CN114583972B - 谐振变换器及其控制方法、装置、电源设备 - Google Patents

谐振变换器及其控制方法、装置、电源设备 Download PDF

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Abstract

本申请适用于电子电路技术领域，提供了一种谐振变换器及其控制方法、装置、电源设备，其中的开关电路包括全桥开关单元和半桥辅助开关单元，变压电路包括第一变压器和第二变压器；全桥开关单元的第一输出端和第二输出端分别连接变压电路的第一输入端和第二输入端，半桥辅助开关单元的输出端连接变压电路的第三输入端，第一变压器和第二变压器的原边线圈的同名端分别为变压电路的第一输入端和第三输入端，第一变压器的原边线圈的异名端与第二变压器的原边线圈的异名端共接作为变压电路的第二输入端；控制装置用于基于与目标增益对应的目标开关控制策略对开关电路进行通断控制，使开关管在导通和关断时均实现软开关，且可用于宽输出电压范围场景。

Description

谐振变换器及其控制方法、装置、电源设备
技术领域
本申请属于电子电路技术领域，尤其涉及一种谐振变换器及其控制方法、装置、电源设备。
背景技术
谐振变换器是一种通过调节开关频率来实现输出电压调节的电压转换器件。传统的谐振变换器可以通过调节开关电路中开关管的通断时长，使开关管实现零电压开关（zero voltage switch，ZVS）功能。然而，传统的谐振变换器仅能实现ZVS功能，无法实现零电流开关（zero current switch）功能，导致开关管存在很大的关断损耗，整体上降低了谐振变换器的电能转换效率。
为了提高谐振变换器的电能转换效率，传统方式是将谐振变换器的开关频率固定在谐振电路的谐振频率附近，或者增大变压器的励磁电感的感抗，让开关管工作在接近零电压零电流开关（zero voltage zero current switch，ZVZCS）状态，然而，若将谐振变换器的开关频率固定在谐振频率附近，则无法实现谐振变换器的增益的调节，从而无法调节谐振变换器的输出电压，导致谐振变换器无法应用于宽输出电压范围场景，限制了谐振变换器的应用场景。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了一种谐振变换器及其控制方法、装置、电源设备，以解决传统的能够工作在接近ZVZCS状态的谐振变换器无法应用于宽输出电压范围场景，限制了谐振变换器的应用场景的技术问题。
第一方面，本申请实施例提供一种谐振变换器，包括依次设置在所述谐振变换器的输入端与输出端之间的开关电路、谐振电路、变压电路及整流输出电路，所述开关电路连接所述谐振变换器的控制装置；所述开关电路包括全桥开关单元和半桥辅助开关单元；所述变压电路包括第一变压器和第二变压器；
所述全桥开关单元的第一输入端和所述半桥辅助开关单元的第一输入端共接于直流电源的正极，所述全桥开关单元的第二输入端和所述半桥辅助开关单元的第二输入端共接于所述直流电源的负极，所述全桥开关单元的第一输出端通过所述谐振电路连接至所述变压电路的第一输入端，所述全桥开关单元的第二输出端连接所述变压电路的第二输入端，所述半桥辅助开关单元的输出端连接所述变压电路的第三输入端；
所述第一变压器的原边线圈的同名端为所述变压电路的第一输入端，所述第一变压器的原边线圈的异名端与所述第二变压器的原边线圈的异名端共接并作为所述变压电路的第二输入端，所述第二变压器的原边线圈的同名端为所述变压电路的第三输入端，所述第一变压器的副边线圈的同名端连接所述整流输出电路的第一输入端，所述第一变压器的副边线圈的异名端连接所述第二变压器的副边线圈的同名端，所述第二变压器的副边线圈的异名端连接所述整流输出电路的第二输入端；所述整流输出电路的输出端用于连接负载；
所述控制装置用于基于与目标增益对应的目标开关控制策略，对所述全桥开关单元和所述半桥辅助开关单元进行通断控制，以使所述开关电路中的开关管在导通和关断时均实现软开关功能。
在第一方面一种可选的实现方式中，所述全桥开关单元包括第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管；
所述第一开关管的第一导通端和所述第三开关管的第一导通端共接并作为所述全桥开关单元的第一输入端，所述第二开关管的第二导通端和所述第四开关管的第二导通端共接并作为所述全桥开关单元的第二输入端，所述第三开关管的第二导通端和所述第四开关管的第一导通端共接并作为所述全桥开关单元的第一输出端，所述第一开关管的第二导通端和所述第二开关管的第一导通端共接并作为所述全桥开关单元的第二输出端，所述第一开关管的受控端、所述第二开关管的受控端、所述第三开关管的受控端及所述第四开关管的受控端均连接所述控制装置。
在第一方面一种可选的实现方式中，所述半桥辅助开关单元包括第五开关管和第六开关管；
所述第五开关管的第一导通端作为所述半桥辅助开关单元的第一输入端，所述第六开关管的第二导通端作为所述半桥辅助开关单元的第二输入端，所述第五开关管的第二导通端与所述第六开关管的第一导通端共接并作为所述半桥辅助开关单元的输出端，所述第五开关管的受控端和所述第六开关管的受控端均连接所述控制装置。
