CN103683974A

CN103683974A - 全数字控制大功率交直流变换器

Info

Publication number: CN103683974A
Application number: CN201310672518.5A
Authority: CN
Inventors: 章磊; 步宏飞
Original assignee: Efore Suzhou Electronics Co Ltd
Current assignee: Efore Suzhou Electronics Co Ltd
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明涉及全数字控制大功率交直流变换器，交流输入滤波器输出端连接功率因素校正转换器输入端，功率因素校正转换器输出端连接LLC转换器输入端，LLC转换器输出端连接直流输出滤波器输入端，直流输出滤波器输出端接至直流输出端，交流输入滤波器的输入信号端和功率因素校正转换器的输入信号端均连接高压隔离信号传输装置，高压隔离信号传输装置连接数字信号处理器，数字信号处理器连接高压隔离驱动器，高压隔离驱动器分别与功率因素校正转换器和LLC转换器控制连接。相对于模拟控制器，温度特性稳定，一致性高；相对于2片数字信号处理器分别控制PFC和LLC，减少数字信号处理器在输入侧的雷击及电网浪涌等损坏危险。

Description

全数字控制大功率交直流变换器

技术领域

本发明涉及一种低成本数字控制交流输入直流输出变换装置。

背景技术

目前，为适应全球电网电压，电源转换器的输入电压需要覆盖85~275V交流电压。普通常用交流输入直流电源方案对85~275V交流总线输出的架构，是从交流输入滤波（AC Filter）到前段功率因素校正（Power Factor Correction ，简称PFC）再到后端直流变换器（DC-DC Converter）输出到直流总线或者电池组。

交流输入滤波器是为了减少电源产品对电网的电磁干扰，各电源匹配不尽相同，难以比较。功率因素校正PFC电路是为了满足电磁兼容标准（如IEC61000，GB4943等）的功率因素（简称 PF）和减少输入电流谐波，全球各大芯片控制厂家已经推出专业模拟控制芯片（简称IC）和应用数字信号处理器（简称DSP）。后端直流变换器业界认同的高效率大功率直流变换器多以三元件谐振桥式（简称LLC）为主，也有推出专业模拟IC和应用DSP。

使用传统的模拟芯片控制PFC和LLC时，控制芯片周围辅助元器件较多，受元器件公差和温度漂移的影响，产品的一致性很难保证，可生产性降低。无法根据输入电压和输出电压和负载条件进行优化设计，更新设计是需要跟换元器件，操作成本高，风险较大。

使用2片数字信号处理器风别控制PFC和LLC时，为实时优化，数字信号处理器之间通信耗费大量芯片资源。处于输入侧PFC数字信号处理器容易受到雷击，电网浪涌和其它输入干扰的损坏。处于输入侧PFC数字信号处理器无法进行直接带电操作，程序更新比较复杂。成本较高，不利于市场推广。数字信号处理器之间通信容易受到电磁干扰的影响。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种高效率、高可靠性、低成本的数字控制交流输入直流输出变换装置。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

全数字控制大功率交直流变换器，特点是：包括交流输入滤波器、功率因素校正转换器、LLC转换器和直流输出滤波器，交流输入滤波器的输出端连接功率因素校正转换器的输入端，功率因素校正转换器的输出端连接LLC转换器的输入端，LLC转换器的输出端连接直流输出滤波器的输入端，直流输出滤波器的输出端接至直流输出端，交流输入滤波器的输入信号端和功率因素校正转换器的输入信号端均连接高压隔离信号传输装置，高压隔离信号传输装置连接数字信号处理器，数字信号处理器连接高压隔离驱动器，高压隔离驱动器分别与功率因素校正转换器和LLC转换器控制连接。

进一步地，上述的全数字控制大功率交直流变换器，所述LLC转换器和直流输出端分别与数字信号处理器相连。

本发明技术方案的实质性特点和进步主要体现在：

①本发明相对于模拟控制器，具有温度特性稳定，一致性高，更新设计容易实现，且无操作人为损坏危险，可根据输入输出电压和负载条件进行优化设计，提高效率，平滑负载效率曲线；

