CN106877673B - 谐振变换器及其方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种谐振变换器及其方法。所述谐振变换器包括：具有第一功率开关和第二功率开关的输入功率级、谐振网络、变压器、第一同步整流管、第二同步整流管和控制电路。所述谐振变换器根据流过第一同步整流管的电流和流过第二同步整流管的电流，控制第一同步整流管、第二同步整流管和输入功率级的运行：当流过第一同步整流管的电流下降为零时，第一同步整流管和第一功率开关被断开；当流过第二同步整流管的电流下降为零时，第二同步整流管和第二功率开关被断开。所述谐振变换器和方法保证了谐振变换器持续运行在最佳效率点。

Description

谐振变换器及其方法
技术领域
本发明涉及一种电子电路，更具体地说，本发明涉及一种谐振变换器及其方法。
背景技术
谐振变换器(如LLC谐振变换器)被广泛应用于对负载调节没有严格要求的母线变换器(bus converter)。此时，谐振变换器通常为开环控制。为获得高效率，开关频率fs被设定为：
其中，Lr为漏感的电感值，Cr为谐振电容的电容值，Tdead为功率变换器上下功率管的死区时间。
但是在工业制造中，实际的漏感值和谐振电容值可能与预设值有较大的偏差，使得谐振变换器不能运行在最佳效率点。
发明内容
因此本发明的目的在于解决现有技术的上述技术问题，提出一种改进的谐振变换器及其方法。
根据本发明的实施例，提出了一种谐振变换器，包括：输入功率级，具有至少两个串联耦接在输入端口和原边参考地之间的第一功率开关和第二功率开关；谐振网络、变压器和输出功率级，三者耦接在输入功率级和输出端口之间，产生受调制的输出电压，所述输出功率级包括：第一同步整流管和第二同步整流管，耦接在变压器和输出端口之间；控制电路，根据流过第一同步整流管的电流和流过第二同步整流管的电流，控制第一同步整流管、第二同步整流管、第一功率开关和第二功率开关的运行：当流过第一同步整流管的电流下降为零时，第一同步整流管和第一功率开关被断开；当流过第二同步整流管的电流下降为零时，第二同步整流管和第二功率开关被断开。
根据本发明的实施例，还提出了一种用于谐振变换器的方法，所述谐振变换器包括具有第一功率开关和第二功率开关的输入功率级、谐振网络、第一输出功率级和第二输出功率级，所述方法包括：提供占空比为50％的时钟信号，用以控制第一功率开关和第二功率开关；监测第一输出功率级和第二输出功率级的电流：当第一输出功率级的电流为零时，断开所述第一功率开关和第一输出功率级；当第二输出功率级的电流为零时，断开所述第二功率开关和第二输出功率级。
根据本发明各方面的上述谐振变换器及其方法，保证了谐振变换器能持续运行在最佳效率点。
附图说明
图1为根据本发明实施例的谐振变换器100的电路结构示意图；
图2为根据本发明实施例的谐振变换器200的电路结构示意图；
图3为根据本发明实施例的谐振变换器300的电路结构示意图；
图4为根据本发明实施例的谐振变换器400的电路结构示意图；
图5为根据本发明实施例的谐振变换器500的电路结构示意图；
图6为根据本发明实施例的谐振变换器600的电路结构示意图；
图7示意性地示出了前述各实施例的谐振变换器在运行过程中原边电流IP、流过励磁电感43的电流IM、流过第一同步整流管61的电流IS1、流过第二同步整流管62的电流IS2、第一功率开关31的控制信号G31、第二功率开关32的控制信号G32的时序波形图；
图8示意性示出了根据本发明实施例的用于谐振变换器的方法流程图800。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
图1为根据本发明实施例的谐振变换器100的电路结构示意图。在图1所示实施例中，所述谐振变换器100包括：输入功率级103，具有串联耦接在输入端口101和原边参考地之间的第一功率开关31和第二功率开关32；谐振网络104、变压器105和输出功率级106，三者耦接在输入功率级103和输出端口102之间，产生受调制的输出电压VO，所述输出功率级106包括：第一同步整流管61和第二同步整流管62，耦接在变压器105和输出端口102之间；控制电路108，根据流过第一同步整流管61的电流和流过第二同步整流管62的电流，控制第一同步整流管61、第二同步整流管62、第一功率开关31和第二功率开关32的运行：当流过第一同步整流管61的电流下降为零时，第一同步整流管61和第一功率开关31被断开；当流过第二同步整流管62的电流下降为零时，第二同步整流管62和第二功率开关32被断开。
