磁干扰(EMI)，EMI引起必须被解决的调节问题。由于变压器和电感器元件中固有的相对小的电阻值，而导致在功率转换器中仅可稍微减弱振铃能量。
同步功率转换器是功率转换策略和系统的日益重要的部分。越来越受关注的一种类型的功率转换器是“电感器电感器电容器”转换器(“LLC转换器”)。例如，参见Yang的“Topology Investigationfor Front End DC/DC Power Conversion for Distributed PowerSystem”，Virginia Polytechnic Institute and State University，2003，在此通过引用并入其全部内容。
发明内容
一方面提供一种用于功率转换器的有源缓冲电路。在一个实施例中，所述电路包括：(1)串联耦合的第一电容器和二极管，所述第一电容器和二极管与功率转换器中的次级侧开关相关联，并与所述次级侧开关的输出端耦合；和(2)有源缓冲电路开关，所述有源缓冲电路开关与所述二极管并联耦合，并被构造为在所述次级侧开关打开的时间中的至少一部分期间接收使所述有源缓冲电路开关闭合的控制信号。
另一方面提供一种操作LLC转换器的方法。在一个实施例中，所述方法包括：(1)配置一个或多个初级侧开关；(2)配置一个或多个次级侧开关；和(3)配置一个或多个有源缓冲电路开关，从而使能量被引向LLC转换器的输出端。
又一方面提供一种LLC转换器。在一个实施例中，所述LLC转换器包括：(1)隔离变压器，所述隔离变压器具有初级绕组及第一次级绕组和第二次级绕组；(2)谐振电感器和谐振电容器，谐振电感器和谐振电容器与初级绕组串联耦合，所述初级绕组还与转换器的输入端的负干线耦合；(3)第一初级侧开关，所述第一初级侧开关耦合在谐振电感器与所述输入端的正干线之间；(4)第一次级侧开关和第二次级侧开关，第一次级侧开关和第二次级侧开关通过第一次级绕组和第二次级绕组与输出电容器耦合，所述转换器的输出端从所述输出电容器两端导出；以及(5)有源缓冲电路，所述有源缓冲电路与第一次级侧开关和第二次级侧开关中的每个相关联，所述有源缓冲电路中的每个包括：(5a)串联耦合的第一电容器和二极管，第一电容器和二极管与第一次级侧开关和第二次级侧开关中的对应一个相关联，并与所述输出端耦合；和(5b)有源缓冲电路开关，所述有源缓冲电路开关与所述二极管并联耦合，并被构造为在第一次级侧开关和第二次级侧开关中的对应一个打开的时间中的至少一部分期间接收使所述有源缓冲电路开关闭合的控制信号。
附图说明
现在结合附图对以下描述进行论述，在附图中：
图1是根据本发明的原理构造的LLC转换器的一个实施例的示图；
图2是根据本发明的原理构造的有源缓冲电路的一个实施例的示图；
图3是根据本发明的原理构造的LLC转换器的另一个实施例的示图；
图4A-4D是示出包含有源缓冲电路的LLC转换器的实施例的操作的波形；
图5是将没有有源缓冲电路的示例性LLC转换器与具有有源缓冲电路的同一LLC转换器的效率进行比较的示图；和
图6是根据本发明的原理执行的操作LLC转换器的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
如上所述，功率转换器中的残余寄生元件可在切换转变期间产生表现为不期望的振铃波形的高频振荡。本领域通常所需要的是这样的缓冲电路，该缓冲电路能够减小在整流器的切换转变期间在整流器中出现的不期望的振铃波形，而不显著地降低转换器的效率。这样的缓冲电路可使得可在转换器中利用较低级别的组件，或者可提高其中所用的组件的可靠性。以前的用于LLC转换器的缓冲电路通常由主要将振铃能量消耗为热量的无源组件(比如，电阻器、电容器和二极管)构成。在本领域中进一步需要的是这样的有源缓冲电路，该有源缓冲电路会以其它方式将引起振铃的能量传送到转换器的输出端，从而利用该能量来提高转换器的效率。
