CN105429473B

CN105429473B - Llc谐振转换器装置和方法

Info

Publication number: CN105429473B
Application number: CN201510587964.5A
Authority: CN
Inventors: D.L.斯蒂芬斯; Y.G.康
Original assignee: TEMIC AUTOMOTIVE NA Inc
Current assignee: Vitesco Technologies USA LLC
Priority date: 2014-09-16
Filing date: 2015-09-16
Publication date: 2018-07-13
Anticipated expiration: 2035-09-16
Also published as: US9509225B2; CN105429473A; JP2016063745A; US20160079862A1

Abstract

本发明涉及LLC谐振转换器装置和方法。接收LLC谐振转换器电路的输出电压。分析所接收的输出电压以确定所接收的输出电压是否处于可接受的操作范围内。当输出电压未处于可接受的操作范围内并且操作频率处于最大预定频率以下时，调节LLC谐振转换器电路的操作频率。操作频率的调节对将输出电压改变到处于可接受的操作范围内的值是有效的。当输出电压未处于可接受的操作范围内并且操作频率处于最大预定频率以上时，调节LLC谐振转换器电路中的相移。该调节对将输出电压调节至处于可接受的范围内的值是有效的。

Description

LLC谐振转换器装置和方法

技术领域

本申请涉及电气转换系统，并且更具体地涉及包括其他形式的LC转换器和LCC转换器的LLC谐振转换系统和方案。

背景技术

电池用于为各种类型的系统供电。例如，一个或多个电池可以用于为诸如使用在电动力车辆（EV）或混合电动车辆（HEV）中或者与其相关联的那些系统之类的电气动力系统供电。在这些系统中使用的电池可以被配置为具有150-400伏特范围中的电压的电池组。

然而，在车辆中使用的配件典型地要求比150-400伏特小得多的电压。照此，车辆必须具有将电池电压从150-400伏特减小到较小值的转换装置。这样的转换设备的一个示例是DC-DC转换器。在一些示例中，DC-DC转换器将电压从150-400伏特范围减小到12伏特值范围（10-16V）。

DC到DC转换器的一个示例是LLC谐振转换器。典型地，LLC谐振转换器利用耦合到变压器的两个电感器和一个电容器。电感器之一（Lm）可以作为磁化电感而被集成到变压器中。LLC谐振转换器将输入电压（例如200伏特）变换成可以供车辆的配件使用的电压值（例如12伏特）。

尽管DC-DC转换器用于变换电压，但是它们具有若干操作上的限制和问题。例如，电池电压可能随时间变化并且仍旧期望保持相同的输出电压使得配件可以起作用。输出电压需要根据温度和配件操作来控制。设备还需要是低成本且高效的，否则车辆购买和/或操作起来将变得过于昂贵。

克服这些限制的先前的方案一般具有各种缺陷。LLC转换器的典型操作是响应于负载和/或输入电压变化而使开关频率变化。单独使用频率限制了从最小值到最大值的输入电压的范围。当12V上的负载电流减小时，输出电压往往上升。为了补偿，频率必须被增加以校正电压。在这种类型的转换器中，频率将必须增加标称开关频率的多倍。该增加的频率导致开关FET和输出二极管的增加的开关损失和效率的损失。

用于轻负载条件的另一在先方案是跳过循环。也就是说，应用具有最小开关损失的最大频率并且以比调整输出电压的开关频率更慢的速率接通和关断该频率。当负载减小时，跳过循环导致输出电压上的纹波以及来自转换器的可能的可听噪声。跳过循环方法仍具有有限的输入电压范围。

另一在先方案是在转换器中应用最小负载电阻器，因此负载绝不会减小到足以创建这些不合期望的条件。这个额外的负载电阻器降低了转换器的效率并且是不合期望的。这些设计的LLC转换器中的大多数在输入电压范围以及负载范围方面受到限制。