第二方面，本申请实施例提供一种谐振变换器的控制方法，应用于如第一方面或第一方面的任一可选方式所述的谐振变换器，所述控制方法包括：
确定期望的目标增益；
确定与所述目标增益对应的目标开关控制策略，并基于所述目标开关控制策略对所述全桥开关单元和所述半桥辅助开关单元进行通断控制。
在第二方面一种可选的实现方式中，所述确定与所述目标增益对应的目标开关控制策略，并基于所述目标开关控制策略对所述全桥开关单元和所述半桥辅助开关单元进行通断控制，包括：
若所述目标增益大于第一增益阈值且小于或等于1，则基于第一预设占空比控制所述全桥开关单元中的第一开关组和第二开关组交替导通，以及基于第二预设占空比控制所述半桥辅助开关单元中的第六开关管和第五开关管交替导通；并基于所述目标增益以及增益与开关频率之间的预设对应关系，对所述第一开关组中各个开关管的开关频率、所述第二开关组中各个开关管的开关频率、所述第五开关管的开关频率及所述第六开关管的开关频率进行调节；
在将各个所述开关管的开关频率均调节至最高开关频率后，减小所述第五开关管的占空比和所述第六开关管的占空比，直至所述第五开关管的占空比和所述第六开关管的占空比减小为0后，仅基于所述第一预设占空比控制所述第一开关组和所述第二开关组交替导通；
其中，所述第一开关组包括第一开关管和第四开关管，所述第二开关组包括第二开关管和第三开关管；所述第二预设占空比小于所述第一预设占空比。
在第二方面一种可选的实现方式中，所述确定与所述目标增益对应的目标开关控制策略，并基于所述目标开关控制策略对所述全桥开关单元和所述半桥辅助开关单元进行通断控制，还包括：
若所述目标增益大于第二增益阈值且小于或等于所述第一增益阈值，则基于所述第一预设占空比控制所述第一开关组和所述第二开关组交替导通，以及控制所述第五开关管和所述第六开关管持续关断；并基于所述目标增益以及增益与开关频率之间的预设对应关系，对所述第一开关管的开关频率、所述第二开关管的开关频率、所述第三开关管的开关频率及所述第四开关管的开关频率进行调节；
在将所述第一开关管的开关频率、所述第二开关管的开关频率、所述第三开关管的开关频率及所述第四开关管的开关频率均调节至最高开关频率后，保持所述第一开关管的占空比和所述第二开关管的占空比均不变，并减小所述第三开关管的占空比，以及增大所述第四开关管的占空比，且在所述第三开关管的占空比减小为0后，仅基于所述第一预设占空比控制所述第一开关管和所述第二开关管交替导通。
在第二方面一种可选的实现方式中，所述确定与所述目标增益对应的目标开关控制策略，并基于所述目标开关控制策略对所述全桥开关单元和所述半桥辅助开关单元进行通断控制，还包括：
若所述目标增益大于第三增益阈值且小于或等于所述第二增益阈值，则基于所述第一预设占空比控制所述第一开关管和所述第二开关管交替导通，控制所述第四开关管、所述第五开关管及所述第六开关管持续关断，以及控制所述第三开关管持续导通；并基于所述目标增益以及增益与开关频率之间的预设对应关系，对所述第一开关管的开关频率和所述第二开关管的开关频率进行调节；
在将所述第一开关管的开关频率和所述第二开关管的开关频率均调节至最高开关频率后，基于所述目标增益，对所述第一开关管的占空比和所述第二开关管的占空比进行调节。
在第二方面一种可选的实现方式中，所述确定与所述目标增益对应的目标开关控制策略，并基于所述目标开关控制策略对所述全桥开关单元和所述半桥辅助开关单元进行通断控制，还包括：
若所述目标增益小于或等于第三增益阈值，则将所述第一开关管的开关频率和所述第二开关管的开关频率均设置为最高开关频率，并控制所述第一开关管和所述第二开关管交替导通，控制所述第四开关管、所述第五开关管及所述第六开关管持续关断，以及控制所述第三开关管持续导通；并基于所述目标增益，对所述第一开关管的占空比和所述第二开关管的占空比进行调节。
第三方面，本申请实施例提供一种谐振变换器的控制装置，所述控制装置用于执行如上述第二方面或第二方面的任一可选方式所述的控制方法。
第四方面，本申请实施例提供一种电源设备，包括直流电源、如上述第一方面或第一方面的任一可选方式所述的谐振变换器以及如上述第三方面所述的控制装置，所述谐振变换器与所述直流电源和所述控制装置连接。
实施本申请实施例提供的谐振变换器及其控制方法、装置、电源设备具有以下有益效果：
本申请实施例提供的谐振变换器，其中的开关电路包括全桥开关单元和半桥辅助开关单元，变压电路包括第一变压器和第二变压器；且全桥开关单元的第一输出端通过谐振电路连接至变压电路的第一输入端，全桥开关单元的第二输出端连接变压电路的第二输入端，半桥辅助开关单元的输出端连接变压电路的第三输入端，第一变压器的原边线圈的同名端和第二变压器的原边线圈的同名端分别为变压电路的第一输入端和第三输入端，第一变压器的原边线圈的异名端与第二变压器的原边线圈的异名端共接作为变压电路的第二输入端。由于任一目标增益均对应有能够使开关管在导通和关断时均实现软开关功能的目标开关控制策略，因此，控制装置基于与目标增益对应的目标开关控制策略对开关电路进行通断控制，不仅能够使谐振变换器中的开关管在导通和关断时均实现软开关功能，提高谐振变换器的电能转换效率，而且使谐振变换器的增益可以随意调节，这样，谐振变换器具有较宽的输出电压范围，从而扩大了谐振变换器的应用场景。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种谐振变换器的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种谐振电流的波形变化示意图；