在图1所示实施例中，所述第一功率开关31和第二功率开关32在其串联耦接节点33处产生开关电压VSW。所述谐振网络104接收该开关电压VSW，产生谐振电压VRZ。
在图1所示实施例中，所述变压器105具有：原边绕组51，耦接至谐振网络104；第一副边绕组52，耦接至第一同步整流管61；第二副边绕组53，耦接至第二同步整流管62。所述谐振网络104包括：谐振电容41和电感42，串联耦接在开关节点33和原边绕组51之间。在一个实施例中，电感42为原边绕组51的漏感41。在其他实施例中，电感42也可为独立的电感。在实际电路中，变压器还具有励磁电感43，该励磁电感与理想变压器的原边绕组51并联耦接。励磁电感43与谐振电容41、电感42一起构成LLC谐振网络。
在一个实施例中，输入端口101接收前级电路提供的48V电压；输出端口102提供被调节的12V或者6V电压。所述第一功率开关31和第二功率开关32互补导通，且在每个开关周期中，两者的导通时间相同，即两者各占50％的占空比。
图1所示实施例的输入功率级103具有第一功率开关31和第二功率开关32，其为半桥结构。但是本领域的技术人员应该意识到，在谐振电路中，输入功率级也可以为全桥结构。
在一个实施例中，控制电路108接收表征流过第一同步整流管61的电流的第一电流采样信号ICS1和流过第二同步整流管62的电流的第二电流采样信号ICS2，产生分别用以控制第一同步整流管61、第二同步整流管62、第一功率开关31和第二功率开关32的控制信号G61、G62、G31和G32。其中第一同步整流管61和第一功率开关31导通状态相同，第二同步整流管62和第二功率开关32的导通状态相同。即，第一同步整流管61与第一功率开关31被同时导通/断开，第二同步整流管62与第二功率开关32被同时导通/断开。
实际应用中，第二功率开关32在第一功率开关31被断开后的死区时间之后被导通；第一功率开关31在第二功率开关32被断开后的死区时间之后被导通。即，在控制信号G31的下降沿和G32的上升沿之间、以及G32的下降沿和G31的上升沿之间存在死区时间。
图2为根据本发明实施例的谐振变换器200的电路结构示意图。图2所示谐振变换器200与图1所示谐振变换器100相似，与图1所示谐振变换器100不同的是，图2所示谐振变换器200示意性地示出了对流过第一同步整流管61和第二同步整流管62的电流采样。在图2所示实施例中，所述谐振变换器200还包括：第一开关管63，其中流过第一开关管63的电流与流过第一同步整流管61的电流成镜像比例关系，即第一开关管63与第一同步整流管61形成电流镜，以提供表征流过第一同步整流管61电流的第一电流采样信号ICS1；第二开关管64，其中流过第二开关管64的电流与流过第二同步整流管62的电流成镜像比例关系，即第二开关管64与第二同步整流管62也形成电流镜，以提供表征流过第二同步整流管62电流的第二电流采样信号ICS2。
在一个实施例中，流过第一开关管63的电流与流过第一同步整流管61的电流的比例关系为1:10000；流过第二开关管64的电流与流过第二同步整流管62的电流的比例关系也为1:10000。但是本领域的技术人员应当意识到，流过第一开关管63的电流与流过第一同步整流管61的电流(或者流过第二开关管64的电流与流过第二同步整流管62的电流)可以呈其他任何合适的比例关系。
继续参见图2，在该实施例中，所述谐振变换器200还包括：第一连接电阻65，与第一开关管63串联耦接，所述第一连接电阻65两端的电压为第一电流采样信号ICS1，被输送至所述控制电路108；第二连接电阻66，与第二开关管64串联耦接，所述第二连接电阻66两端的电压为第二电流采样信号ICS2，被输送至所述控制电路108。