附图说明

为了本公开的更加完整的理解，应当对以下详细描述和附图做出参考，其中：

图1包括根据本发明的各种实施例的维持输出电压的系统的框图；

图2A包括根据本发明的各种实施例的操作来维持输出电压的电路的电路图；

图2B包括示出图2A的电路的操作的各方面的波形图的一个示例。

图3包括根据本发明的各种实施例的用于维持输出电压的方案的流程图；

图4包括根据本发明的各种实施例的维持输出电压的装置的框图；

图5包括示出根据本发明的各种实施例的本方案的操作的各种方面的图表。

技术人员将领会到，为了简化和清楚而图示出图中的要素。还将领会到，可能以特定的发生顺序描述或描绘了某些动作和/或步骤，尽管本领域技术人员将理解到，实际上不要求关于次序的这样的特定性。还将理解到，本文所使用的术语和表述具有如这样的术语和表述关于其调查和研究的对应相应领域所被赋予的普通含义，除了本文中已经以其他方式阐述具体含义的情况。

具体实施方式

在本文所描述的方案中，LLC谐振转换器电路操作在宽范围的电压和负载之上以及宽范围的频率之上。在所提供的方案中，对LLC谐振转换器电路的输入电压和/或负载可以改变，但是输出电压被维持在近似恒定的值（例如12伏特）处。因此，利用在DC-DC转换电路的输出处提供的电压值的车辆组件总是被供给有充足的电压量来操作。

在一方面中，LLC谐振转换器电路以两种操作模式进行操作。在可变频率控制模式（第一操作模式）中，控制器接收输出电压（以及潜在地接收诸如输入电压和负载电流之类的其他参数）。电路以特定Q值进行操作，该Q值为针对给定负载的电路的谐振最大增益的指示。LLC谐振转换器转换电路的操作频率中的改变使LLC谐振转换器电路的增益改变，并且该修改进而改变LLC谐振转换器电路的输出电压。换言之，通过调节LLC谐振转换器电路的操作频率，LLC谐振转换器电路的输出电压甚至在LLC谐振转换器电路的输入电压改变时可以被改变或者更改。

在第二操作模式中，在LLC谐振转换器电路中执行固定频率相移脉冲宽度调制。在操作方面，系统可以一直操作在预定的最大频率值以上和预定的最小增益值以上。期望获得比在该最大频率操作点处可得到的更小的输出电压。为了实现这一点，本文所提供的电路利用具有晶体管对的晶体管桥。控制器调节输入桥晶体管的激活以改变由该桥产生两个单独信号的重叠，所述两个单独信号加和以成为桥输出信号。两个单独信号的重叠量是两个单独信号之间的相位差的度量。本方案允许甚至在输入电压改变时基于如信号之间的重叠量向上或向下调节输出电压。将领会到，在该第二操作模式中，LLC谐振转换器电路的操作频率不改变。

现在参照图1，描述总体系统100的一个示例。系统100包括电动机/高压电池块102、转换器块104（以下描述）、低压电池106和负载108。

电动机/高压电池块102包括输出特定DC电压的电池。在一个示例中，电池块是输出150-400V范围中的DC电压的电池组。还可以使用电压的其他示例。还将理解到的是，尽管本方案在本文中描述为被使用在车辆内，但是这些方案还可以部署在其他环境中或者关于其他类型的应用来部署。

转换器块104（以下描述）是LLC转换器电路，其将电压从一个DC值转换到另一个值。在一个示例中，转换器块104使电压从近似200伏特下降至近似12伏特。其他值是可能的。

在图1的示例系统中，电池106是低压电池并且在一个示例中可以向负载108提供12伏特的电压。其他电压是可能的。转换器块104为电池106充电。

负载108可以是使用电池106以用于供电的任何组件。在一个示例中，举几个例子，负载可以是诸如风挡刮水器、车辆收音机、车灯或车辆的声音系统之类的一个或多个车辆组件。其他示例是可能的。

