CN104956578B - 谐振转换器的启动期间的涌入电流控制 - Google Patents

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Abstract

一种使用软启动的转换器，包括：变压器；第一和第二开关，与所述变压器连接，以向所述变压器供电；控制器，与第一和第二晶体管连接，并且被布置为：在所述转换器的启动期间，以可变占空比来切换所述第一开关，并以固定占空比或具有比所述第一开关的所述可变占空比的脉冲更大的脉冲的可变占空比来切换所述第二开关；以及泄放设备，被布置为通过在启动之前对所述转换器中的电容器放电，来在转换器启动之前设置所述转换器的初始条件。

Description

谐振转换器的启动期间的涌入电流控制
技术领域
本发明涉及直流/直流转换器。更具体地，本发明涉及谐振直流/直流转换器的软启动控制方案。
背景技术
针对谐振直流到直流转换器(例如，LLC或LLCLL谐振转换器)的使用高侧开关脉冲宽度调制(PWM)控制、低侧开关PWM控制或任何其他不对称PWM控制的已知软启动控制方案需要在启动之前对谐振转换器中的初始条件进行考虑。例如，如果使用高侧开关PMW控制(即，高侧开关以可变占空比进行操作，而低侧开关以全占用比进行操作)，将通过低侧开关两端的初始电压来确定涌入电流。初始电压越高，则涌入电流将越大。
大的涌入电流会在谐振转换器的启动期间导致一个或更多个以下问题：
1)高初始电流会导致谐振转换器的输入电容器(即谐振电容器)中的过压瞬态，这会缩短输入电容器的寿命。
2)大涌入电流会缩短谐振转换器的输入开关(即，初级侧开关)的寿命。
3)大涌入电流还会使谐振转换器的谐振电感器饱和。从而，涌入电流会由于谐振电感器被饱和而增加。
4)大涌入电流会导致在软启动谐振转换器的初始阶段期间在谐振转换器的输出处出现谐振(例如大的纹波电压)。
Sun等人(U.S.8,018,740)教导了在LLC谐振转换器的启动期间用固定频率和可变脉冲占空比操作模式来操作LLC谐振转换器。Sun等人的LLC谐振转换器一完成启动(例如，当在与LLC谐振转换器的输出相连的负载处达到预定电压时)就切换至可变频率和固定脉冲占空比操作模式。也就是说，在启动期间，Sun等人的LLC谐振转换器以PWM模式来操作，使得仅占空比是受控制的而LLC谐振转换器的频率保持固定，然后在启动之后切换至脉冲频率调制(PFM)模式。
因此，Sun等人的控制方案的一个缺点在于：针对LLC谐振转换器使用商用控制集成电路(IC)的该方案的实现是困难的，原因在于LLC谐振转换器的LLC的传统控制IC通常不包括可变脉冲占空比能力。因此，尽管该方案可以有效地限制LLC谐振转换器中的涌入电流，仍需要外部电路来控制高侧和低侧开关来以可变占空比操作。这种外部电路需要复杂的实施方式来满足高侧开关的隔离需求。Sun等人的控制方案的另一个缺点是启动期间软切换的损失，其针对栅极驱动设计需要特殊考虑。
Feng等人(“Optimal Trajectory Control of Resonat LLC Converter forSoft Start-Up)教导了使用不对称的电流限制带来稳定初始电压和电流电平的LLC谐振转换器的控制方案。因为在不对称的电流限制带内控制Feng等人的启动电流，在启动期间不存在涌入电流。因此，Feng等人的控制方案的一个缺点在于需要不对称的电流限制带来实现不对称的电流限制带，不对称的电流限制带增加了包括Feng等人的控制方案的系统的总成本。Feng等人的控制方案的另一个缺点在于：该控制方案仅适用于如图1所示的具有单个谐振电容器的半桥LLC谐振转换器，而不适用于具有分离的谐振电容器的半桥LLC谐振转换器。
发明内容
