CN105379091A - 用于控制多相谐振dc/dc转换器的方法和装置以及相应的多相转换器 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的方法涉及多相谐振DC/DC转换器，所述多相谐振DC/DC转换器包括并联连接的多个相同的单元谐振DC/DC转换器。单元DC/DC转换器中的供电电流(IR1、IR2、…IRn)被测量，以便平衡这些供电电流。根据本方法，基于供电电流控制所述单元DC/DC转换器的切换频率，以便实现所述平衡。另一特征涉及将供电电流设定至共用参考强度(Iref)，其根据所述多相转换器的输出电压(Vo)和名义电压(Vref)之间的差确定。

Description

用于控制多相谐振DC/DC转换器的方法和装置以及相应的多相转换器
技术领域
本发明涉及用于控制多相谐振DC/DC转换器的方法和装置，所述转换器被设计为从机动车辆的具有多个存储单元的直流电源设备供电。
本发明还涉及相应的多相转换器，以及包括设置有该类型的控制装置的多相DC/DC转换器的AC/DC转换器。
背景技术
在高功率密度和高性能DC/DC转换系统中频繁使用谐振DC/DC转换器，其使得可以将一个电压水平转变为另一个电压水平。
“LLC串”类型(即，包括串联的两个感应电阻1、2和电容器3)的谐振直流-直流转换器(或根据相应的首字母缩写DC/DC)的简化的基本结构在图1中示出。
在输入处，两个MOSFET类型的场效应功率晶体管4、5连接至直流源6，形成半桥，该半桥具有连接至源6的电势端的第一、称为高侧的晶体管4，以及连接至地极的第二、称为低侧的晶体管5。
谐振电路7包括串联的电容3，以及变压器8的决定谐振的第一感应电阻1和第二感应电阻3。在输出处，存在两个整流二极管9和滤波电容10，该滤波电容为负载电阻11供应直流电流。
两个功率MOSFET4、5以互补的方式根据接近50％的占空比切换，导致恒定的死区时间，以便避免同时导电的现象。
该已知的LLC转换器根据所有半导体4、5的零电压切换模式在宽的负载范围运行，具有改进的EMC(电磁兼容性)性能和有限的切换频率。
但是，由于在变压器8的次级上的大脉冲电流和主极上的高电流，该类型的单元转换器的使用被限制到低或中等功率水平。实际上，需要高功率和强电流负载的应用导致铁损和额外的切换损失，这降低转换器的总体性能。
为了产生高功率转换器并消除这些缺点，使用多相构造，其中，多个相同的单元转换器在输入处并联连接在单个源6上，且在输出处并联连接在单个负载11上(并联-并联LLC多相转换器)，如图1清晰可见，以便在所有单元转换器中共享总的功率，并在不同功率单元之间更好地分配电流，以便获得好的性能。
在变压器8的主极中循环的电流可被减小，且施加在MOSFET晶体管4、5上的电流约束减小，并在不同功率单元之间分配。
对于多相转换器的单元转换器的半桥的晶体管4、5的熟知控制方法包括使n个相以共同的切换频率运行(n等于或大于2)，两个相邻单元转换器之间的相移为T/n(单元的周期数)，以便获得具有较少脉冲瞬时的输出电流。
但是，该熟知的控制方法仅在以下假设时有效，即，所有单元转换器具有完全相同的电特性，即，第一感应电阻1的共振时相同的第一感应线圈LR1、LR2、LR3、电容3的共振时相同的电容CR1、CR2、CR3，第二感应电阻2的相同第二感应线圈LM1、LM2、LM3，以及晶体管4、5的相同的切换参数QH1、QH2、QH3；QL1、QL2、QL3。
这意味着必须在所有单元转换器之间保持超级对称的类型。
在所有故障事件中，最轻微的不对称容易产生巨大的平衡问题，最大部分的电流经由单个功率单元通过，从以低输出功率或甚至零功率运行的另一单元离开。
例如，第一感应电阻1的第一感应线圈LR1和另一个之间的5％的差异可导致可达90％的电流失衡。
因为电子部件的每个参数具有一定的容差(典型地，在机动车辆工业中对于电容为±5％，对于感应电阻为±10％)，该熟知的控制方法实际上对于确保不同单元转换器之间的电流平衡以及因此用于保持可接受的总体性能总体上并不高效。
欧洲专利申请EP2299580提出一种用于控制多相谐振DC/DC转换器的方法和装置，以便解决LLC类型的单元转换器中的电流不平衡问题，而没有费钱地选择和匹配部件。
如图1示意地示出，该方法特别地包括通过分路12测量单元转换器(示出为三个)的供电电流，以及包括控制半桥的MOSFET4、5的相同共用频率的控制信号之间的相移以便平衡这些供电电流。