在图1的系统操作的另一示例中，接收LLC谐振转换器电路的输出电压。分析所接收到的输出电压以确定所接收到的输出电压处于可接受的操作范围内。当输出电压未处于可接受的操作范围内并且操作频率处于最大预定频率以下时，调节转换器块104的LLC谐振转换器电路的操作频率。操作频率的调节对将输出电压改变到处于可接受的操作范围内的值是有效的。

当输出电压未处于可接受的操作范围内并且操作频率处于最大预定频率以上时，调节转换器块的LLC谐振转换器电路中的相移。该调节对将输出电压改变到处于可接受的操作范围内的值是有效的。

现在参照图2A，系统200包括高压电池202、逆变器203、LC谐振滤波器206、隔离变压器208、整流器210、输出电容器212、低压电池214和控制器216。低压电池214耦合到电路输出处的配件。

高压电池202包括输出特定电压的电池。逆变器202包括第一晶体管220、第二晶体管222、第三晶体管224和第四晶体管226。在一个示例中，晶体管220、222、224和226是MOSFET。控制器216控制晶体管220、222、224和226的操作（激活和去激活）。

LC谐振滤波器206包括第一电感器230、第二电感器232和电容器234。电感器232可以被消除并且由变压器208中的线圈240的磁化电感取代。隔离变压器208包括第一绕组240和第二绕组242。跨绕组240和242将电压从第一值变换到第二值。

整流器210包括第一二极管250和第二二极管252。整流器在从变压器208接收的电压和电流波形上执行整流功能。输出电容器212存储供低压电池214使用的能量。

控制器216控制晶体管220、222、224和226的去激活。高压DC信号280由电池供给。第一信号281和第二信号282在控制器216的控制之下由逆变器通过晶体管220、222、224和226的选择性驱动来产生。信号281和282加和成信号283，其为脉冲宽度调制（PWM）交变电流（AC）。通过相对于彼此调节信号来调节重叠的程度（相位差）。LC谐振滤波器206将信号281转换成正弦电流287，其被隔离变压器208和整流器210转换和整流成电流波形286。

在图2A的电路操作的一个示例中，在两个模式中操作电路。第一模式是可变频率控制模式。在该模式中，控制器216接收输出电压285。控制器可以接收诸如输入电压280和负载电流之类的其他输入。电路一直根据特定Q值曲线进行操作。控制器216可以改变操作频率（即晶体管220、222、224和226多久一次或多频繁地被激活和去激活）并且这改变了DC-DC电路的增益，并且这改变了电路的输出电压。换言之，通过调节晶体管220、222、224和226的开通（firing），控制器通过调节频率来沿着Q线移动电路的操作，并且这调节了输出电压。因此，即使输入电压下降，在该操作中维持了输出电压。

在第二模式中，执行固定频率相移脉冲宽度调制。操作处于预定的最大频率值以上并且处于预定的最小增益值以下。期望甚至在输入电压改变时将输出电压维持在近似相同的水平处。在该情况中，控制器216调节输入桥晶体管220、222、224和226的激活以调节信号281与282之间的重叠。

现在参照图2A和图2B二者，信号281是晶体管220和222的输出的连接点，其在图2B中称为点A。信号282是晶体管224和226的输出的连接点，其在图2B中称为点B。点A和点B是特定频率的方波。在第一模式中，调节这些方波的频率以调整电压。点A和点B方波是非重叠的并且与彼此异相180度。当输入电压增加和/或负载电流降低时，LLC增益需要被减小以将输出电压限制到所要求的水平。增加的频率减小增益，但是当频率已经达到实际的最大限制时，操作模式切换到相移的第二模式。点A和点B之间的相位关系通过216改变成重叠，从而将异相关系减小到小于180度。当重叠增加时转换器的增益降低。信号的这种调节允许输出电压被向上或向下调节。如图2B中所示，100%的重叠（在图2B的左侧示出）产生到LLC谐振滤波器中的0伏特输出电压，而50%的重叠产生图2B的右侧示出的波形。