在图2所示实施例中，各同步整流管(如61和62)和开关管(如63和64)均为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，但是本领域的技术人员应当意识到，同步整流管和开关管可以采用其他合适的开关器件(如三极管BJT等)。
图2所示的谐振变换器200的其他部分电路结构及运行原理与图1所示谐振变换器100相似，为叙述简明，这里不再详述。
图3为根据本发明实施例的谐振变换器300的电路结构示意图。图3所示谐振变换器300与图1所示谐振变换器100相似，与图1所示谐振变换器100不同的是，图3示意性地示出了对流过第一同步整流管61和第二同步整流管62的另一种方法的电流采样。在图3所示实施例中，所述谐振变换器300还包括：第一采样电阻109，与第一同步整流管61串联耦接；第一运算放大器110，跨接在第一采样电阻109两端，接收第一采样电阻109两端的电压，以产生表征流过第一同步整流管61的电流(第一电流采样信号ICS1)至控制电路108；第二采样电阻111，与第二同步整流管62串联耦接；第二运算放大器112，跨接在第二采样电阻111两端，接收第二采样电阻111两端的电压，以产生表征流过第二同步整流管62的电流(第二电流采样信号ICS2)至控制电路108。
图3所示实施例通过采样与第一同步整流管61和第二同步整流管62串联的采样电阻得到表征第一同步整流管61和第二同步整流管62的电流，但是本领域技术人员应该意识到，对流过第一同步整流管61和第二同步整流管62的电流采样也可以采用其他形式，如直接采样第一同步整流管61和第二同步整流管62两端的电压，为叙述简明，这里不再详述。
图3所示的谐振变换器300的其他部分电路结构及运行原理与图1所示谐振变换器100相似，为叙述简明，这里不再详述。
图4为根据本发明实施例的谐振变换器400的电路结构示意图。图4所示实施例中示出了控制电路108的电路结构示意图。具体来说，所述控制电路108具有：第一副边控制器1081，根据流过第一同步整流管61的电流(第一电流采样信号ICS1)，控制第一同步整流管61的运行，当流过第一同步整流管61的电流下降为零时，第一副边控制器1081将第一同步整流管61断开，同时第一副边控制器1081产生第一过零信号ZC1至原边控制器1083，以断开第一功率开关31；第二副边控制器1082，根据流过第二同步整流管62的电流(第二电流采样信号ICS2)，控制第二同步整流管62的运行，当流过第二同步整流管62的电流下降为零时，第二副边控制器1082将第二同步整流管62断开，同时第二副边控制器1082产生第二过零信号ZC2至原边控制器1083，以断开第二功率开关32；所述原边控制器1083，根据所述第一过零信号ZC1和第二过零信号ZC2，控制第一功率开关31和第二功率开关32的运行。
在一个实施例中，变压器的原边和副边不共地，需要进行电气隔离，此时副边产生的信号(如图4所示的第一过零信号ZC1和第二过零信号ZC2)被传输至原边控制器时需要进行电气隔离。图4所示实施例示出了该隔离。在图4所示实施例中，所述谐振变换器400还包括隔离传输电路113，用以将与副边共地的第一过零信号ZC1和第二过零信号ZC2转换成与原边共地的信号ZCP1和ZCP2，以传输给原边控制器1083。在一个实施例中，所述隔离传输电路113包括电容器。但本领域的技术人员应当意识到，在其他实施例中，原边参考地和副边参考地可以共地，即原边和副边共用一个参考地。此时副边产生的信号可以直接传输至原边，而不用进行隔离处理。
图4所示谐振变换器400的其他部分电路结构及运行原理与图1所示谐振变换器100相似，为叙述简明，这里不再详述。