图3为本申请实施例提供的一种谐振变换器的控制方法的示意性流程图；
图4为本申请实施例提供的一种谐振变换器的控制装置的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一种电源设备的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，本申请实施例的实施方式部分使用的术语仅用于对本申请的具体实施例进行解释，而非旨在限定本申请。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联物的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或多于两个，“至少一个”、“一个或多个”是指一个、两个或两个以上。
以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
谐振变换器是一种通过调节开关频率来实现输出电压调节的电压转换器件。通常，根据谐振变换器的开关电路中开关管的数量，可以将谐振变换器分为半桥谐振变换器（即开关电路为由两个开关管组成的半桥开关电路）和全桥谐振变换器（即开关电路为由四个开关管组成的全桥开关电路），半桥谐振变换器通常适用于小功率场景，全桥谐振变换器通常适用于大功率场景。
传统的半桥谐振变换器和全桥谐振变换器均可以通过调节开关电路中开关管的通断时长，使开关管实现零电压开关（zero voltage switch，ZVS）功能，降低开关管的导通损耗。然而，传统的谐振变换器仅能实现ZVS功能，其开关电路中的开关管由于在关断时电流通常很大，因此为硬关断，无法实现零电流开关（zero current switch）功能，导致开关管存在很大的关断损耗，整体上降低了谐振变换器的电能转换效率，特别是在谐振变换器处于轻负载或者低增益工况时，为了保证输出电压的稳定性，通常需要提高谐振变换器的开关频率，而开关频率的提高会进一步增加开关管的开关损耗。
为了提高谐振变换器的电能转换效率，传统方式是将谐振变换器的开关频率固定在谐振电路的谐振频率附近，或者增大变压器的励磁电感的感抗，让开关管工作在接近零电压零电流开关（zero voltage zero current switch，ZVZCS）状态，以降低开关管的开关损耗。然而，对于谐振变换器而言，若将其开关频率固定在谐振频率附近，则无法实现谐振变换器的增益的调节，从而无法调节谐振变换器的输出电压，限制了谐振变换器的应用场景。而通过在传统谐振变换器中串联直流转直流（direct current-direct current，DC-DC）变换器，可实现对谐振变换器输出电压的调节，但是会增加谐振变换器的复杂度和成本。
可见，传统的能够工作在接近ZVZCS状态的谐振变换器无法应用于宽输出电压范围的场景，导致谐振变换器的应用场景受限；既能够工作在接近ZVZCS状态又能实现输出电压调节的谐振变换器的电路较为复杂，成本较高。
基于此，本申请实施例首先提供一种谐振变换器，该谐振变换器可以为直流转直流谐振变换器。在具体应用中，谐振变换器可以与谐振变换器的控制装置连接。作为示例而非限定，谐振变换器的控制装置可以包括脉冲宽度调制器（pulse width modulation，PWM）和脉冲频率调制器（pulse frequency modulation，PFM）。PWM可以用于调节谐振变换器中的开关管的占空比，PFM可以用于调节谐振变换器中的开关管的开关频率。
请参阅图1，为本申请实施例提供的一种谐振变换器的结构示意图。如图1所示，该谐振变换器可以包括依次设置在谐振变换器的输入端与输出端之间的开关电路11、谐振电路12、变压电路13及整流输出电路14。
具体地，开关电路11可以包括全桥开关单元111和半桥辅助开关单元112。
其中，全桥开关单元111的第一输入端和半桥辅助开关单元112的第一输入端共接于直流电源DC的正极，全桥开关单元111的第二输入端和半桥辅助开关单元112的第二输入端共接于直流电源DC的负极，全桥开关单元111的第一输出端通过谐振电路12连接至变压电路13的第一输入端，全桥开关单元111的第二输出端连接变压电路13的第二输入端，半桥辅助开关单元12的输出端连接变压电路13的第三输入端。
全桥开关单元111可以包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3及第四开关管Q4。其中，第一开关管Q1的第一导通端和第三开关管Q3的第一导通端共接并作为全桥开关单元111的第一输入端，第二开关管Q2的第二导通端和第四开关管Q4的第二导通端共接并作为全桥开关单元111的第二输入端，第三开关管Q3的第二导通端和第四开关管Q4的第一导通端共接并作为全桥开关单元111的第一输出端，第一开关管Q1的第二导通端和第二开关管Q2的第一导通端共接并作为全桥开关单元111的第二输出端。第一开关管Q1的受控端、第二开关管Q2的受控端、第三开关管Q3的受控端及第四开关管Q4的受控端均连接控制装置中的PWM和PFM。