在第一示例中，晶体管220、222、224和226被操作为使得信号281和282是180度异相的。换言之，在信号281和282之间不存在重叠。信号281和282被加和，从而创建波形283。然后，控制器216调节晶体管220、222、224和226的激活。这导致信号281和282重叠。信号280和281再次被加和，从而产生波形283的经修改的版本。随着信号281和282的重叠量增加，输出电压降低。随着信号281和282之间的重叠量降低，图2A的电路的输出电压增加。以此方式，可以在不调节电路的操作频率（例如晶体管220、222、224和226多频繁或多迅速地被驱动）的情况下控制图2A的电路的输出处的电压。

各种重叠百分比是可能的。将领会到，在可变频率控制模式（以上和本文其他地方描述的）中存在信号的0%重叠。

现在参照图3，操作LLC谐振转换器电路的方案被描述并且在一个示例中使用图2中所示的电路。LLC谐振转换器电路包括谐振滤波器。LLC谐振转换器电路被操作在操作频率处并且具有耦合到谐振滤波器的产生第一波形和第二波形的逆变器。第一波形具有关于第二波形的相移。

在步骤302处，接收LLC谐振转换器电路的输出电压。在步骤304处，分析所接收的输出电压以确定所接收的输出电压是否处于可接受的操作范围内。

在步骤306处，当输出电压未处于可接受的操作范围内并且操作频率处于最大预定频率以下时，调节LLC谐振转换器电路的操作频率。操作频率的调节对将输出电压改变到处于可接受的操作范围内的值是有效的。

在步骤308处，当输出电压未处于可接受的操作范围内并且操作频率处于最大预定频率以上时，改变LLC谐振转换器电路中的相移以将输出电压调节到处于可接受的操作范围内的值。因此，利用这些后来条件（later condition）来在不调节操作频率的情况下改变输出电压。在该过程的末尾处，循环再次开始于302。也监视输出电流和输入电压。如果输入电压过低，转换器可以停止操作或者以最小操作频率操作而不供给足够的增益以维持所期望的输出电压。如果输出电流超过预定水平，调节第二模式的相移或模式一的频率以维持该恒定电流而不是电压。所描述的电流故障条件可以由输出的过载或短路所导致。如果电流故障条件存在超过预定时间量，控制器（例如图2A中的控制器216）可以响应于预编程的算法而关断转换器或使故障电流下降。

现在参照图4，装置400实现本方案并且包括接口402和处理器设备404。装置400控制LLC谐振转换器电路。转换器电路400包括谐振滤波器并且LLC谐振转换器电路被操作在操作频率处并且具有耦合到谐振滤波器的产生第一波形和第二波形的逆变器，第一波形具有关于第二波形的相移，该装置包括：

接口402具有输入406和输出408。输入406被配置成接收LLC谐振转换器电路的输入电压。可以接收其他输入，诸如电路的输出电压和负载中的电流。

处理器设备404耦合到接口402。控制器402配置有LLC谐振转换器电路所将操作于的最大操作频率。当需要调节输出电压并且操作频率处于最大频率以下时，经由接口402的输出408调节操作频率以将输出电压调节至期望值。当需要调节输出电压并且操作频率处于最大频率以上时，LLC谐振转换器电路中的相移经由接口402的输出408调节以将输出电压调节至期望值。

现在参照图5，描述了本方案的操作的一个示例。如图5中所示，x轴是增益。Y轴是归一化的频率。最大增益502可以设定成n*Vo_max/(Vin_min/2)，其中n是整数，Vo_max是最大输出电压，并且Vin_min是最小输入电压。