本文介绍的是有源缓冲电路和操作该有源缓冲电路的方法的各个实施例，该有源缓冲电路利用至少一个有源组件(比如，开关)会以其它方式将引起振铃的或者基本上将在无源组件中被消耗的能量重新按路线发送到转换器的输出端。从而利用该能量来提高转换器的效率。在一些实施例中，所述转换器是LLC转换器。在这些实施例中的一些实施例中，LLC转换器在可变频率模式下操作，在这些实施例的其它实施例中，LLC转换器在脉宽调制(PWM)模式下操作。
开始参照图1，示出的是根据本发明的原理构造的LLC转换器的一个实施例的示图。如图1所示，所述转换器包括隔离变压器T，隔离变压器T具有极性相对的第一次级绕组SEC1和第二次级绕组SEC2及初级绕组PRI。谐振电感器Lr和谐振电容器Cr与初级绕组PRI串联耦合，初级绕组PRI还与转换器输入端Vin的负干线耦合。第一初级侧开关PR1和第二初级侧开关PR2分别交替地将谐振电感器Lr与转换器输入端Vin的正干线及其负干线耦合。第一次级绕组SEC1和第二次级绕组SEC2分别耦合在第一次级侧开关SR1和第二次级侧开关SR2与输出电容器Cout之间。第一次级侧开关SR1和第二次级侧开关SR2可被认为是整流器开关。虽然图1没有显示它，但是转换器输出端Vout的正输出干线和负输出干线可从输出电容器Cout两端导出。在图1的实施例中，负干线被示为转换器的标称地。LLC控制器110将控制信号提供给第一初级侧开关PR1和第二初级侧开关PR2及第一次级侧开关SR1和第二次级侧开关SR2，以根据需要闭合和打开它们，以将功率从转换器输入端Vin传送到转换器输出端Vout。
在一个实施例中，在转换器的操作周期的第一部分中，LLC控制器110使第一初级侧开关PR1闭合，并打开第二初级侧开关PR2，从而增大谐振电感器Lr、谐振电容器Cr、初级绕组PRI及第一次级绕组SEC1和第二次级绕组SEC2上的电压。同时，LLC控制器110使第一初级侧开关PR1闭合，并打开第二初级侧开关PR2，LLC控制器110还使第一次级侧开关SR1闭合，并打开第二次级侧开关SR2，从而增大输出电容器Cout两端的电压，并将功率传递到转换器输出端。然后，在转换器的操作周期的第二部分中，LLC控制器110打开第一初级侧开关PR1，并使第二初级侧开关PR2闭合，从而降低谐振电感器Lr、谐振电容器Cr、初级绕组PRI及第一次级绕组SEC1和第二次级绕组SEC2上的电压。同时，LLC控制器110打开第一初级侧开关PR1，并使第二初级侧开关PR2闭合，LLC控制器110还打开第一次级侧开关SR1，并使第二次级侧开关SR2闭合，从而再次增大输出电容器Cout两端的电压，并将功率传递到转换器输出端。LLC控制器110然后重复转换器的操作周期，以维持转换器的操作。
在可替换实施例中，LLC控制器110稍微延迟提供给第一次级侧开关SR1和第二次级侧开关SR2的控制信号，而不是在与切换第一初级侧开关PR1和第二初级侧开关PR2相同的时间切换它们。
在转换器的操作周期期间，输出电容器Cout两端的电压保持在期望的电平或者接近期望的电平。在一个实施例中，LLC控制器110监视该电压，并相应地调整提供给第一初级侧开关PR1、第二初级侧开关PR2、第一次级侧开关SR1、第二次级侧开关SR2的控制信号的时序。