但是，该方法接近传统方法，且由本发明主体执行的计算机模拟已经显示出该方法并不最优。因此，仍然需要改善该类型的方法，使得可以消除上述缺点。
发明内容
为了在高度竞争的机动车辆行业中应用，本发明的目的因此是在这方面作出进步。
特别地，本发明的主题是一种用于控制多相谐振DC/DC转换器的方法，所述多相谐振DC/DC转换器包括并联连接的多个相同的单元谐振DC/DC转换器。
该方法包括测量单元转换器的供电电流的每个，以便平衡供电电流。
根据本发明的方法区别在于，其还包括根据供电电流控制单元转换器的切换频率，以便执行该平衡。
非常有利地，用于控制多相谐振DC/DC转换器的该方法还包括将供电电流设定至共用参考强度，其根据多相转换器的输出电压和名义电压之间的差确定。
在根据本发明的方法中，供电电流优选地通过测量串联插入在单元转换器的供电电路中的分路的端子处的电势差而确定。
切换频率有利地由电压-频率转换得到。
本发明还涉及一种用于控制多相谐振DC/DC转换器的装置，所述多相谐振DC/DC转换器包括并联连接的多个相同的单元谐振DC/DC转换器。
该控制装置包括用于单元转换器的供电电流的每个的测量器件，以便平衡所述供电电流，且其可执行上述方法。
根据本发明的控制装置特征在于，其还包括频率发生器，该频率发生器根据这些供电电流产生用于所述单元转换器的切换频率。
另外，该控制装置有利地包括：
-多相转换器的输出电压和名义电压之间的比较器；
-调节环路，其将供电电流设定至共用参考强度。
优选地，强度测量器件包括：
-串联插入在单元转换器的供电电路中的分路；
-电压测量器件，其确定在这些分路端子处的电势差。
本发明还涉及一种多相谐振DC/DC转换器，其包括并联连接的多个相同的单元谐振DC/DC转换器，且包括上述的控制装置。
单元转换器有利地是LLC类型的，每个包括两个感应电阻和电容。
优选地，单元转换器的每个的切换器件由连接为半桥形式的切换元件构成。
在根据本发明的多相谐振DC/DC转换器中，由于单元转换器的电子部件的多个样本没有匹配而可获得优势。
本发明还涉及一种多相谐振AC/DC转换器，其特征在于，其有利地在输入处由AC/DC转换器构成，该AC/DC转换器在输出处联接至具有上述特点的多相谐振DC/DC转换器。
这几个主要说明将使通过根据本发明用于控制多相谐振DC/DC转换器的方法以及通过相应控制装置和多相转换器提供的相对于现有技术的优势对本领域的技术人员变得明显。
本发明的详细说明在以下描述中给出，该描述与附图相关联。
应注意到，这些图的目的仅是示出说明的文字，它们并不以任何方式构成对本发明范围的限制。
附图说明
图1示意性地示出现有技术中已知的多相谐振DC/DC转换器和其控制装置；
图2示出根据本发明的用于控制多相谐振DC/DC转换器的装置的示意图；
图3示意性地示出根据本发明的多相谐振DC/DC转换器和其控制装置的优选实施例；
图4示意性地示出本发明的多相谐振AC/DC转换器和其控制装置。
具体实施方式
如图2所示，根据本发明的多相谐振DC/DC转换器(具有n相)的单元转换器的供电电流IR1、IR2、…IRn被它们各自的分路12检测，且转换13为电势差VR1、VR2、…VRn。
这些信号VR1、VR2、…VRn被在单元转换器的切换频带F1、F2、…Fn中具有高增益的低通滤波器14滤波，以便消除由切换元件4、5提供的噪音。
这些滤波器14通常包括用于共模噪音的滤波的共模低通滤波器，以及用于差模噪音的滤波的差模低通滤波器。决定频率响应梯度的滤波器14的顺序几乎不重要。
被滤波的信号被放大14至适于单元转换器的电流调节环路的水平Im1、Im2、…Imn。
在本发明中实施的电压调节环路中，多相转换器的输出电压Vo与名义电压Vref比较15，且导致误差信号ev。
分压器桥有利地被添加，用于根据多相转换器的输出电压Vo的水平测量输出电压Vo。
名义电压Vref被恒定或可变外电压参考值或被内部源(诸如TL431类型的电路)提供。
通过本发明的方法实施的调节16是任何类型的，诸如PI、PID等。
电绝缘17总是必须的，通常通过光电二极管获得。在调节16之前或限制器级18之前，电绝缘级17可布置在电压调节环路的任何位置。
限制器级18设计为消除强度Iref的偏差值，以便避免过载的风险并改善多相转换器的鲁棒性。
