CN101552557A - 并联连接的谐振转换器电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种并联连接的谐振转换器电路,包含多个谐振转换器,每个谐振转换器具两个输入端和两个输出端,其中每个谐振转换器的两个输入端与其它各谐振转换器的两输入端串联,且每个谐振转换器的两个输出端与其它各谐振转换器的两输出端并联。
Description
技术领域
本发明提出一种谐振直流/直流(DC/DC)转换器并联的电路及其控制方法,可以在各转换器开关频率相等的情况下实现转换器之间的均流。
背景技术
DC/DC转换器的发展趋势如同大部分的电源产品一样,朝着高效率的方向发展。谐振DC/DC转换器由于其软切换的特性,比较容易实现高效率。然而谐振DC/DC转换器仍存在一些缺陷,例如:串联谐振DC/DC转换器输出滤波器中的电流交流有效值高,造成输出滤波器损耗和体积较大。
图1(a)-图1(d)是几种典型的谐振DC/DC转换器电路结构。图1(a)中包括一个直流电源,用来提供输入电压Vin,一个第一与一个第二开关S1-S2、电容Cs与Co、一个电感Ls、一个变压器T、二极管D1-D2与负载Ro,用来提供输出电压Vo。图1(b)与图1(a)的不同在于该变压器T的初级并联一个电容Cp,另外S1-S2与Ls之间减少了电容Cs,且该变压器T的次级部分D1与Co之间增加一个电感Lr。图1(c)与图1(b)的不同在于该S1-S2与Ls之间增加了电容Cs。图1(d)与图1(a)的不同在于该变压器T的初级并联一个励磁电感Lm。以图1(d)所示的LLC串联谐振DC/DC转换器为例,其主要工作模式的工作波形如图2所示。S1与S2是开关S1-S2的驱动信号,is与im分别是流经谐振电感Ls与励磁电感Lm的电流,im在开关S1、S2断开时刻的值分别是Im与-Im,Vds1是开关S1漏级到其源极间的电压,iD1、iD2分别是输出整流二极管D1和D2的电流波形,Io是转换器的输出电流,iD1+iD2-Io就是流过输出滤波器(输出电容)Co的电流,Vcs是电容Cs的电压,其波形在每个周期中分为六个区间(t0-t1,t1-t2,...,t5-t6),从第7个区间开始重复循环(t6=t0)。从这些波形可以看出,由于iD1、iD2有较大的纹波,其峰值与平均值之差较大,造成输出滤波器(输出电容)Co中电流有效值较大,从而增加了Co的损耗或体积。
为了减小输出滤波器(输出电容)Co电流有效值,多个谐振转换器交错并联的工作方式是常用的有效方法之一。然而,由于谐振转换器的控制特性,谐振转换器的交错并联较难实现。
这种交错并联的工作方式要求两个或两个以上的转换器的输入端与输出端各自并联在一起;在相同的开关频率下,通过设定各转换器的相位差,使迭加后的总电压或总电流中的某些交流分量相互抵消,从而减小输出滤波器(输出电容)Co的体积或损耗。交错并联方法在固定频率的脉宽调制(PWM)转换器中已经被广泛采用,因为在开关频率不变的情况下,PWM转换器可以通过改变占空比来调节电压和电流,各并联转换器之间很容易实现均流。在谐振转换器中,电压和电流的调节是通过改变开关频率来实现的,如果并联的谐振转换器被强制使用相同的开关频率,由于可能存在特性差别,各转换器之间很难实现均流;反之,如果各转换器各自调节电压和电流以实现均流,它们将无法保持在相同的开关频率,从而丢失交错并联的优点。
为了解决上述技术问题,本发明提出了一种并联连接的谐振转换器电路及其控制方法。
发明内容
本发明提出一种谐振DC/DC转换器并联的电路及其控制方法,可以在各转换器开关频率相等的情况下实现转换器之间的均流。
本发明提出一种并联连接的谐振转换器电路,包含多个谐振转换器,每个谐振转换器具有两个输入端和两个输出端,其中每个谐振转换器的两个输入端与其它各谐振转换器的两个输入端串联,且每个谐振转换器的两个输出端与其它各谐振转换器的两个输出端并联。