图1显示位于第二次级绕组SEC2与第一次级侧开关SR1之间的第一节点120。图1还显示位于第一次级绕组SEC1与第二次级侧开关SR2之间的第二节点130。如上所述，残余寄生元件可在功率转换器中产生与切换转变相关联的振铃波形，特别是与变压器和开关相关联的那些。在图1的实施例中，当第一次级侧开关SR1打开时，这些振铃波形存在于第一节点120处，并且当第二次级侧开关SR2打开时，这些振铃波形存在于第二节点130处。振铃波形通常提升第一节点120和第二节点130处的电压。第一次级开关SR1和第二次级开关SR2中的寄生电容通常使得电压不能快速消耗，因此，在第一节点120和第二节点130处保持。常规的LLC转换器已经利用无源缓冲电路来减弱这些振铃波形，但是这些无源缓冲电路消耗振铃波形中的能量。
与常规LLC转换器相反，图1的实施例引入有源缓冲电路，该有源缓冲电路被构造为将振铃波形中的至少部分能量重新引向转换器的输出端。图1的实施例包括两个有源缓冲电路：第一有源缓冲电路140和第二有源缓冲电路150。第一有源缓冲电路140耦合在第一节点120与转换器输出端Cout的负干线(标称地)之间。第二有源缓冲电路150耦合在第二节点130与转换器输出端Cout的负干线(标称地)之间。由于图1的LLC转换器在可变频率模式下操作，所以用于第一有源缓冲电路140和第二有源缓冲电路150的控制信号可以是用于打开和闭合第一次级侧开关SR1和第二次级侧开关SR2的控制信号的直接函数。在图1的实施例中，用于第一有源缓冲电路140的控制信号是用于驱动第二次级侧开关SR2的控制信号的反相形式，并且用于第二有源缓冲电路150的控制信号是用于驱动第一次级侧开关SR1的控制信号的反相形式。第一反相器160和第二反相器170被构造为使它们的相应控制信号反相，以提供这些反相的控制信号。
现在转到图2，示出的是根据本发明的原理构造的有源缓冲电路的一个实施例的示图。图2的实施例包括被构造为接收沿着导体220的控制信号的有源缓冲电路开关210，导体220端接在有源缓冲电路开关210的控制端子中。在示出的实施例中，有源缓冲电路开关210被构造为控制缓冲电路能量到转换器的输出端的恢复。在示出的实施例中，有源缓冲电路开关210是P沟道场效应晶体管(FET)。根据图2的有源缓冲电路是充当图1的第一有源缓冲电路140还是充当第二有源缓冲电路150，第一电容器230耦和至图1的第一节点120或第二节点130。并联耦合的二极管240和第二电容器250串联耦合在第一电容器230与标称地260之间，标称地260最终变为如图1所示的转换器输出端Cout的负干线。第一电容器230和二极管240被构造为当次级侧开关SR1、SR2断开时收集变压器T和另一个次级侧开关SR2、SR1中的泄漏能量。第一电阻器270和第二电阻器280将有源缓冲电路开关210的功率端子与并联耦合的二极管240和第二电容器250的任一端耦合。第一电阻器270和第二电阻器280被构造为限制流过有源缓冲电路开关210的电流，第二电阻器280更具体地用作源跟随器。可替换实施例仅利用第一电阻器270，并省略第二电阻器280。另外的可替换实施例仅利用第二电阻器280，并省略第一电阻器270。电容器250被构造为压制二极管240的正向恢复时间。可替换实施例利用多个并联连接的二极管来提高寄生电容，以使得可除去分立电容器(比如，电容器25)。
返回到图1并继续参照图2，图2的有源缓冲电路的一个实例取代第一有源缓冲电路140，并且图2的有源缓冲电路的另一个实例取代第二有源缓冲电路150。继续以上关于转换器的操作周期的论述，在转换器的操作周期的第一部分中，LLC控制器110打开第二初级侧开关PR2、第二次级侧开关SR2和第一有源缓冲电路140的有源缓冲开关210。LLC控制器110闭合第一初级侧开关PR1、第一次级侧开关SR1和第二有源缓冲电路150的有源缓冲开关210，这使得谐振电感器Lr、谐振电容器Cr、初级绕组PRI及第一次级绕组SEC1和第二次级绕组SEC2及输出电容器Cout上的电压增大。因此，不仅输出电容器Cout两端的电压由于第一次级侧开关SR1的闭合而增大，而且会以其它方式引起在第二节点130中的振铃波形的至少一些能量反而按照路线通过第二有源缓冲电路150发送到转换器的输出端，从而进一步提升输出电容器Cout两端的电压，输出电容器Cout进一步将功率传递到转换器输出端。