半桥辅助开关单元112可以包括第五开关管Q5和第六开关管Q6。其中，第五开关管Q5的第一导通端作为半桥辅助开关单元112的第一输入端，第六开关管Q6的第二导通端作为半桥辅助开关单元112的第二输入端，第五开关管Q5的第二导通端与第六开关管Q6的第一导通端共接并作为半桥辅助开关单元112的输出端。第五开关管Q5的受控端和第六开关管Q6 的受控端均连接控制装置中的PWM和PFM。
作为示例而非限定，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5及第六开关管Q6均可以为金属-氧化物半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET）或三极管等，具体根据实际需求设置，此处对各个开关管的类型不做特别限定。
具体地，谐振电路12可以包括谐振电感Lr和谐振电容Cr。
其中，谐振电感Cr的第一端为谐振电路12的第一端，谐振电感Cr的第二端连接谐振电感Lr的第一端，谐振电感Lr的第二端为谐振电路12的第二端，谐振电路12的第一端连接全桥开关单元111的第一输出端，谐振电路12的第二端连接变压电路13的第一输入端。
具体地，变压电路13可以包括第一变压器Tr1和第二变压器TR2。
其中，第一变压器Tr1的原边线圈的同名端为变压电路13的第一输入端，第一变压器Tr1的原边线圈的异名端与第二变压器Tr2的原边线圈的异名端共接并作为变压电路13的第二输入端，第二变压器Tr2的原边线圈的同名端为变压电路13的第三输入端，第一变压器Tr1的副边线圈的同名端连接整流输出电路14的第一输入端，第一变压器Tr1的副边线圈的异名端连接第二变压器Tr2的副边线圈的同名端，第二变压器Tr2的副边线圈的异名端连接整流输出电路14的第二输入端。整流输出电路14的输出端用于连接负载。
本申请实施例中，第一变压器Tr1的匝比可以为N1*Vin/Vout，第二变压器Tr2的匝比可以为N2*Vin/Vout，其中，Vin为谐振变换器的输入电压（即直流电源DC的输出电压），Vout为谐振变换器的输出电压，N1+N2=1。
需要说明的是，N1和N2均可以根据实际需求设置，此处对其不做特别限定。示例性的，N1和N2均可以为0.5，该情况下，第一变压器Tr1的输出电压和第二变压器Tr2的输出电压均为谐振变换器的输出电压的一半。
具体地，整流输出电路14可以包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4及输出电容C1。
其中，第一二极管D1的阳极与第二二极管的阴极共接并作为整流输出电路14的第一输入端，第三二极管D3的阳极与第四二极管D4的阴极共接并作为整流输出电路14的第二输入端，第一二极管D1的阴极、第三二极管D3的阴极及输出电容C1的第一端共接并作为整流输出电路14的第一输出端，第二二极管D2的阳极、第四二极管D4的阳极及输出电容C1的第二端共接并作为整流输出电路14的第二输出端。整流输出电路14的第一输出端和第二输出端之间可以用于连接负载，例如电阻。
以下对本申请实施例提供的谐振变换器的工作原理进行详细说明：
请结合图2，当第一开关管Q1、第四开关管Q4及第六开关管Q6同时导通，第二开关管Q2、第三开关管Q3及第五开关管Q5均关断时（即图2中的0~t1时段），电路中会有一路电流从直流电源DC的正极流出，经第一开关管Q1、第一变压器Tr1、谐振电路12及第四开关管Q4后流回直流电源DC的负极；另一路电流从直流电源DC的正极流出，经第一开关管Q1、第二变压器Tr2及第六开关管Q6后流回直流电源DC的负极，即该情况下的两路电流分别从第一变压器Tr1的原边线圈的同名端和第二变压器Tr2的原边线圈的同名端流出，此时，谐振电路12中的电流是由谐振电路12的第二端流向谐振电路12的第一端。另外，由于第一变压器Tr1的副边线圈和第二变压器Tr2的副边线圈为串联关系，因此，第一变压器Tr1的副边线圈和第二变压器Tr2的副边线圈中会流过方向相同且幅值相等的电流。
在上述基础上，当关断第六开关管Q6后（即图2中的t1~t2时段），从第二变压器Tr2的原边线圈的同名端流出的电流会经第五开关管Q5的体二极管流向直流电源DC的正极或者第一开关管Q1，从而使第二变压器Tr2的原边线圈两端的电压降低为0，而由于第一变压器Tr1的副边线圈和第二变压器Tr2的副边线圈为串联关系，因此为了保持变压器的副边电流不变，谐振电路12上会产生一个与第六开关管Q6导通时谐振电感Lr两端的电压方向相反的电压，从而使第一变压器Tr1原边线圈两端的电压从N1*Vout上升为Vout，即使第一变压器Tr1原边线圈两端的电压上升N2*Vout，由于该反向电压的产生，从而加快了谐振电流ILr的下降速度，可以使谐振电流ILr在第一开关管Q1和第四开关管Q4关断时下降为0或接近0，从而使第一开关管Q1和第四开关管Q4实现ZCS功能。需要说明的是，第二开关管Q2、第三开关管Q3及第五开关管Q5的控制原理类似，此处不再进行赘述。