当多相转换器位于电动车辆或混合动力车辆的两个电压源(高压电池和低压电池)之间定位时，每个单元转换器的电流水平的控制也是有利的，或甚至是必须的。
该电压调节环路的通带有利地大约为几KHz。
在本发明的优选实施例中，参考强度Iref对所有调节供电电流IR1、IR2、…IRn的电流调节环路是共用的。
这些电流调节环路的优点在于，两个单元转换器可共享由同一源6提供的单个输入电流，即使单元转换器的电参数不同，但是它们的布线图由于部件1、2、3、4、5、8的特性的分散是一样的。
因为供电电流IR1、IR2、…IRn是一样的(这是因为源6相同)，消耗的功率对于所有单元转换器是一样的，而不管电子部件上的容差。
在本发明的优选实施例中，与由参考强度Iref和供电电流IR1、IR2、…IRn之间的比较20得到的调节强度Ireg19相对应的误差电压ei1、ei2、…ein通过电压-频率转换21被转换为切换频率F1、F2、…Fn，以便控制单元转换器。
因为电路具有不对称性则误差电压ei1、ei2、…ein不是相同的，单元转换器以不同切换频率F1、F2、…Fn运行。
在根据图3所示的本发明的多相转换器中，用于单元转换器的半桥的切换元件4、5的控制单元21产生互补方波信号，其具有接近50％的占空比，并具有恒定的死区时间，以便以已知的方式避免重叠现象。
但是，与现有技术不同，没有相移被引入在控制不同单元转换器的方波信号中。
前述的用于多相转换器的控制装置具有多个优点，特别地：
-构造和实施的简便性；
-单元转换器的供电电流IR1、IR2、…IRn的平衡独立于部件的容差；
-在运行频率F1、F2、…Fn的限制内的零电压切换模式；
-单元转换器之间的功率的均匀分布，以及因此损失和温度增加的均匀分布；
-通过将多个高性能单元转换器布置为并联而获得高功率水平的可能性；
-改善鲁棒性；
-可以在仅两个电压源之间运行。
所有这些优点显示出包括该类型的控制装置的多相谐振DC/DC转换器是对于高功率转换系统优秀的方案。
图3示意性地示出根据本发明的具有n相的转换器。
单元谐振DC/DC转换器包括LLC类型的单元22，它们的输入并联连接在同一源6上，它们的输出也并联地与滤波电容10和共用负载电阻11连接。
根据供电电流IR1、IR2、…IRn和所需的测量电压VR1、VR2、…VRn的水平，构成电流传感器的分路12的电阻R1、R2、…Rn可在几mΩ和几百mΩ之间变化。
分路12在地线侧上串联插入在单元转换器的供电电路中，从而测量电压VR1、VR2、…VRn不浮动。
每个单元转换器包括由两个MOSFET类型的切换元件4、5构成的半桥。
替换地，MOSFET4、5被BJT(双极型晶体管的首字母缩写)类型或IGBT类型(绝缘栅双极晶体管的首字母缩写)的切换元件替换。
同一类型的多个切换元件4、5有利地并联分组，以便减小通过传导导致的损失，并增加可允许的强度。
每个LLC单元22包括串联的具有第一感应线圈LR1、LR2、…LRn的第一感应电阻1(谐振感应电阻)，具有电容CR1、CR2、…CRn的电容3(谐振电容)以及具有第二感应线圈LM1、LM2、…LMn的第二感应电阻2(磁化或主感应电阻)。
谐振电容3有利地分为两个值小两倍的电容元件，它们串联连接，且并联在半桥4、5上，中点连接至变压器8。
第一感应电阻1示出为单独部件；替换地，其完全并入在变压器8中且考虑其具有漏磁电感。
第二感应电阻2也示出为另外的单独部件；替换地，其也完全并入在变压器8中。
因为切换频率可以不同，多相谐振DC/DC转换器的这些电子部件的电容CR1、CR2、…CRn、第一感应线圈LR1、LR2、…LRn和第二感应线圈LM1、LM2、…LMn不需要匹配。
在二极管9的直接电压降非常大而不能被忽略的具有低输出电压的单元转换器模型中，二极管9有利地是肖托基类型的二极管，以便减小负载损失。
为了相同目的，非常有利地使用同步整流器。所说的同步整流器包括并联连接至二极管9的半导体开关，从而当二极管9直接被极化时，这些开关接通。
如图3清晰所示，根据本发明的多相转换器的所有单元转换器通过控制模块23被控制，该控制模块根据图2的示意图根据测量电压VR1、VR2、…VRn和输出电压Vo产生切换元件4、5的控制单元21的切换频率F1、F2、…Fn。
图4示出多相转换器的另一例子，其中，可从根据本发明的方法和控制装置的实施获得优势。
这是多相交流电流-直流电流(AC/DC)转换器，包括：