为了克服上述问题，本发明的优选实施例为可变频率谐振转换器提供了软启动控制方案，以克服在传统谐振转换器启动期间发生的上述问题。根据本发明的优选实施例的软启动控制方案通过针对一个开关(高侧或低侧)使用泄放设备和执行可变占空比控制来限制涌入电流和降低瞬态过压，来设置谐振转换器的初始条件，谐振转换器的初始条件优选地包括在启动谐振转换器之前将电容器的电压设置为零或接近零。如果泄放设备是泄放电阻器，则泄放电阻器R优选地具有非常大的电阻，并因此对谐振转换器的正常操作的作用忽略不计。
根据本发明的第一优选实施例的一种使用软启动的转换器，包括：变压器；第一和第二开关，第一和第二开关与变压器连接来为变压器供电；控制器，控制器与第一和第二晶体管连接，并且被布置为：在转换器启动期间，以可变占空比来切换第一开关，并以固定占空比或具有比第一开关的可变占空比的脉冲更大的脉冲的可变占空比来切换第二开关；以及泄放设备，被布置为通过在启动之前对转换器中的电容器放电，来在转换器启动之前设置转换器的初始条件。
泄放设备优选地与第二开关并联。
优选地，或者：
1)第一开关是高侧开关且第二开关是低侧开关；或者
2)第一开关是低侧开关且第二开关是高侧开关。
转换器优选地还包括串联的第一和第二电容器；其中第一电容器优选地与第一晶体管连接以及其中第二电容器优选地与第二晶体管连接。优选地，泄放设备与第二电容器并联；以及第二电容器是转换器中的在启动之前由泄放设备来放电的电容器。
优选地，要么
1)第一开关是高侧开关；
2)第二开关是低侧开关；
3)第一电容器是高侧电容器；以及
4)第二电容器是低侧电容器；
要么
1)第一开关是低侧开关；
2)第二开关是高侧开关；
3)第一电容器是低侧电容器；以及
4)第二电容器是高侧电容器。
泄放设备优选地在启动之前将转换器中的电容放电至零或接近零。转换器优选地还包括谐振电感器。优选地，谐振电感器是分立电感器或变压器的漏电感。优选地，泄放设备包括电阻器或开关。转换器优选地是谐振转换器。对第一开关的切换优选地是中心对齐的、左对齐的或右对齐的。
根据发明的优选实施例的一种针对转换器的软启动方法，包括以下步骤：提供包括以下部件的转换器：变压器和第一和第二开关，第一和第二开关与变压器连接来为变压器供电；在启动转换器之前，通过在启动之前对转换器中的电容器放电来设置转换器的初始条件；以及在转换器启动期间，以可变占空比来切换第一开关，并以固定占空比或具有比第一开关的可变占空比的脉冲更大的脉冲的可变占空比来切换第二开关。
优选地使用与第二开关并联的泄放设备来执行设置初始条件步骤。
转换器还优选地包括串联的第一和第二电容器；其中第一电容器优选地与第一晶体管连接；以及第二电容器优选地与第二晶体管连接；以及使用与第二电容器并联的泄放设备来执行设置初始条件步骤。
优选地，在启动之前将转换器中的电容器放电到零或接近零。转换器优选地是谐振转换器。
根据以下对本发明的优选实施例的详细说明并参照附图，本发明的以上的和其他的特征、单元、特性、步骤和优点将变得更加明显。
附图说明
图1是具有单个谐振电容器Cr的传统半桥LLC谐振转换器的电路图。
图2是具有添加的泄放电阻器R的对称半桥LLC谐振转换器的电路图。
图3A-3D示出了在使用不具有泄放电阻器R的高侧PWM的软启动期间的波形。
图4A-4D示出了在使用具有泄放电阻器R的高侧PWM的软启动期间的波形。
图5是具有用于高侧PWM的与低侧谐振电容器C2并联的泄放电阻器R的转换器的电路图。
图6是具有用于高侧PWM的与低侧开关Q2并联的泄放电阻器R的转换器的电路图。
图7A-7C示出了仅对于高侧开关Q1具有可变占空比控制的栅极驱动信号。图7A示出了中心对齐的占空比，图7B示出了左对齐的占空比，并且图7C示出了右对齐的占空比。
图8是具有用于低侧PWM的与高侧谐振电容器C1并联的泄放电阻器R的转换器的电路图。