图5为根据本发明实施例的谐振变换器500的电路结构示意图。图5示意性的示出了根据本发明实施例的控制电路108中的各控制器的电路结构示意图。具体来说，第一副边控制器1081包括：第一比较器81，比较第一电流采样信号ICS1和第一零值参考信号VZ1，产生所述第一过零信号ZC1；第一逻辑电路82，响应第一过零信号ZC1以断开第一同步整流管61。第二副边控制器1082包括：第二比较器83，比较第二电流采样信号ICS2和第二零值参考信号VZ2，产生所述第二过零信号ZC2；第二逻辑电路84，响应第二过零信号ZC2以断开第二同步整流管62。原边控制器1083包括：第三逻辑电路85，响应第一过零信号ZC1以断开第一功率开关31；第四逻辑电路86，响应第二过零信号ZC2以断开第二功率开关32。在一个实施例中，所述第一零值参考信号VZ1和第二零值参考信号VZ2为同一个参考值(如0.01V)。如图5所示，第一零值参考信号VZ1和第二零值参考信号VZ2耦接在一起(第一比较器81的同相输入端和第二比较器82的同相输入端经由虚线耦接在一起)。
图5所示的谐振变换器500的其他部分电路结构及运行原理与图1所示谐振变换器100相似，为叙述简明，这里不再详述。
图6为根据本发明实施例的谐振变换器600的电路结构示意图。图6所示谐振变换器600与图5所示谐振变换器500相似，与图5所示谐振变换器500不同的是，在图6所示实施例中，所述原边控制器1083还包括：第一逻辑或单元87，根据第一过零信号ZC1和第一导通时长信号TON1，产生第一复位信号，所述第一复位信号经由第三逻辑电路85后将第一功率开关31断开；第二逻辑或单元88，根据第二过零信号ZC2和第二导通时长信号TON2，产生第二复位信号，所述第二复位信号经由第四逻辑电路86后将第二功率开关32断开；时钟信号产生器89，提供占空比为50％的时钟信号CLK，所述时钟信号CLK经由第三逻辑电路85后将第一功率开关31导通，其反相信号经由第四逻辑电路86后将第二功率开关32导通。
也就是说，在原边控制器1083中，第三逻辑电路85响应第一过零信号ZC1或者第一导通时长信号TON1以断开第一功率开关31；响应时钟信号CLK以导通第一功率开关31。第四逻辑电路86响应第二过零信号ZC1或者第二导通时长信号TON2以断开第二功率开关32；响应时钟信号CLK的反相信号以导通第二功率开关32。
图7示意性地示出了前述各实施例的谐振变换器在运行过程中原边电流IP、流过励磁电感43的电流IM、流过第一同步整流管61的电流IS1、流过第二同步整流管62的电流IS2、第一功率开关31的控制信号G31、第二功率开关32的控制信号G32的时序波形图。如图7所示，当IS1下降为零(如图标记的ZCD)时，第一功率开关31的控制信号G31变为低电平，以将第一功率开关31断开；当IS2下降为零(如图标记的ZCD)时，第二功率开关32的控制信号G32变为低电平，以将第二功率开关32断开。
图8示意性示出了根据本发明实施例的用于谐振变换器的方法流程图800。所述谐振变换器包括具有第一功率开关和第二功率开关的输入功率级、谐振网络、第一输出功率级和第二输出功率级，所述方法包括：
步骤801，提供占空比为50％的时钟信号，用以控制第一功率开关和第二功率开关；
步骤802，监测第一输出功率级和第二输出功率级的电流：当第一输出功率级的电流为零时，断开所述第一功率开关和第一输出功率级；当第二输出功率级的电流为零时，断开所述第二功率开关和第二输出功率级。
在一个实施例中，所述步骤“监测第一输出功率级和第二输出功率级的电流”包括：得到与流过第一输出功率级的电流成比例的第一电流采样信号以及与流过第二输出功率级的电流成比例的第二电流采样信号；将第一电流采样信号和第一零值参考信号进行比较，得到第一过零信号；将第二电流采样信号和第二零值参考信号进行比较，得到第二过零信号；其中所述第一功率开关和第一输出功率级的断开响应于所述第一过零信号，两者的导通响应于所述时钟信号；所述第二功率开关和第二输出功率级的断开响应于第二过零信号，两者的导通响应于时钟信号的反相信号。在一个实施例中，所述第一零值参考信号和第二零值参考信号相等。
在一个实施例中，所述第一功率开关和第一输出功率级的断开还响应于第一导通时长信号；所述第二功率开关和第二输出功率级的断开还响应于第二导通时长信号。
前述各实施例的谐振变换器及其方法在副边电流下降为零时将原边相应的功率开关断开，改变了输入功率级的导通时间和开关频率，从而保证了谐振变换器能持续运行在最佳效率点。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种谐振变换器，包括：