-在输入处的AC/DC转换器24，其可连接至交流电压源25；
-在从AC/DC转换器的输出处的滤波电容26；
-多相谐振DC/DC转换器，包括多个单元谐振转换器27，它们在输入处并联连接在AC/DC转换器的输出上，且在输出处并联连接；
-控制模块23，其根据本发明原理运行；
在输出处的负载28由一个或多个设备件构成，例如电池29和电阻负载30。
该构造将有利地在电动车辆中实施，以便从干线25(特别是220VAV)为车辆的高压电池(例如300VDC)充电，同时以良好性能为低压电池29(例如12V)充电。
应意识到，本发明不简单地限于之前描述的优选实施例。
单元谐振DC/DC转换器的构造可与指出的不同。特别地，LLC串联类型的谐振电路(7、22)可被LC并联或LC串联类型的电路替换，或也被LCC类型的电路替换。
单元转换器的供电电流IR1、IR2、…IRn可替换地被与分路12不同的强度测量器件13测量，例如霍尔效应传感器或电流变压器。
本发明由此并入所有可行的变体实施例，只要这些变体保持在后附权利要求所限定的范围内。

Claims (11)

1.一种用于控制多相谐振DC/DC转换器的方法，所述多相谐振DC/DC转换器包括并联连接的多个相同的单元谐振DC/DC转换器，该方法包括测量所述单元转换器的供电电流(IR1、IR2、…IRn)的每个，以便平衡所述供电电流(IR1、IR2、…IRn)，其特征在于，其还包括根据所述供电电流(IR1、IR2、…IRn)控制所述单元转换器的切换频率(F1、F2、…Fn)，以便执行所述平衡。
2.根据权利要求1所述的用于控制多相谐振DC/DC转换器的方法，其特征在于，其还包括将供电电流(IR1、IR2、…IRn)设定至共用参考强度(Iref)，该共用参考强度(Iref)根据所述多相转换器的输出电压(Vo)和名义电压(Vref)之间的差确定。
3.根据前述权利要求1或2中的任一项所述的用于控制多相谐振DC/DC转换器的方法，其特征在于，所述供电电流(IR1、IR2、…IRn)通过测量串联插入在所述单元转换器的供电电路中的分路(12)的端子处的电势(VR1、VR2、…VRn)差而确定。
4.根据前述权利要求1至3中的任一项所述的用于控制多相谐振DC/DC转换器的方法，其特征在于，所述切换频率(F1、F2、…Fn)有利地由电压-频率转换(21)得到。
5.一种用于控制多相谐振DC/DC转换器的装置，所述多相谐振DC/DC转换器包括并联连接的多个相同的单元谐振DC/DC转换器，该装置包括用于所述单元转换器的供电电流(IR1、IR2、…IRn)的每个的强度测量器件(13)，以便平衡所述供电电流(IR1、IR2、…IRn)，且其可执行根据前述权利要求1至4中的任一项所述的方法，其特征在于，其包括频率发生器(21)，该频率发生器根据所述供电电流(IR1、IR2、…IRn)产生用于所述单元转换器的切换频率(F1、F2、…Fn)。
6.根据权利要求5所述的用于控制多相谐振DC/DC转换器的装置，其特征在于，其还包括
-所述多相转换器的输出电压(Vo)和名义电压(Vref)之间的比较器；
-调节环路，其将所述供电电流(IR1、IR2、…IRn)设定至共用参考强度(Iref)。
7.根据前述权利要求5或6中的任一项所述的用于控制多相谐振DC/DC转换器的装置，其特征在于，所述强度测量器件(13)包括：
-串联插入在所述单元转换器的供电电路中的分路(12)；
-电压测量器件(13)，其确定在这些分路(12)端子处的电势(VR1、VR2、…VRn)差。
8.一种多相谐振DC/DC转换器，包括并联连接的多个相同的单元谐振DC/DC转换器，其特征在于，其包括根据前述权利要求5至7中的任一项所述的控制装置(23)。
9.根据权利要求8所述的多相谐振DC/DC转换器，其特征在于，所述单元转换器是LLC类型的，每个包括两个感应电阻(1、2)和电容(3)。
10.根据权利要求8所述的多相谐振DC/DC转换器，其特征在于，所述单元转换器的每个的切换器件(4、5)由连接为半桥形式的切换元件(4、5)构成。
11.一种多相谐振AC/DC转换器，其特征在于，其在输入处由AC/DC转换器(24)构成，该AC/DC转换器在输出处联接至根据前述权利要求8至10的任一项所述的多相谐振DC/DC转换器。
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