图9是具有用于低侧PWM的与高侧开关Q1并联的泄放电阻器R的转换器的电路图。
图10A-10C示出了仅对于低侧开关Q2具有可变占空比控制的栅极驱动信号。图10A示出了中心对齐的占空比，图10B示出了左对齐的占空比，并且图10C示出了右对齐的占空比。
图11示出了具有不对称的PWM的栅极驱动信号。
图12是使用电容自举(bootstrap)的半桥栅极驱动的电路图。
具体实施方式
图2是根据本发明的优选实施例的LLC谐振转换器的示例的示意图。图2中所示的LLC谐振转换器是优选地包括至少一个高侧开关Q1和至少一个低侧开关Q2的半桥LLC谐振转换器。优选地，高侧开关Q1和低侧开关Q2是金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)。此外，图2中所示的LLC谐振转换器优选地包括串联的高侧谐振电容器C1和低侧谐振电容器C2、谐振电感器Lrt、励磁电感器Lmt和变压器。优选地，高侧谐振电容器C1和低侧谐振电容器C2是分裂(split)谐振电容器。具体地，可以在中等功率和高功率应用中使用分裂谐振电容器C1和C2，以帮助减小输入电流纹波。
谐振电感器可以是分立(discrete)电感器，例如图5、6、8和9中所示的谐振电感器Lre，或者可以由变压器的漏电感创建，例如图2、5、6、8和9中所示的谐振电感器Lrt。励磁电感器可以是分立电感器，例如图5、6、8和9中所示的励磁电感器Lme，或者可以由变压器的励磁电感创建，例如图2、5、6、8和9中所示的励磁电感器Lmt。此外，谐振和励磁电感器可以分别包括分立电感器和漏电感两者，例如图5、6、8和9中所示。次级开关Q3和Q4连同输出电容器Co一起优选地定义图2中所示的LLC谐振转换器的次级侧同步整流电路。可以使用整流二极管来替代开关Q3和Q4。
在图2中的优选实施例中，以可变占空比来控制对高侧开关Q1的切换，而以完全占空比来控制对低侧开关Q2的切换。换言之，在LLC谐振转换器的启动期间仅高侧开关Q1处于PWM模式。
泄放电阻器R与低侧谐振电容器C2并联。因此，在谐振转换器启动之前，低侧开关Q2和低侧谐振电容器C2两端的初始电压接近零。因为泄放电阻器R优选地具有大电阻，所以泄放电阻器R可能不能对低侧谐振电容器C2完全放电；然而，泄放电阻器R可以将低侧谐振电容器C2放电至可接受的低电压。
当在启动时以全占空比来导通低侧开关Q2时，因为由低侧谐振电容器C2上的小初始电压而导致的应用于谐振电感器Lrt的电压小，所以没有生成大的涌入电流尖峰。当导通高侧开关Q1时，应用于谐振电感器Lrt的电压接近输入电压Vi，其导致电流的快速增加。然而，高侧开关Q1是PWM控制的，使得可以通过改变高侧开关Q1的占空比来轻易地将电流控制为可接受的电平。因此，通过在启动谐振转换器之前合理地设置初始条件，可以避免涌入电流。
因为涌入电流受该控制方案的限制，所以还可以消除高侧谐振电容器C1和低侧谐振电容器C2上的瞬态过压问题。此外，可以实现软启动，并且可以显著减小和防止软启动的初始阶段期间的振荡。
图3A-3D是在没有泄放电阻器R的情况下图2的LLC谐振转换器的高侧PWM控制的仿真电压和电流测量的图，并且图4A-4D是在具有泄放电阻器R的情况下图2的LLC谐振转换器的高侧PWM控制的仿真电压和电流测量的图。如图3B中的图表所示，在没有泄放电阻器R的情况下，在谐振转换器的启动期间通过谐振电感器Lrt、Lre的谐振电流Ires呈现大的涌入电流尖峰。此外，如图3C中的图表所示，该大涌入电流还导致高侧谐振电容器C1上的高电压尖峰。
如图4A-4D所示，在有泄放电阻器R的情况下，显著降低涌入电流和高侧谐振电容器C1两端的初始电压尖峰两者，这减小了谐振转换器组件上的压力。