②相对于2片数字信号处理器分别控制PFC和LLC，减少了数字信号处理器之间通信耗费大量的资源，减少数字信号处理器在输入侧的雷击以及电网浪涌和其它输入干扰的损坏危险，避免输入侧PFC数字信号处理器无法进行直接带电操作的触电危险，避免数字信号处理器之间通信容易受到电磁干扰的影响；

③通过对多种电路的优化设计，采用单一数字信号处理器方案实现高可靠性，整机能量转换效率超过96％，具有20％到100％负载状态效率变化小于1％的平滑效率曲线，在低输入电压下也有很好的效率表现和热平衡；器件成本得到降低，生产工艺得到简化。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：本发明的构造示意图。

具体实施方式

如图1所示，全数字控制大功率交直流变换器，包括交流输入滤波器1、功率因素校正转换器2、LLC转换器3和直流输出滤波器4，交流输入滤波器1的输出端连接功率因素校正转换器2的输入端，功率因素校正转换器2的输出端连接LLC转换器3的输入端，LLC转换器3的输出端连接直流输出滤波器4的输入端，直流输出滤波器4的输出端接至直流输出端5，交流输入滤波器1的输入信号端和功率因素校正转换器2的输入信号端均连接高压隔离信号传输装置8，高压隔离信号传输装置8连接数字信号处理器7，数字信号处理器7连接高压隔离驱动器6，高压隔离驱动器6分别与功率因素校正转换器2和LLC转换器3控制连接，LLC转换器3和直流输出端5分别与数字信号处理器7相连。

交流输入经交流输入滤波器1后由功率因素校正转换器2升压后至LLC转换器3的输入，LLC转换器3将功率因素的高压输入转换成低压直流输出，直流输出滤波器4滤波后由直流输出端5输出。其控制部分，交流输入滤波器1和功率因素校正转换器2的输入信号经过高压隔离信号传输装置8将模拟信号转化脉宽信号传输到数字信号处理器7，数字信号处理器7经计算处理后，发出脉宽信号由高压隔离驱动器6隔离放大后控制功率因素校正转换器2以及频率信号控制LLC转换器3。

LLC转换器3的电路工作有三种状态，即开关频率大于谐振频率的降压区，开关频率等于谐振频率谐振区，开关频率小于谐振频率升压区。通过改变功率因素校正转换器2的输出电压将LLC转换器3设定在工作效率最高的谐振频率（Fr）等于开关频率（Fs）的谐振区，因为LLC转换器3工作的电流波形类似为正弦波，尤其是工作在谐振区，即开关频率等于谐振频率的时候，原边的开关器件近似工作在零电压零电流开通，关断为零电流模式，在此工作状态下，原边开关器件的开关转换损耗近乎为零，能够得到很高的转换效率。其次副边整流二极管的电流转化也是接近为零，不存在反向恢复电流导致的电压尖峰问题。通常二极管的导通压降和最大反向电压值成反比，由于没有尖峰问题，可选择较低反向电压的二极管，减少损耗，降低成本。

通过改变功率因素校正转换器2在满足输入功率因素和谐波要求的情况下将功率因素校正转换器2的输出电压改变，使得LLC转换器3闭环工作在需要的工作效率最高的谐振频率（Fr）等于开关频率（Fs）的谐振区；同时在负载条件改变时适当修正功率因素校正转换器2的输出电压，达到高效率同时效率曲线随负载变化更为平滑、对于LLC转换器3的副边整流二极管在谐振区时为软开关切换，所以整个负载条件几乎没有反向恢复的尖峰过大问题，提高可靠性和改善电磁干扰，达到设计接近最优化的目的。在低输入电压情况下，如果还要保证LLC转换器3工作在开关频率（Fs）的谐振区的话，功率因素校正转换器2的效率将下降较快，所以适当调整功率因素校正转换器2的输出电压使低于通常值，提高功率因素校正转换器2的低压工作效率。虽然此变化使得LLC转换器3的开关工作频率低于谐振频率，但是效率变化不太大，最终整个交流直流装换装置在低电压输入下，保证较高整机效率和热平衡。