可见，在一个开关周期内，在第一开关管Q1、第四开关管Q4及第六开关管Q6（或者第二开关管Q2、第三开关管Q3及第五开关管Q5）同时导通的情况下，可以通过提前关断第六开关管Q6（或第五开关管Q5）来加快谐振电流的下降速度，即，可以通过将第六开关管Q6（或第五开关管Q5）的占空比设置为小于第一开关管Q1和第四开关管Q4的占空比，从而使谐振电流在第一开关管Q1和第四开关管Q4（或者，第二开关管Q2和第三开关管Q3）关断前下降为0或者接近0，进而使第一开关管Q1和第四开关管Q4（或者，第二开关管Q2和第三开关管Q3）实现ZCS功能。
需要说明的是，各个开关管的ZVS功能是基于谐振变换器的励磁电流实现的，其是该谐振变换器结构的固有特性，不属于本申请的发明点，因此本申请实施例对开关管ZVS功能的实现方式不做过多描述。
在此基础上，为了使谐振变换器既能够实现ZCS和/或ZVS功能，又具有较宽的输出电压范围，可以预先将可能涉及的谐振变换器的增益划分为多个增益范围，并为每个增益范围配置对应的开关控制策略。这样，谐振变换器的控制装置可以基于与期望（即实际应用场景所需）的目标增益对应的目标开关控制策略，对全桥开关单元111和半桥辅助开关单元112进行通断控制，以使开关电路11中的开关管在导通和关断时均实现软开关功能。
示例性的，预设的多个增益范围及其各自对应的开关控制策略可以如下：
（1）增益范围(0.5,1]，对应的开关控制策略可以为：
基于第一预设占空比控制第一开关组和第二开关组交替导通，以及基于第二预设占空比控制第六开关管Q6和第五开关管Q5交替导通；并基于目标增益以及增益与开关频率之间的预设对应关系，对第一开关管Q1的开关频率、第二开关管Q2的开关频率、第三开关管Q3的开关频率、第四开关管Q4的开关频率、第五开关管Q5的开关频率及第六开关管Q6的开关频率进行调节；
在将各个开关管（即第一开关管Q1至第六开关管Q6）的开关频率均调节至最高开关频率后，减小第五开关管Q5的占空比和第六开关管Q6的占空比，直至第五开关管Q5的占空比和第六开关管Q6的占空比减小为0后，仅基于第一预设占空比控制第一开关组和第二开关组交替导通。
其中，第二预设占空比小于第一预设占空比，示例性的，第一预设占空比可以为50%，第二预设占空比可以为45%。
第一开关组包括第一开关管Q1和第四开关管Q4，第二开关组包第二开关管Q2和第三开关管Q3。
最高开关频率可以等于谐振电路12的谐振频率。
需要说明的是，两个（或两组）开关管交替导通指，一个（或一组）开关管导通时另一个（或另一组）开关管关断。例如，控制第六开关管Q6和第五开关管Q5交替导通指，控制第六开关管Q6导通的同时控制第五开关管Q5关断；控制第六开关管Q6关断的同时控制第五开关管Q5导通。在具体应用中，在控制两个（或两组）开关管交替导通时还可以在交替间隙***死区时间，在死区时间内，两个（或两组）开关管均关断。
本申请实施例中，在控制第一开关组和第二开关组交替导通，以及控制第六开关管Q6和第五开关管Q5交替导通时，第六开关管Q6和第五开关管Q5的具体导通时机为，在控制第一开关组导通的同时控制第六开关管Q6导通；在控制第二开关组导通的同时控制第五开关管Q5导通。
（2）增益范围(0.25,0.5]，对应的开关控制策略可以为：
基于第一预设占空比控制第一开关组和第二开关组交替导通，以及控制第五开关管Q5和第六开关管Q6持续关断；并基于目标增益以及增益与开关频率之间的预设对应关系，对第一开关管Q1的开关频率、第二开关管Q2的开关频率、第三开关管Q3的开关频率及第四开关管Q4的开关频率进行调节；
在将第一开关管Q1的开关频率、第二开关管Q2的开关频率、第三开关管Q3的开关频率及第四开关管Q4的开关频率均调节至最高开关频率后，保持第一开关管Q1的占空比和第二开关管Q2的占空比均不变，并减小第三开关管Q3的占空比，增大第四开关管Q4的占空比；当第三开关管Q3的占空比减小为0后，仅基于第一预设占空比控制第一开关管Q1和第二开关管Q2交替导通。
（3）增益范围(0.15,0.25]，对应的开关控制策略可以为：
基于第一预设占空比控制第一开关管Q1和第二开关管Q2交替导通，控制第四开关管Q4、第五开关管Q5及第六开关管Q6持续关断，以及控制第三开关管Q3持续导通；并基于目标增益以及增益与开关频率之间的预设对应关系，对第一开关管Q1的开关频率和第二开关管Q2的开关频率进行调节；
在将第一开关管Q1的开关频率和第二开关管Q2的开关频率均调节至最高开关频率后，基于目标增益，对第一开关管Q1的占空比和第二开关管Q2的占空比进行调节。
（4）增益范围(0,0.15]，对应的开关控制策略可以为：
将第一开关管Q1的开关频率和第二开关管Q2的开关频率均设置为最高开关频率，并控制第一开关管Q1和第二开关管Q2交替导通，控制第四开关管Q4、第五开关管Q5及第六开关管Q6持续关断，以及控制第三开关管Q3持续导通；基于目标增益，对第一开关管Q1的占空比和第二开关管Q2的占空比进行调节，具体调节方式可以为，减小第一开关管Q1的占空比，以及增大第二开关管Q2的占空比。