该控制方案的另一个优点在于，低侧开关Q2在零电压导通。因此，仅在谐振转换器的启动期间在高侧开关Q1中发生零电压切换(ZVS)损失。因此，与传统PWM方案相比减小了切换噪声。
控制方案的实施方式相对简单，原因在于高电压半桥栅极驱动器可以用于驱动高侧开关Q1和低侧开关Q2的栅极端子，以不再需要传统谐振转换器中使用的庞大的脉冲转换器。
充当由控制器IC提供的栅极驱动信号的缓存的商用高电压半桥栅极驱动IC能够驱动高侧开关Q1，原因在于使用了自举电容，图12中示出了其示例。高电压半桥栅极驱动IC通常包括以下端子：高侧电源VB、高侧输出HO、高侧地或电压偏置VS、低侧电源VCC、低侧输出LO和低侧地COM。用适当的时间间隔导通低侧开关Q2，来适当地为高侧栅极驱动器电源的自举电容器CB充电。自举电容器CB与低侧电源VCC相连，低侧电源VCC通常由辅助电源通过二极管DB以大约12瓦特供电，二极管DB防止来自输入电压Vi的高电压损坏低侧电源VCC。通过使用该结构，以全占空比导通低侧开关Q2，这允许高侧栅极驱动器电源的自举电容CB在每个循环充满电。如图12所示，低侧缓存电容器CL提供低侧输出电压缓存，并对自举电容器CB充电。低侧缓存电容器CL的电容优选地大约是自举电容器CB电容的大约10倍。
对于使用电容自举的高侧栅极驱动，低侧开关Q2优选地在高侧开关Q1之前导通，以对自举电容器CB预充电。这种布置将低侧谐振电容器C2充电到某种程度并将高侧谐振电容器C1放电到某种程度。因此，在高侧开关Q1导通之前，高侧谐振电容器C1两端的电压增加，这导致了较大的涌入电流。减小自举电容器的电容减小了由在高侧开关Q1导通之前的高侧谐振电容器C1两端的电压导致的涌入电流。然而，应当仔细选择自举电容器的电容，以确保栅极驱动器的可靠操作。
根据本发明的优选实施例，如图6所示，在包括与低侧开关Q2并联的泄放电阻器R的谐振转换器中使用高侧PWM控制。根据本发明的另一个优选实施例，如图5所示，泄放电阻器R与低侧谐振电容器C2并联。泄放电阻器R优选地与低侧谐振电容器C2连接，原因在于它将在正常操作期间起较小的作用。此外，通过合适地选择泄放电阻器R可以减小正常操作期间的作用。
在图5和6中所示的谐振转换器的启动期间，以可变占空比来控制高侧开关Q1，而以完全占空比来操作低侧开关Q2。图7A-7C示出了图5和6的谐振转换器的栅极驱动波形。高侧开关Q1的高侧栅极驱动信号Vgs1和低侧开关Q2的低侧栅极驱动信号Vgs2可以是如图7A所示中心对齐的，如图7B所示左对齐的或如图7C所示右对齐的。优选地，栅极驱动信号是右对齐的，以为低侧开关Q2提供ZVS。
图5和6中所示的谐振转换器和图7A-7C中所示的栅极驱动信号降低涌入电流和高侧谐振电容器C1两端的初始电压尖峰，以降低谐振转换器组件上的压力。
根据本发明的优选实施例，如图9所示，在包括与高侧开关Q1并联的泄放电阻器R的谐振转换器中使用高侧PWM控制。根据本发明的另一个优选实施例，如图8所示，泄放电阻器R与高侧谐振电容器C1并联。泄放电阻器R优选地与高侧谐振电容器C1连接，原因在于它将在正常操作期间起较小的作用。此外，通过合适地选择泄放电阻器R可以减小正常操作期间的作用。
在图8和9中所示的谐振转换器的启动期间，以可变占空比来控制低侧开关Q2，而以完全占空比来操作高侧开关Q1。图10A-10C示出了图8和9的谐振转换器的栅极驱动波形。高侧开关Q1的高侧栅极驱动信号Vgs1和低侧开关Q2的低侧栅极驱动信号Vgs2可以是如图10A所示中心对齐的，如图10B所示左对齐的或如图10C所示右对齐的。优选地，栅极驱动信号是右对齐的，以为高侧开关Q1提供ZVS。
图8和9中所示的谐振转换器和图10A-10C中所示的栅极驱动信号降低涌入电流和高侧谐振电容器C2两端的初始电压尖峰，以降低谐振转换器组件上的压力。