然后，在转换器的操作周期的第二部分中，LLC控制器110打开第一初级侧开关PR1、第一次级侧开关SR1和第二有源缓冲电路150的有源缓冲开关210。LLC控制器110闭合第二初级侧开关PR2、第二次级侧开关SR2和第一有源缓冲电路140的有源缓冲开关210，这使得谐振电感器Lr、谐振电容器Cr、初级绕组PRI及第一次级绕组SEC1和第二次级绕组SEC2及输出电容器Cout上的电压增大。因此，不仅输出电容器Cout两端的电压由于第一次级侧开关SR1的闭合而增大，而且会以其它方式引起在第二节点120中的振铃波形的至少一些能量反而按照路线通过第二有源缓冲电路140发送到转换器的输出端，从而进一步提升输出电容器Cout两端的电压，输出电容器Cout进一步将功率传递到转换器输出端。LLC控制器110然后重复转换器的操作周期，以维持转换器的操作。
现在转到图3，示出的是根据本发明的原理构造的LLC转换器的另一个实施例的示图。如前所述，LLC转换器能够在PWM操作模式下操作。在这样的模式下，从用于驱动第一次级侧开关SR1和第二次级侧开关SR2的控制信号得到用于第一有源缓冲电路140和第二有源缓冲电路150的控制信号是不适当的。因此，图3从用于驱动第一初级侧开关PR1和第二初级侧开关PR2的控制信号得到用于第一有源缓冲电路140和第二有源缓冲电路150的控制信号。前沿延迟电路360、370可被用于稍微延迟控制信号的前沿，以考虑第一初级侧开关PR1和第二初级侧开关PR2中的切换以及谐振电感器Lr、谐振电容器Cr和隔离变压器T的各个绕组PRI、SEC1、SEC2的充电和放电。
有源缓冲电路还可被用在具有与LLC转换器不同的拓扑结构的功率转换器中。在这样的实施例中，有源缓冲电路将具有基本上相同的结构和功能，并将横跨一个或多个次级侧开关，以将能够以其它方式导致振铃波形的能量重新引向开关附近。在这样的非LLC功率转换器中，通常从用于驱动一个或多个初级侧开关的控制波形得到用于驱动有源缓冲电路的控制波形，所述用于驱动一个或多个初级侧开关的控制波形可能具有如图3所示的一些前沿延迟。
现在转到图4A-4D，示出的是示出包含有源缓冲电路的LLC转换器的实施例的操作的波形。图4A示出在缺少根据本发明的原理构造的有源缓冲电路时随时间变化的节点电压(比如，第一节点120处的电压)。图4B示出在存在根据本发明的原理构造的有源缓冲电路时随时间变化的节点电压(比如，第一节点120处的电压)。图4C以放大时间标度传达与图4A相同的信息，图4D以放大时间标度传达与图4B相同的信息。从图4A-4D的比较明显可见，有源缓冲电路的存在就振幅和持续时间而言减小了振铃波形。
现在转到图5，示出的是将没有有源缓冲电路的示例性LLC转换器与具有有源缓冲电路的同一LLC转换器的效率进行比较的示图。下曲线表示具有无源缓冲电路的转换器效率。上曲线表示具有根据本发明的原理构造的有源缓冲电路的转换器效率。很明显，将以其它方式导致功率转换器中的内部节点处的振铃的或者在无源缓冲电路中将被消耗的能量反而有助于功率转换器在大范围的输出电流负载百分比上的总效率。在适度(30％-60％)的负载条件下，效率提高尤其显著(大约.5％)。