最小增益504可以设定成n*Vo_min/(Vin_max/2)，其中n是整数，Vo_min是最小输出电压，并且Vin_max是最大输入电压。操作曲线506、508和510表示不同的q值。曲线上的不同点a0、a1、a2、a3和a4表示可能或可能不需要改变的操作点。期望在最大频率512（fn_max）和最小频率514（fn_min）之间操作系统。第一操作模式中的操作被约束到由a0、a1、a2、a3和a4所包围的区域。这通过LLC值、输入电压范围和负载范围的选择来实现。在Q范围510的情况下，最小频率大于fn_min。为了维持高效的操作，操作的范围必须在边界条件513右边。在513左边的操作导致逆变器晶体管（例如逆变器晶体管220、222、224和226）中的过量功率损耗。在增益1以上，系统操作在升压模式中，其中输出电压增加输入电压。在增益1以下，系统操作在降压模式中，其中输出电压小于输入电压。

在fn_min和fn_max之间使用可变频率控制。如所描述的，这沿曲线506、508或510移动操作点。然而，如果归一化的频率处于fn_max以上，使用固定频率相移PWM方案。由于在特定频率处，增益是固定的，控制器可以改变相移以改变增益。因此，电压的幅度改变。

将理解到，输入电压可以改变，但是仍旧必须维持近似相同和相对恒定的输出电压（例如12伏特）。如将领会到的，不存在实现这些结果并且维持高效系统操作的单个方式并且利用了两个方式。因此并且对于宽范围的输入电压而言，本方案提供和维持所期望的输出电压（例如12伏特）。

举一个例子，当输入电压从200伏特降低至100伏特时，这将会使输出电压从12伏特降低至6伏特。该电压降低是不可接受的，因为设备（例如车辆配件）不能够在该电压水平处操作。有利地，本文所描述的方案将输出电压保持和维持在近似12伏特，无论系统正在频率范围中何处进行操作。

应当理解的是，本文所描述的任何控制器可以利用一个或多个计算设备来实现其各种功能。在硬件架构方面，这样的计算设备可以包括但不限于经由本地接口通信耦合的处理器、存储器和一个或多个输入和/或输出（I/O）设备接口。本地接口可以包括，例如但不限于，一个或多个总线和/或其他有线或无线连接。处理器可以是用于执行软件（特别是存储在存储器中的软件）的硬件设备。处理器可以是定制的或者商业可得的处理器、中央处理单元（CPU）、与计算设备相关联的若干处理器之中的辅助处理器、基于半导体的微处理器（以微芯片或芯片组的形式）或一般用于执行软件指令的任何设备。

以上所描述的存储器设备可以包括易失性存储器元件（例如随机存取存储器（RAM），诸如动态RAM（DRAM）、静态RAM（SRAM）、同步动态RAM（SDRAM）、视频RAM（VRAM）等等）和/或非易失性存储器元件（例如只读存储器（ROM）、硬盘驱动器、磁带、CD-ROM等等）中的任何一个或组合。而且，存储器可以结合电子、磁、光学和/或其他类型的存储介质。存储器还可以具有分布式架构，其中各种组件远离彼此安置，但是可以由处理器访问。

在任何存储器设备中（并且由控制器利用）的并且在本文中所描述的软件可以包括一个或多个单独的程序，其中的每一个包括用于实现本文中所描述的功能的可执行指令的有序列表。当构造为源程序时，程序经由可以或可以不被包括在存储器内的编译器、汇编器、解释器等等来进行翻译。

将领会到，本文所描述的任何方案可以至少部分地实现为存储在计算机介质（例如，如以上所描述的计算机存储器）上的计算机指令并且这些指令可以在诸如微处理器之类的处理设备上执行。然而，这些方案可以实现为电子硬件和/或软件的任何组合。

本文描述了本发明的优选实施例，包括发明人已知的用于实施本发明的最佳模式。应当理解到，所说明的实施例仅仅是示例性的，并且不应当被视为限制本发明的范围。

Claims

1.一种操作LLC谐振转换器电路的方法，所述LLC谐振转换器电路包括谐振滤波器，所述LLC谐振转换器电路操作在操作频率处并且具有耦合到所述谐振滤波器的产生第一波形和第二波形的逆变器，所述第一波形具有关于所述第二波形的相移，所述方法包括：