从而，可以针对使用电容自举的具有高侧栅极驱动能力的LLC谐振转换器使用商用控制IC容易地实现图5、6、8和9中所示的谐振转换器，其示例如图12或上述示例所示。因为LLC谐振转换器的商用控制IC仅可以用频率调制模式操作，所以高侧开关Q1和低侧开关Q2的占空比不直接可控。然而，通过以下方式可以容易地实现低侧控制：添加外部电路，以选择性地滤掉包括在由控制IC输出的低侧栅极驱动信号中的每个脉冲的一部分，以提供低侧栅极驱动信号Vgs2。高侧PWM控制难以用LLC谐振转换器的商用控制IC实现，原因在于应当考虑生成高侧栅极驱动信号的电路和提供脉冲空白(即，对低侧栅极驱动信号Vgs2中的电压脉冲的每部分过滤或置零)的电路之间的隔离。具体地，可能需要庞大的脉冲变压器。因此，当使用LLC谐振转换器的商用控制IC时，低侧PWM控制提供在谐振转换器中的软启动的更容易的实施方式。
泄放电阻器R在于高侧开关Q1或高侧谐振电容器C1并联时，可以对高侧谐振电容器C1预充电，使在谐振转换器启动之前高侧谐振电容器C1两端的电压接近0。当在启动时以完全占空比导通高侧开关Q1时，因为由高侧谐振电容器C1上的小初始电压导致谐振电感器Lrt、Lre上的电压较小，所以没有生成大的涌入电流尖峰。低侧PWM控制可以实现与上述高侧PWM控制的性能类似的软启动性能。因此，通过在谐振转换器启动之前合适地设置初始条件，可以避免涌入电流。
对于使用自举电容的高侧栅极驱动，低侧开关Q2优选地在高侧开关Q1之前导通，以便为自举电容器CB预充电。这种布置将低侧谐振电容器C2充电至某种程度并将高侧谐振电容器C1放电至某种程度。因此，在高侧开关Q1导通之前，高侧谐振电容器C1两端的电压增加，这导致了较大的涌入电流。减小自举电容器的电容会减小由高侧谐振电容器C1两端的电压在高侧开关Q1导通之前增加导致的涌入电流。然而，应当仔细选择自举电容器的电容，以确保栅极驱动器的可靠操作。
可以向谐振转换器添加其他设备或电路，以实现与用泄放电阻器R实现的结果相类似的结果。例如，可以使用晶体管或开关替代泄放电阻器R，以选择性地对高侧谐振电容器C1或低侧谐振电容器C2充电或放电。例如，在启动之前，可以导通晶体管或开关，来对高侧谐振电容器C1或低侧谐振电容器C2放电，并且然后可以关断晶体管或开关，以使转换器可以启动。
可以在上述谐振转换器中使用不对称的PWM控制，并且用与本发明的优选实施例中所描述的高侧PWM控制和低侧PWM控制相类似的方式来进行控制。图11示出了不对称的PWM控制的栅极驱动波形，包括针对高侧开关Q1的高侧栅极驱动信号Vgs1和针对低侧开关Q2的低侧栅极驱动信号Vgs2。如果高侧栅极驱动信号Vgs1初始地具有比低侧栅极驱动信号Vgs2更宽的脉冲宽度，则泄放电阻器R优选地与高侧开关Q1或高侧谐振电容器C1并联。然而，如果低侧栅极驱动信号Vgs2初始地具有比高侧栅极驱动信号Vgs1更宽的脉冲宽度，则泄放电阻器R优选地与低侧开关Q2或低侧谐振电容器C2并联。
以上参考模拟电路描述了本公开的优选实施例。然而，还可以用数字电路来实现本发明的优选实施例。具体地，谐振转换器的控制IC可以是数字IC或模拟IC。此外，本发明的优选实施例还可以应用于任意类型的直流到直流转换器，包括LLCLL谐振转换器和LLC谐振转换器。
如果使用单个的谐振电容器替代分裂谐振电容器C1和C2，则泄放电阻器R可以与单个谐振电容器并行放置。
应该理解的是，上述说明仅是对本发明的示意说明。本领域技术人员可以在不离开本发明的情况下推导出各种备选和修改。因此，本发明旨在包括落入所附权利要求范围内的所有备选、修改和变型。

Claims (21)

1.一种使用软启动的转换器，包括：
变压器；
第一和第二开关，与所述变压器连接，以向所述变压器供电；