根据上述构想,该电路还包括一个具有一个正极和一个负极的直流电源、一个输出电容与多个输入电容,其中每个输入电容并联于该多个谐振转换器中一个特定转换器的两个输入端,输出电容并联于每个谐振转换器的两个输出端,每个输入电容具有一个第一端与一个第二端,该多个输入电容中第一个输入电容的第一端耦合于电源正极,从第一个输入电容至多个输入电容中最后倒数第二个输入电容的各电容第二端均耦合于下一个输入电容的第一端,且该多个输入电容中最后一个输入电容的第二端耦合于电源负极。
根据上述构想,每个谐振转换器为一个串联谐振直流/直流转换器,或一个并联谐振直流/直流转换器。
根据上述构想,该串联谐振直流/直流转换器为一个LLC串联谐振直流/直流转换器。
根据上述构想,该并联谐振直流/直流转换器为一个LCC并联谐振直流/直流转换器。
根据上述构想,该多个谐振转换器工作于交错的工作模式。
本发明提出一种并联连接的谐振转换器电路,包含一个第一谐振转换器,具有两个输入端与两个输出端,一个第二谐振转换器,具有两个输入端与两个输出端,其中该第二谐振转换器的两个输入端与第一谐振转换器的两个输入端串联,且该第二谐振转换器的两个输出端与第一谐振转换器的两个输出端并联。
根据上述构想,该电路还包括一个具有一个正极和一个负极的直流电源、一个输出电容与一个第一与一个第二输入电容,其中该第一输入电容与第一谐振转换器的两个输入端并联,该输出电容与第一与该第二谐振转换器的两个输出端并联,该第一与该第二输入电容均具有一个第一端与一个第二端,该第一输入电容的第一端耦合于电源正极,该第一输入电容的第二端耦合于第二输入电容的第一端,且该第二输入电容的第二端耦合于电源负极。
根据上述构想,该第一个谐振转换器和该第二个谐振转换器工作于交错的工作模式。
根据上述构想,该谐振转换器为一LLC串联谐振直流/直流转换器。
本发明提出一种并联连接的谐振转换器电路的控制方法,其中该电路包括多个谐振转换器,每个谐振转换器具有两个输入端和两个输出端,每个谐振转换器的两个输入端与其余各谐振转换器的两个输入端串联,且每一谐振转换器的两个输出端与其余各谐振转换器的两个输出端并联,包含下列步骤:当流经多个谐振转换器中一个特定谐振转换器的两个输出端的输出电流升高时,使得流经该特定谐振转换器的两个输入端的输入电流也升高;当流经该特定谐振转换器的两个输入端的输入电流升高时,使得该特定谐振转换器的两个输入端的输入电压降低;当该特定谐振转换器的两个输入端的输入电压降低时,使得该多个谐振转换器中其余各谐振转换器的两个输入端的输入电压升高;当该多个谐振转换器中其余的各谐振转换器的两个输入端的输入电压升高时,使得该多个谐振转换器中其余的各谐振转换器的两个输出端的输出电流升高;以及当流经该特定谐振转换器的两个输出端的输出电流与该多个谐振转换器中其余各谐振转换器的两个输出端的输出电流重新达到平衡时,则停止。
根据上述构想,该则停止步骤还包括:当流经该特定谐振转换器的两个输出端的输出电流与该多个谐振转换器中另一谐振转换器的两个输出端的输出电流间的比值等于该特定谐振转换器的直流电压增益的倒数,或等于另一谐振转换器的直流电压增益的倒数时,该特定谐振转换器与该另一谐振转换器两者间重新达到平衡。
根据上述构想,该多个谐振转换器包括一个第一与一个第二谐振转换器,该特定谐振转换器为该第二谐振转换器,该则停止步骤还包括:当流经该第二谐振转换器的两个输出端的输出电流与该第一谐振转换器的该两个输出端的输出电流间的比值等于该第二谐振转换器的直流电压增益的倒数,或等于该第一谐振转换器的直流电压增益的倒数时,该第一与该第二谐振转换器两者间重新达到平衡。
根据上述构想,该多个谐振转换器工作于交错的工作模式。
为了让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂,下面列举实施例,并配合附图,作详细说明如下:
附图说明
图1(a):串联谐振DC/DC转换器的电路图;
图1(b):并联谐振DC/DC转换器的电路图;
图1(c):LCC并联谐振DC/DC转换器的电路图;
图1(d):LLC串联谐振DC/DC转换器的电路图;
图2:LLC串联谐振DC/DC转换器的工作波形图;
图3:具有N个谐振转换器交错并联的电路示意图;
图4:具有两个谐振转换器交错并联的电路示意图;
图5:具有两个谐振转换器交错并联的电路图;以及
图6:具有两个谐振转换器交错并联的电路的工作波形图。
具体实施方式