现在转到图6，示出的是根据本发明的原理执行的操作LLC转换器的方法的一个实施例的流程图。所述方法起始于开始步骤610。在步骤620中，配置一个或多个初级侧开关(根据需要打开或闭合一个或多个初级侧开关，以开始操作周期的特定部分)。在步骤630中，同样地配置一个或多个次级侧开关。在步骤640中，配置一个或多个有源缓冲电路开关。作为其结果，将以其它方式导致振铃波形的或者在无源缓冲电路中将被消耗的能量反而被引向功率转换器的输出端。在步骤650中，重新配置一个或多个初级侧开关(根据需要打开或闭合一个或多个初级侧开关，以开始操作周期的另一个特定部分)。在步骤660中，同样地重新配置一个或多个次级侧开关。在步骤670中，重新配置一个或多个有源缓冲电路开关。作为其结果，将以其它方式导致振铃波形的或者在无源缓冲电路中将被消耗的另外的能量反而被引向功率转换器的输出端。所述方法结束于结束步骤680。
本申请涉及的领域的技术人员将意识到可对所述实施例进行其它和另外的添加、删除、替换和修改。
Claims (10)
1.一种用于功率转换器的有源缓冲电路，包括：
串联耦合的第一电容器和二极管，所述第一电容器和二极管与所述功率转换器中的次级侧开关相关联，并与所述次级侧开关的输出端耦合；和
有源缓冲电路开关，所述有源缓冲电路开关与所述二极管并联耦合，并被构造为在所述次级侧开关打开的时间中的至少一部分期间接收使所述有源缓冲电路开关闭合的控制信号。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述功率转换器为LLC转换器，所述LLC转换器还包括与所述有源缓冲电路开关耦合的反相器，所述控制信号为提供给所述次级侧开关的控制信号的反相形式。
3.根据权利要求1所述的电路，其中，所述功率转换器还包括前沿延迟电路，所述前沿延迟电路与所述有源缓冲电路开关耦合，所述控制信号从提供给初级侧开关的控制信号得到。
4.根据权利要求3所述的电路，其中，所述功率转换器为LLC转换器。
5.根据权利要求1所述的电路，还包括与所述二极管并联耦合的第二电容器。
6.根据权利要求1所述的电路，还包括耦合在所述有源缓冲电路开关与所述二极管之间的第一电阻器。
7.根据权利要求1所述的电路，还包括耦合在所述有源缓冲电路开关与所述输出端之间的第二电阻器。
8.一种操作LLC转换器的方法，包括：
配置一个或多个初级侧开关；
配置一个或多个次级侧开关；和
配置一个或多个有源缓冲电路开关，从而使能量被引向所述LLC转换器的输出端。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述配置所述一个或多个有源缓冲电路开关的步骤包括在所述次级侧开关中的对应一个打开的时间中的至少部分期间接收使所述一个或多个有源缓冲电路开关闭合的控制信号。
10.一种LLC转换器，包括：
隔离变压器，所述隔离变压器具有初级绕组及第一次级绕组和第二次级绕组；
谐振电感器和谐振电容器，所述谐振电感器和谐振电容器与所述初级绕组串联耦合，所述初级绕组还与所述转换器的输入端的负干线耦合；
第一初级侧开关，所述第一初级侧开关耦合在所述谐振电感器与所述输入端的正干线之间；
第一次级侧开关和第二次级侧开关，所述第一次级侧开关和所述第二次级侧开关通过第一次级绕组和第二次级绕组与输出电容器耦合，所述转换器的输出端从所述输出电容器两端导出；和
有源缓冲电路，所述有源缓冲电路与所述第一次级侧开关和所述第二次级侧开关中的每个相关联，所述有源缓冲电路中的每个包括：
串联耦合的第一电容器和二极管，所述第一电容器和二极管与所述第一次级侧开关和所述第二次级侧开关中的对应一个相关联，并与所述输出端耦合；和
有源缓冲电路开关，所述有源缓冲电路开关与所述二极管并联耦合，并被构造为在所述第一次级侧开关和所述第二次级侧开关中的所述对应一个打开的时间中的至少一部分期间接收使所述有源缓冲电路开关闭合的控制信号。
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