将通常的双数字信号处理器优化成一个数字信号处理器，带来计算冗余的减少，控制器之间的通信耗费和通讯信号干扰问题已经没有，在生产中减少了生产工序，器件个数的减少带来成本的降低，提到功率密度。将数字信号处理器放置在低压直流输出端，使用高压隔离信号传输装置和高压隔离驱动器满足输入和输出侧电气隔离需求，同时降低了输入端雷击浪涌和其他输入电子干扰对数字信号处理器的影响，提高了使用的可靠性。在更新程序时没有输入侧带电安全问题，简化了更新设计的流程和降低了操作风险。

将PFC级和LLC的交流输入侧采样信号通过高压隔离传输装置传输到直流输出侧两级转换器的控制单元集成到一个数字信号处理器，输出侧信号可直接采样。在一个数字信号处理器里将PFC和LLC的输入信号进行优化和计算后，在通过高压隔离驱动器将直流输出侧数字信号处理器的输出控制信号传输到输入侧PFC级和LLC级，完成整个环路控制。不仅具有数字控制相对于模拟芯片的一致性好、效率高、更新设计容易等优点，还在区别于其它数字信号处理器，以数字控制技术配合可以信号高压隔离传输装置使所有控制归于一个数字信号处理器内部进行处理，使得这个电源变换器具备在根据不同输入电压输入条件下，进行效率工作，而没有高频信号传输问题；计算冗余的减少，数字信号处理器的减少带来成本降低，便于量产；数字信号处理器输出侧的位置避免了数字信号处理器在输入侧雷击和电压浪涌带来损坏的风险，提高产品的可靠性；也避免了输入侧程序更新带来的安全风险；减少生产流程中程序输入的次数，降低工时，提高生产效率。

相对于模拟控制芯片，具有温度特性稳定，一致性高，更新设计容易实现，且无操作人为损坏危险，可根据输入输出电压和负载条件进行优化设计，提高效率，平滑负载效率曲线。相对于2片数字信号处理器分别控制PFC和LLC，减少了数字信号处理器之间通信耗费大量的芯片资源，减少数字信号处理器在输入侧的雷击以及电网浪涌和其它输入干扰的损坏危险，避免输入侧PFC数字信号处理器无法进行直接带电操作的触电危险，避免数字信号处理器之间通信容易受到电磁干扰的影响。

通过对多种电路的优化设计，采用单一数字信号处理器方案实现高可靠性，整机能量转换效率超过96％，具有20％到100％负载状态效率变化小于1％的平滑效率曲线。在低输入电压下也有很好的效率表现和热平衡。此外器件成本得到降低，生产工艺得到简化。

需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.全数字控制大功率交直流变换器，其特征在于：包括交流输入滤波器、功率因素校正转换器、LLC转换器和直流输出滤波器，交流输入滤波器的输出端连接功率因素校正转换器的输入端，功率因素校正转换器的输出端连接LLC转换器的输入端，LLC转换器的输出端连接直流输出滤波器的输入端，直流输出滤波器的输出端接至直流输出端，交流输入滤波器的输入信号端和功率因素校正转换器的输入信号端均连接高压隔离信号传输装置，高压隔离信号传输装置连接数字信号处理器，数字信号处理器连接高压隔离驱动器，高压隔离驱动器分别与功率因素校正转换器和LLC转换器控制连接。

2.根据权利要求1所述的全数字控制大功率交直流变换器，其特征在于：所述LLC转换器和直流输出端分别与数字信号处理器相连。