输入功率级，具有至少两个串联耦接在输入端口和原边参考地之间的第一功率开关和第二功率开关；
谐振网络、变压器和输出功率级，三者耦接在输入功率级和输出端口之间，产生受调制的输出电压，所述输出功率级包括：第一同步整流管和第二同步整流管，耦接在变压器和输出端口之间；
控制电路，根据流过第一同步整流管的电流和流过第二同步整流管的电流，控制第一同步整流管、第二同步整流管、第一功率开关和第二功率开关的运行：当流过第一同步整流管的电流下降为零时，第一同步整流管和第一功率开关被断开；当流过第二同步整流管的电流下降为零时，第二同步整流管和第二功率开关被断开；其中，
所述控制电路包括：
第一副边控制器，根据流过第一同步整流管的电流，控制第一同步整流管的运行：当流过第一同步整流管的电流下降为零时，第一副边控制器将第一同步整流管断开，同时第一副边控制器产生第一过零信号至原边控制器，以断开第一功率开关；
第二副边控制器，根据流过第二同步整流管的电流，控制第二同步整流管的运行：当流过第二同步整流管的电流下降为零时，第二副边控制器将第二同步整流管断开，同时第二副边控制器产生第二过零信号至原边控制器，以断开第二功率开关；
所述原边控制器，根据所述第一过零信号和第二过零信号，控制第一功率开关和第二功率开关的运行。
2.如权利要求1所述的谐振变换器，还包括：
第一开关管，其中流过所述第一开关管的电流与流过第一同步整流管的电流成镜像比例关系；
第二开关管，其中流过第二开关管的电流与流过第二同步整流管的电流成镜像比例关系。
3.如权利要求2所述的谐振变换器，还包括：
第一连接电阻，与第一开关管串联耦接，其中所述第一连接电阻两端的电压被输送至所述控制电路；
第二连接电阻，与第二开关管串联耦接，其中所述第二连接电阻两端的电压被输送至所述控制电路。
4.如权利要求1所述的谐振变换器，还包括：
第一采样电阻，与第一同步整流管串联耦接；
第一运算放大器，跨接在第一采样电阻两端，接收第一采样电阻两端的电压，以产生表征流过第一同步整流管的电流至控制电路；
第二采样电阻，与第二同步整流管串联耦接；
第二运算放大器，跨接在第二采样电阻两端，接收第二采样电阻两端的电压，以产生表征流过第二同步整流管的电流至控制电路。
5.如权利要求1所述的谐振变换器，其中
所述第一副边控制器包括：第一比较器，比较第一电流采样信号和第一零值参考信号，产生第一过零信号；第一逻辑电路，响应第一过零信号以断开第一同步整流管；
所述第二副边控制器包括：第二比较器，比较第二电流采样信号和第二零值参考信号，产生第二过零信号；第二逻辑电路，响应第二过零信号以断开第二同步整流管；
所述原边控制器包括：第三逻辑电路，响应第一过零信号以断开第一功率开关；第四逻辑电路，响应第二过零信号以断开第二功率开关。
6.如权利要求5所述的谐振变换器，其中：
所述第三逻辑电路还响应第一导通时长信号以断开第一功率开关；响应时钟信号以导通第一功率开关；
第四逻辑电路还响应第二导通时长信号以断开第二功率开关；响应时钟信号的反相信号以导通第二功率开关。
7.一种用于谐振变换器的方法，所述谐振变换器包括具有第一功率开关和第二功率开关的输入功率级、谐振网络、第一输出功率级和第二输出功率级，所述方法包括：
提供占空比为50％的时钟信号，用以控制第一功率开关和第二功率开关；
监测第一输出功率级和第二输出功率级的电流：得到与流过第一输出功率级的电流成比例的第一电流采样信号以及与流过第二输出功率级的电流成比例的第二电流采样信号；将第一电流采样信号和第一零值参考信号进行比较，得到第一过零信号；将第二电流采样信号和第二零值参考信号进行比较，得到第二过零信号；其中所述第一功率开关和第一输出功率级的断开响应于所述第一过零信号，两者的导通响应于时钟信号；所述第二功率开关和第二输出功率级的断开响应于第二过零信号，两者的导通响应于时钟信号的反相信号。
8.如权利要求7所述的方法，其中
所述第一功率开关和第一输出功率级的断开还响应于第一导通时长信号；
所述第二功率开关和第二输出功率级的断开还响应于第二导通时长信号。
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