基于此，谐振变换器的控制装置可以先确定期望的目标增益，再确定目标增益所属的目标增益范围，并基于与目标增益范围对应的目标开关控制策略，对全桥开关单元111和半桥辅助开关单元112进行通断控制。需要说明的是，各个增益范围对应的开关控制策略如上所述，此处不再对其进行赘述。
以上可以看出，本申请实施例提供的谐振变换器，在谐振变换器连接中高功率负载（即谐振变换器的增益范围为(0.5,1]）时，先将半桥辅助开关单元中各个开关管的占空比固定为第二预设占空比（例如0.45），即先不基于目标增益去调节半桥辅助开关单元中各个开关管的占空比，而是通过对第一开关管至第六开关管进行开关频率的调节使谐振变换器达到目标增益。
在谐振变换器连接低功率负载（即谐振变换器的增益范围为(0,0.5]）时，可以将各个开关管的开关频率设置为最高开关频率，再通过调节半桥辅助开关单元中各个开关管的占空比来使谐振变换器达到目标增益。具体地，在目标增益小于或等于0.5时，通过将半桥辅助开关单元中各个开关管的占空比设置为0，进而关闭半桥辅助开关单元，仅让全桥开关单元工作，这种情况下仅有第一变压器存在输出电压，而第二变压器的输出电压为0，如此，通过设计第一变压器的匝比和第二变压器的匝比均为0.5*Vin/Vout，可以直接将谐振变换器的增益降低为0.5，之后，通过对全桥开关单元中的各个开关管进行占空比或开关频率的调节，可以使目标增益覆盖增益范围为(0,0.5]。可见，通过上述控制，不仅可以使谐振变换器中的各开关管实现ZVZCS功能，而且使得谐振变换器具有较宽的输出电压范围，扩大了谐振变换器的应用场景。
并且，由于本申请实施例提供的谐振变换器的整流输出电路采用由四个二极管构成的全桥整流结构，可以使二极管实现ZCS功能，因此，降低了在整流输出电路上的电能损耗，整体上提高了谐振变换器的电能转换效率。
此外，由于本申请实施例提供的谐振变换器仅在传统全桥谐振变换器的基础上增加了半桥辅助开关单元和第二变压器，通过增加的半桥辅助开关单元和第二变压器来分担谐振变换器的输出功率，因此，相对于在传统全桥谐振变换器中串联DC-DC变换器的方案，降低了谐振变换器实现ZVZCS功能的成本和各个元器件的热应力，且降低了谐振变换器的复杂度和体积。
基于上述实施例提供的谐振变换器，本申请实施例还提供一种针对该谐振变换器的控制方法，该控制方法可以应用于谐振变换器的控制装置。请参阅图3，为本申请实施例提供的一种谐振变换器的控制方法的示意性流程图。如图3所示，该谐振变换器的控制方法可以包括S31~S32，详述如下：
S31：确定期望的目标增益。
本申请实施例中，目标增益与负载的载量正相关。通常，负载的载量越大，要求谐振变换器的目标增益越大；负载的载量越小，要求谐振变换器的目标增益越小。基于此，可以根据负载的载量确定谐振变换器的目标增益。
S32：确定与所述目标增益对应的目标开关控制策略，并基于所述目标开关控制策略对所述全桥开关单元和所述半桥辅助开关单元进行通断控制。
本申请实施例中，可以先确定目标增益所属的增益范围，并将目标增益所属的增益范围对应的开关控制策略确定为目标开关控制策略。
在本申请的一个实施例中，S32可以包括以下步骤：
若目标增益大于第一增益阈值且小于或等于1，则基于第一预设占空比控制第一开关组和第二开关组交替导通，以及基于第二预设占空比控制第六开关管Q6和第五开关管Q5交替导通；并基于目标增益以及增益与开关频率之间的预设对应关系，对第一开关管Q1的开关频率、第二开关管Q2的开关频率、第三开关管Q3的开关频率、第四开关管Q4的开关频率、第五开关管Q5的开关频率及第六开关管Q6的开关频率进行调节；
在将各个所述开关管的开关频率均调节至最高开关频率后，减小第五开关管Q5的占空比和第六开关管Q6的占空比，直至第五开关管Q5的占空比和第六开关管Q6的占空比减小为0后，仅基于第一预设占空比控制第一开关组和第二开关组交替导通。
需要说明的是，关于上述步骤的详细说明请参阅图1对应的实施例中的相关描述，此处不再对其进行赘述。
在本申请的另一个实施例中，S32还可以包括以下步骤：
若所述目标增益大于第二增益阈值且小于或等于第一增益阈值，则基于第一预设占空比控制第一开关组和第二开关组交替导通，以及控制第五开关管Q5和第六开关管Q6持续关断；并基于目标增益以及增益与开关频率之间的预设对应关系，对第一开关管Q1的开关频率、第二开关管Q2的开关频率、第三开关管Q3的开关频率及第四开关管Q4的开关频率进行调节；
在将第一开关管Q1的开关频率、第二开关管Q2的开关频率、第三开关管Q3的开关频率及第四开关管Q4的开关频率均调节至最高开关频率后，保持第一开关管Q1的占空比和第二开关管Q2的占空比均不变，并减小第三开关管Q3的占空比，以及增大第四开关管Q4的占空比；当第三开关管Q3的占空比减小为0后，仅基于第一预设占空比控制第一开关管Q1和第二开关管Q2交替导通。
在本申请的又一个实施例中，S32还可以包括以下步骤：
若所述目标增益大于第三增益阈值且小于或等于第二增益阈值，则基于第一预设占空比控制第一开关管Q1和第二开关管Q2交替导通，控制第四开关管Q4、第五开关管Q5及第六开关管Q6持续关断，以及控制第三开关管Q3持续导通；并基于目标增益以及增益与开关频率之间的预设对应关系，对第一开关管Q1的开关频率和第二开关管Q2的开关频率进行调节；