接收所述LLC谐振转换器电路的输出电压；

分析所接收的输出电压以确定所接收的输出电压是否处于可接受的操作范围内；

当所述输出电压未处于所述可接受的操作范围内并且所述操作频率处于最大预定频率以下时，调节所述LLC谐振转换器电路的操作频率，所述操作频率的调节对将所述输出电压改变到处于所述可接受的操作范围内的值是有效的；

当所述输出电压未处于所述可接受的操作范围内并且所述操作频率处于所述最大预定频率以上时，调节所述LLC谐振转换器电路中的相移以将所述输出电压调节至处于所述可接受的范围内的值。

2.如权利要求1所述的方法，其中通过晶体管对的驱动来产生所述第一波形和所述第二波形。

3.如权利要求1所述的方法，其中两个波形之间的重叠为180度。

4.如权利要求1所述的方法，其中两个波形之间的重叠小于180度。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述输出电压被期望为12伏特。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述输出电压被用于为车辆的配件供电。

7.如权利要求1所述的方法，其中输出电压向下变换到12伏特的电压。

8.一种控制LLC谐振转换器电路的装置，所述电路包括谐振滤波器，所述LLC谐振转换器电路操作在操作频率处并且具有耦合到所述谐振滤波器的产生第一波形和第二波形的逆变器，所述第一波形具有关于所述第二波形的相移，所述装置包括：

具有输入和输出的接口，所述输入被配置成接收对所述LLC谐振转换器电路的输入电压；所述LLC谐振转换器电路的输出电压；以及负载范围；

耦合到所述接口的处理器设备，控制器被配置成基于最大操作频率，当需要调节所述输出电压并且所述操作频率处于最大频率以下时，经由所述接口的输出来调节所述操作频率以将所述输出电压调节至期望值，并且当需要调节所述输出电压并且所述操作频率处于最大频率以上时，经由所述接口的输出来调节所述LLC谐振转换器电路中的相移以将所述输出电压调节至期望值。

9.如权利要求8所述的装置，其中通过晶体管对的驱动来产生所述第一波形和所述第二波形。

10.如权利要求8所述的装置，其中两个波形之间的重叠为180度。

11.如权利要求8所述的装置，其中两个波形之间的重叠小于180度。

12.如权利要求8所述的装置，其中所述输出电压被期望为12伏特。

13.如权利要求8所述的装置，其中所述输出电压被用于为车辆的配件供电。

14.如权利要求8所述的装置，其中输出电压向下变换到12伏特的电压。

15.一种LLC谐振转换器电路，包括：

逆变器电路，所述逆变器电路产生加和成第三波形的第一波形和第二波形；

谐振滤波器，其耦合到所述逆变器电路，所述谐振滤波器接收所述第三波形并且将所述第三波形转换成正弦波形；

变压器隔离器，其将所述正弦波形从第一电压转换到第二电压；

控制器，其耦合到所述逆变器电路；

整流器和输出电路，其耦合到隔离变压器；

其中所述逆变器由所述控制器操作在操作频率处并且其中所述控制器操作为使得所述第一波形具有关于所述第二波形的相移，

其中所述控制器耦合到所述输出电路，所述控制器被配置成基于最大操作频率，当需要调节输出电压并且操作频率处于最大频率以下时，调节所述逆变器电路的操作的操作频率以将所述输出电压调节至期望值，并且当需要调节所述输出电压并且所述操作频率处于最大频率以上时，调节所述第一波形和所述第二波形的相移以将所述输出电压调节至期望值。

16.如权利要求15所述的LLC谐振转换器电路，其中通过晶体管对的驱动来产生所述第一波形和所述第二波形。

17.如权利要求15所述的LLC谐振转换器电路，其中两个波形之间的重叠为180度。

18.如权利要求15所述的LLC谐振转换器电路，其中两个波形之间的重叠小于180度。

19.如权利要求15所述的LLC谐振转换器电路，其中所述输出电压被期望为12伏特。

20.如权利要求15所述的LLC谐振转换器电路，其中所述输出电压被用于为车辆的配件供电。