控制器，与第一和第二开关连接，并且被布置为：在所述转换器的启动期间，以可变占空比来切换所述第一开关，并以固定占空比或脉冲比所述第一开关的可变占空比的脉冲更大的可变占空比来切换所述第二开关；以及
泄放设备，被布置为通过在启动之前对所述转换器中的电容器放电，来在转换器启动之前设置所述转换器的初始条件，
其中，所述转换器是LLC转换器。
2.根据权利要求1所述的转换器，其中所述泄放设备与所述第二开关并联。
3.根据权利要求2所述的转换器，其中：
所述第一开关是高侧开关；以及
所述第二开关是低侧开关。
4.根据权利要求2所述的转换器，其中：
所述第一开关是低侧开关；以及
所述第二开关是高侧开关。
5.根据权利要求1所述的转换器，还包括：串联的第一和第二电容器；其中
所述第一电容器与所述第一开关连接；以及
所述第二电容器与所述第二开关连接。
6.根据权利要求5所述的转换器，其中：
所述泄放设备与所述第二电容器并联；以及
所述第二电容器是所述转换器中的在启动之前由所述泄放设备放电的电容器。
7.根据权利要求6所述的转换器，其中：
所述第一开关是高侧开关；
所述第二开关是低侧开关；
所述第一电容器是高侧电容器；以及
所述第二电容器是低侧电容器。
8.根据权利要求6所述的转换器，其中：
所述第一开关是低侧开关；
所述第二开关是高侧开关；
所述第一电容器是低侧电容器；以及
所述第二电容器是高侧电容器。
9.根据权利要求1所述的转换器，其中所述泄放设备在启动之前将所述转换器中的电容放电至零或接近零。
10.根据权利要求1所述的转换器，还包括：谐振电感器。
11.根据权利要求10所述的转换器，其中所述谐振电感器是分立电感器或变压器的漏电感。
12.根据权利要求1所述的转换器，其中所述泄放设备包括电阻器。
13.根据权利要求1所述的转换器，其中所述泄放设备包括开关。
14.根据权利要求1所述的转换器，其中所述转换器是谐振转换器。
15.根据权利要求1所述的转换器，其中对所述第一开关的切换是中心对齐的、左对齐的或右对齐的。
16.一种针对转换器的软启动方法，包括以下步骤：
提供包括以下部件的转换器：
变压器；以及
第一和第二开关，与所述变压器连接，以向所述变压器供电；
在所述转换器的启动之前，通过在启动之前对所述转换器中的电容器放电来设置所述转换器的初始条件；以及
在所述转换器的启动期间，以可变占空比来切换所述第一开关，并以固定占空比或脉冲比所述第一开关的可变占空比的脉冲更大的可变占空比来切换所述第二开关，
其中，所述转换器是LLC转换器。
17.根据权利要求16所述的软启动方法，其中：使用与所述第二开关并联的泄放设备来执行设置初始条件步骤。
18.根据权利要求16所述的软启动方法，其中：
所述转换器还包括串联的第一和第二电容器；
所述第一电容器与所述第一开关连接；
所述第二电容器与第二开关连接；
使用与所述第二电容器并联的泄放设备来执行设置初始条件步骤。
19.根据权利要求16所述的软启动方法，其中在启动之前将所述转换器中的电容器放电到零或接近零。
20.根据权利要求16所述的软启动方法，其中所述转换器是谐振转换器。
21.一种使用软启动的转换器，包括：
变压器，包括初级绕组和次级绕组；
初级电路，与所述初级绕组连接，且包括：
第一和第二开关，与所述变压器连接，以向所述变压器供电；
控制器，与第一和第二开关连接，并且被布置为：在所述转换器的启动期间，以可变占空比来切换所述第一开关，并以固定占空比或脉冲比所述第一开关的可变占空比的脉冲更大的可变占空比来切换所述第二开关；以及
泄放设备，被布置为通过在启动之前对所述转换器中的电容器放电，来在转换器启动之前设置所述转换器的初始条件；以及次级电路，与所述初级绕组连接，且不包括电感器。
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