在将第一开关管Q1的开关频率和第二开关管Q2的开关频率均调节至最高开关频率后，基于目标增益，对第一开关管Q1的占空比和第二开关管Q2的占空比进行调节。
在本申请的又一个实施例中，S32还可以包括以下步骤：
若所述目标增益小于或等于第三增益阈值，则将第一开关管Q1的开关频率和第二开关管Q2的开关频率均设置为最高开关频率，并控制第一开关管Q1和第二开关管Q2交替导通，控制第四开关管Q4、第五开关管Q5及第六开关管Q6持续关断，以及控制第三开关管Q3持续导通；基于目标增益，对第一开关管Q1的占空比和第二开关管Q2的占空比进行调节，具体调节方式可以为，减小第一开关管Q1的占空比，以及增大第二开关管Q2的占空比。
其中，第一增益阈值可以为0.5，第二增益阈值可以为0.25，第三增益阈值可以为0.15。
需要说明的是，上述各步骤对应的执行内容，由于与本申请上一实施例中谐振变换器的控制装置的执行内容基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参照上一实施例中的相关描述，此处不再进行赘述。
本申请实施例还提供了一种谐振变换器的控制装置。请参阅图4，为本申请实施例提供的一种谐振变换器的控制装置的结构示意图。如图4所示，该控制装置40可以包括脉冲宽度调制器41和脉冲频率调制器42。脉冲宽度调制器41和脉冲频率调制器42均与谐振变换器中的各个开关管连接（未图示）。
控制装置40用于执行谐振变换器的控制方法实施例中的各步骤。
具体地，脉冲宽度调制器41用于调节谐振变换器中的各个开关管的占空比，脉冲频率调制器42用于调节谐振变换器中的各个开关管的开关频率。
本申请实施例还提供了一种电源设备。请参阅图5，为本申请实施例提供的一种电源设备的结构示意图。如图5所示，该电源设备50可以包括直流电源51、谐振变换器52及控制装置53。其中，谐振变换器52与直流电源51和控制装置53连接。
需要说明的是，本实施例中的谐振变换器52可以为图1对应的实施例中的谐振变换器，控制装置53可以为图4对应的实施例中的控制装置。关于谐振变换器52的内容可以参考图1对应的实施例中的相关描述，关于控制装置53的内容可以参考图4对应的实施例中的相关描述，此处不再进行赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参照其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种谐振变换器，包括依次设置在所述谐振变换器的输入端与输出端之间的开关电路、谐振电路、变压电路及整流输出电路，所述开关电路连接所述谐振变换器的控制装置；其特征在于，所述开关电路包括全桥开关单元和半桥辅助开关单元；所述变压电路包括第一变压器和第二变压器；
所述全桥开关单元的第一输入端和所述半桥辅助开关单元的第一输入端共接于直流电源的正极，所述全桥开关单元的第二输入端和所述半桥辅助开关单元的第二输入端共接于所述直流电源的负极，所述全桥开关单元的第一输出端通过所述谐振电路连接至所述变压电路的第一输入端，所述全桥开关单元的第二输出端连接所述变压电路的第二输入端，所述半桥辅助开关单元的输出端连接所述变压电路的第三输入端；
所述第一变压器的原边线圈的同名端为所述变压电路的第一输入端，所述第一变压器的原边线圈的异名端与所述第二变压器的原边线圈的异名端共接并作为所述变压电路的第二输入端，所述第二变压器的原边线圈的同名端为所述变压电路的第三输入端，所述第一变压器的副边线圈的同名端连接所述整流输出电路的第一输入端，所述第一变压器的副边线圈的异名端连接所述第二变压器的副边线圈的同名端，所述第二变压器的副边线圈的异名端连接所述整流输出电路的第二输入端；所述整流输出电路的输出端用于连接负载；
所述控制装置用于基于与目标增益对应的目标开关控制策略，对所述全桥开关单元和所述半桥辅助开关单元进行通断控制，以使所述开关电路中的开关管在导通和关断时均实现软开关功能；
所述控制装置具体用于：
若所述目标增益大于第一增益阈值且小于或等于1，则基于第一预设占空比控制所述全桥开关单元中的第一开关组和第二开关组交替导通，以及基于第二预设占空比控制所述半桥辅助开关单元中的第六开关管和第五开关管交替导通；并基于所述目标增益以及增益与开关频率之间的预设对应关系，对所述第一开关组中各个开关管的开关频率、所述第二开关组中各个开关管的开关频率、所述第五开关管的开关频率及所述第六开关管的开关频率进行调节；
在将各个所述开关管的开关频率均调节至最高开关频率后，减小所述第五开关管的占空比和所述第六开关管的占空比，直至所述第五开关管的占空比和所述第六开关管的占空比减小为0后，仅基于所述第一预设占空比控制所述第一开关组和所述第二开关组交替导通；
其中，所述第一开关组包括第一开关管和第四开关管，所述第二开关组包括第二开关管和第三开关管；所述第二预设占空比小于所述第一预设占空比。
2.根据权利要求1所述的谐振变换器，其特征在于，所述全桥开关单元包括第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管；