本发明采用如图3所示的电路结构,其为一个具有N个谐振转换器交错并联的电路示意图;包括一个直流电源,用来提供输入电压Vin,输入电容C1-Cn,第一谐振转换器至第N谐振转换器,以及一个输出电容Co,用来提供输出电压Vo,可以简单地实现同频状况下谐振DC/DC转换器的并联。各谐振DC/DC转换器的直流输入串联,输出并联,且其开关频率相同。
以两路的并联为例说明其工作原理,如图4所示,其包括一个直流电源Vin、一个第一与一个第二谐振转换器、一个第一输入与一个第二输入电容C1-C2,以及一个输出电容Co,用来提供输出电压Vo。
其中Vin1、Vin2分别表示该第一与该第二谐振转换器的输入电压,Iin1、Iin2分别为流入该第一与该第二谐振转换器的电流的直流量,Io1、Io2分别为该第一与该第二谐振转换器的输出电流的直流量。若M1、M2分别为该第一与该第二谐振转换器的直流电压增益,即M1=Vo/Vin1,M2=Vo/Vin2,则在稳态下,根据能量守恒,有Io1=Iin1/M1,Io2=Iin2/M2。由于该第一与该第二谐振转换器输入串联,在稳态下Iin1=Iin2,所以Io1/Io2=M2/M1=Vin2/Vin1。
如果两个并联的该第一与该第二转换器是相同类型且具有相同的设计参数,由于内部组件离散性的原因,在相同开关频率下两个转换器的增益不同,则输出电流也不同,但两输出电流的误差仅决定于两转换器增益的误差。
如果两个并联的该第一与该第二谐振转换器是相同类型但具有不同的设计参数,或该第一与该第二谐振转换器是不同类型,则在相同频率下该第一与该第二谐振转换器的增益可能不同,则输出电流也可能不同,但两输出电流的差别仅决定于该第一与该第二谐振转换器增益的差别。而此时由于两个并联的该第一与该第二谐振转换器的输出是并联在一起的,因此其输入电压Vin2,Vin1也根据其增益而成比例分配。
无论是以上哪种类型的并联,在动态情况下,假设一个外部的扰动使得在某一时刻Io1/Io2>M2/M1,即Io1电流变大,则会导致Iin1>Iin2,从而使Vin1降低,Vin2升高,迫使Io2升高直到Io1/Io2=M2/M1,重新达到平衡点。所以该电路具有自动平衡该第一与该第二谐振转换器输出电流的能力。
图4为一个具有两个谐振转换器交错并联的电路示意图。在图4所示的电路结构中,两个并联的第一与第二谐振转换器可以具有完全相同的开关频率,因此可以很容易地实现交错并联,减少输出滤波器(输出电容)Co的损耗和体积。两路的输出电流的差别仅决定于该第一与该第二谐振转换器增益的差别,且在动态情况下能够自动达到平衡点。
同理,在图3所示的电路结构中,多个并联的第一至第N谐振转换器可以具有完全相同的开关频率,因此可以很容易地实现交错并联,减少输出滤波器(输出电容)Co的损耗和体积。各路之间的输出电流的差别仅决定于各谐振转换器增益的差别,且在动态情况下能够自动达到平衡点。
图5是两个交错并联的LLC串联谐振DC/DC转换器,包括一个直流电源,用来提供输入电压Vin,第一至第四开关S1-S4、电容C1-C2、Cs1-Cs2与Co、电感Ls1-Ls2,Lm1-Lm2、变压器T1-T2与二极管D1-D4,并提供输出电压Vo。图6是该电路的工作波形,S1、S2、S3与S4是开关S1-S4的驱动信号,iD1、iD2、iD3与D4分别是整流二极管D1、D2、D3与D4的电流波形,IO是总输出电流的直流量,iD1+iD2+iD3+iD4-IO就是流过输出滤波器(输出电容)Co的交流电流。由图6可以看出,交错并联的LLC串联谐振DC/DC转换器大大降低了流过滤波器(输出电容)CO的交流电流有效值,从而降低了输出滤波器(输出电容)Co的体积和损耗。
综上所述,本发明提出一种谐振DC/DC转换器并联的电路及其控制方法,可以在各转换器开关频率相等的情况下实现转换器之间较好的均流,因而确实有其进步性与新颖性。
虽然上述实施例描述了本发明的实施方式,但是本领域内熟悉的技术人员可以在所属权利要求的范围内作出各种变形或修改。本发明的专利保护范围,仍须以所附的权利要求书范围所界定为准。
Claims (14)
1、一种并联连接的谐振转换器电路,包含:
多个谐振转换器,每个谐振转换器具有两个输入端与两个输出端,其中每个谐振转换器的两个输入端与其它各谐振转换器的两个输入端串联,且每个谐振转换器的两个输出端与其它各谐振转换器的两个输出端并联。
2、如权利要求1所述的电路还包括一个具有一个正极和一个负极的直流电源、一个输出电容和多个输入电容,其中每个输入电容并联在多个谐振转换器中一个特定转换器的两个输入端,输出电容并联在每个谐振转换器的两个输出端,每个输入电容具有一个第一端与一个第二端,该多个输入电容中第一个输入电容的第一端耦合于电源正极,从第一个输入电容至该多个输入电容中最后倒数第二个输入电容的各电容第二端均耦合于下一个输入电容的第一端,且该多个输入电容中最后一个输入电容的第二端耦合于电源负极。
3、如权利要求1所述的电路,其中每个谐振转换器为一个串联谐振直流/直流转换器,或一个并联谐振直流/直流转换器。
4、如权利要求3所述的电路,其中该串联谐振直流/直流转换器为一个LLC串联谐振直流/直流转换器。
5、如权利要求3所述的电路,其中该并联谐振直流/直流转换器为一个LCC并联谐振直流/直流转换器。
6、如权利要求1所述之电路,其中该多个谐振转换器工作于交错的工作模式。
7、一种并联连接的谐振转换器电路,包含:
第一谐振转换器,具有两个输入端与两个输出端;
第二谐振转换器,具有两个输入端与两个输出端,其中该第二谐振转换器的两个输入端与第一谐振转换器的两个输入端串联,且该第二谐振转换器的两个输出端与第一谐振转换器的两个输出端并联。
8、如权利要求7所述的电路还包括一个具有一个正极和一个负极的直流电源、一个输出电容与一个第一与一个第二输入电容,其中该第一输入电容与第一谐振转换器的两个输入端并联,该输出电容与该第一与该第二谐振转换器的两个输出端并联,该第一与该第二输入电容均具有一个第一端和一个第二端,该第一输入电容的第一端耦合于电源正极,该第一输入电容的第二端耦合于该第二输入电容的第一端,且该第二输入电容的第二端耦合于电源负极。
9、如权利要求7所述的电路,其中该第一个谐振转换器和该第二个谐振转换器工作于交错的工作模式。
10、如权利要求7所述的电路,其中该谐振转换器为一个LLC串联谐振直流/直流转换器。
11、一种并联连接的谐振转换器电路的控制方法,其中该电路包括多个谐振转换器,每个谐振转换器具有两个输入端与两个输出端,每个谐振转换器的两个输入端与其余各谐振转换器的两个输入端串联,且每个谐振转换器的两个输出端与其余各谐振转换器的两个输出端并联,包含下列步骤:
当流经多个谐振转换器中一个特定谐振转换器的两个输出端的输出电流升高时,使得流经该特定谐振转换器的两个输入端的输入电流升高;
当流经该特定谐振转换器的两个输入端的输入电流升高时,使得该特定谐振转换器的两个输入端的输入电压降低;
当该特定谐振转换器的两个输入端的输入电压降低时,使得该多个谐振转换器中其余各谐振转换器的两个输入端的输入电压升高;
当该多个谐振转换器中其余各谐振转换器的两个输入端的输入电压升高时,使得该多个谐振转换器中其余各谐振转换器的两个输出端的输出电流升高;以及
当流经该特定谐振转换器的两个输出端的输出电流与该多个谐振转换器中其余各谐振转换器的两个输出端的输出电流重新达到平衡时,则停止。
12、如权利要求11所述的方法,其中该则停止步骤还包括:当流经该特定谐振转换器的两个输出端的输出电流与该多个谐振转换器中另一谐振转换器的两个输出端的输出电流间的比值等于该特定谐振转换器的直流电压增益的倒数,或等于另一谐振转换器的直流电压增益的倒数时,则该特定谐振转换器与该另一谐振转换器两者间重新达到平衡。
13、如权利要求11所述的方法,其中该多个谐振转换器包括一个第一与一个第二谐振转换器,该特定谐振转换器为该第二谐振转换器,该则停止步骤还包括:当流经该第二谐振转换器的两个输出端的输出电流与该第一谐振转换器的两个输出端的输出电流间的比值等于该第二谐振转换器的直流电压增益的倒数,或等于该第一谐振转换器的直流电压增益的倒数时,则该第一与该第二谐振转换器两者间重新达到平衡。
14、如权利要求11所述的方法,其中该多个谐振转换器工作于交错的工作模式。
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