所述第一开关管的第一导通端和所述第三开关管的第一导通端共接并作为所述全桥开关单元的第一输入端，所述第二开关管的第二导通端和所述第四开关管的第二导通端共接并作为所述全桥开关单元的第二输入端，所述第三开关管的第二导通端和所述第四开关管的第一导通端共接并作为所述全桥开关单元的第一输出端，所述第一开关管的第二导通端和所述第二开关管的第一导通端共接并作为所述全桥开关单元的第二输出端，所述第一开关管的受控端、所述第二开关管的受控端、所述第三开关管的受控端及所述第四开关管的受控端均连接所述控制装置。
3.根据权利要求1所述的谐振变换器，其特征在于，所述半桥辅助开关单元包括第五开关管和第六开关管；
所述第五开关管的第一导通端作为所述半桥辅助开关单元的第一输入端，所述第六开关管的第二导通端作为所述半桥辅助开关单元的第二输入端，所述第五开关管的第二导通端与所述第六开关管的第一导通端共接并作为所述半桥辅助开关单元的输出端，所述第五开关管的受控端和所述第六开关管的受控端均连接所述控制装置。
4.一种谐振变换器的控制方法，应用于如权利要求1至3任一项所述的谐振变换器，其特征在于，所述控制方法包括：
确定期望的目标增益；
若所述目标增益大于第一增益阈值且小于或等于1，则基于第一预设占空比控制所述全桥开关单元中的第一开关组和第二开关组交替导通，以及基于第二预设占空比控制所述半桥辅助开关单元中的第六开关管和第五开关管交替导通；并基于所述目标增益以及增益与开关频率之间的预设对应关系，对所述第一开关组中各个开关管的开关频率、所述第二开关组中各个开关管的开关频率、所述第五开关管的开关频率及所述第六开关管的开关频率进行调节；
在将各个所述开关管的开关频率均调节至最高开关频率后，减小所述第五开关管的占空比和所述第六开关管的占空比，直至所述第五开关管的占空比和所述第六开关管的占空比减小为0后，仅基于所述第一预设占空比控制所述第一开关组和所述第二开关组交替导通；
其中，所述第一开关组包括第一开关管和第四开关管，所述第二开关组包括第二开关管和第三开关管；所述第二预设占空比小于所述第一预设占空比。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述确定与所述目标增益对应的目标开关控制策略，并基于所述目标开关控制策略对所述全桥开关单元和所述半桥辅助开关单元进行通断控制，还包括：
若所述目标增益大于第二增益阈值且小于或等于所述第一增益阈值，则基于所述第一预设占空比控制所述第一开关组和所述第二开关组交替导通，以及控制所述第五开关管和所述第六开关管持续关断；并基于所述目标增益以及增益与开关频率之间的预设对应关系，对所述第一开关管的开关频率、所述第二开关管的开关频率、所述第三开关管的开关频率及所述第四开关管的开关频率进行调节；
在将所述第一开关管的开关频率、所述第二开关管的开关频率、所述第三开关管的开关频率及所述第四开关管的开关频率均调节至最高开关频率后，保持所述第一开关管的占空比和所述第二开关管的占空比均不变，并减小所述第三开关管的占空比，以及增大所述第四开关管的占空比，且在所述第三开关管的占空比减小为0后，仅基于所述第一预设占空比控制所述第一开关管和所述第二开关管交替导通。
6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述确定与所述目标增益对应的目标开关控制策略，并基于所述目标开关控制策略对所述全桥开关单元和所述半桥辅助开关单元进行通断控制，还包括：
若所述目标增益大于第三增益阈值且小于或等于第二增益阈值，则基于所述第一预设占空比控制所述第一开关管和所述第二开关管交替导通，控制所述第四开关管、所述第五开关管及所述第六开关管持续关断，以及控制所述第三开关管持续导通；并基于所述目标增益以及增益与开关频率之间的预设对应关系，对所述第一开关管的开关频率和所述第二开关管的开关频率进行调节；
在将所述第一开关管的开关频率和所述第二开关管的开关频率均调节至最高开关频率后，基于所述目标增益，对所述第一开关管的占空比和所述第二开关管的占空比进行调节。
7.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述确定与所述目标增益对应的目标开关控制策略，并基于所述目标开关控制策略对所述全桥开关单元和所述半桥辅助开关单元进行通断控制，还包括：
若所述目标增益小于或等于第三增益阈值，则将所述第一开关管的开关频率和所述第二开关管的开关频率均设置为最高开关频率，并控制所述第一开关管和所述第二开关管交替导通，控制所述第四开关管、所述第五开关管及所述第六开关管持续关断，以及控制所述第三开关管持续导通；并基于所述目标增益，对所述第一开关管的占空比和所述第二开关管的占空比进行调节。
8.一种谐振变换器的控制装置，其特征在于，所述控制装置用于执行如权利要求4至7任一项所述的谐振变换器的控制方法。
9.一种电源设备，其特征在于，包括直流电源、如权利要求1至3任一项所述的谐振变换器以及如权利要求8所述的控制装置，所述谐振变换器与所述直流电源和所述控制装置连接。
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