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1、(10)申请公布号 CN 102857095 A (43)申请公布日 2013.01.02 C N 1 0 2 8 5 7 0 9 5 A *CN102857095A* (21)申请号 201210146207.0 (22)申请日 2012.05.11 13/170,614 2011.06.28 US H02M 3/145(2006.01) (71)申请人世系动力公司 地址美国得克萨斯 (72)发明人 R雷迪 (74)专利代理机构中国国际贸易促进委员会专 利商标事务所 11038 代理人李玲 (54) 发明名称 采用LLC变换器的功率变换器的优化 (57) 摘要 本发明涉及采用LLC变换器的功。
2、率变换器的 优化。功率变换器包括连接成接收输入信号和提 供中间DC电压的输入级，和具有连接成接收中 间DC电压和提供DC输出电压的LLC变换器的输 出级。另外，功率变换器包括连接到输入级和输 出级，以根据对中间DC电压的控制，调整DC输出 电压和设定LLC变换器的目标工作参数的控制单 元。还提供操作功率变换器的方法。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书5页 附图5页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 5 页 1/1页 2 1.一种功率变换器，包括： 连接成接收输入信号和提供中间DC电压的输入级；。
3、 具有连接成接收中间DC电压和提供DC输出电压的LLC变换器的输出级；和 连接到输入级和输出级，以根据对中间DC电压的控制，调整DC输出电压和设定LLC变 换器的目标工作参数的控制单元。 2.按照权利要求1所述的功率变换器，其中用施加于LLC变换器的脉冲频率调制 (PFM)信号或脉冲宽度调制(PWM)信号，调整DC输出电压。 3.按照权利要求1所述的功率变换器，其中目标工作参数确定LLC变换器的工作频率 或工作周期。 4.按照权利要求3所述的功率变换器，其中目标工作参数对应于LLC变换器的串联谐 振频率。 5.按照权利要求3所述的功率变换器，其中目标工作参数对应于LLC变换器的高于其 串联谐振。
4、频率的较高工作频率。 6.按照权利要求5所述的功率变换器，其中LLC变换器的较高工作频率对应于从一组 LLC变换器中选择的最大串联工作频率。 7.按照权利要求1所述的功率变换器，其中用LLC变换器的上组件容限确定的最小串 联谐振频率对应于LLC工作频率的目标频率窗口的下端。 8.按照权利要求1所述的功率变换器，其中用LLC变换器的下组件容限确定的最大串 联谐振频率对应于LLC工作频率的目标频率窗口的上端。 9.按照权利要求1所述的功率变换器，其中基于样本单元的容限分布的中间DC电压的 最小值足以提供LLC变换器的最大串联谐振频率。 10.一种操作功率变换器的方法，包括： 接收输入信号和提供中间。
5、DC电压； 从具有耦接到中间DC电压的输入端的LLC变换器产生DC输出电压；和 根据对中间DC电压的控制，调整DC输出电压和设定LLC变换器的目标工作参数。 权 利 要 求 书CN 102857095 A 1/5页 3 采用 LLC 变换器的功率变换器的优化 技术领域 0001 本申请一般涉及功率变换，更具体地说，涉及功率变换器和操作功率变换器的方 法。 背景技术 0002 电感-电感-电容(LLC)功率变换器是功率变换系统的日益重要部分。与其它功 率变换器相比，LLC功率变换器具有许多优点。这些优点可以包括当在初级开关上在空载和 满载之间循环时的零电压切换，以及提供较低的电磁发射。LLC功率。
6、变换器还可以在比其它 多种形式的功率变换器更高的开关频率下工作，这又能够降低某些LLC功率变换器组件的 大小。不过，当采用LLC功率变换器时，也会出现缺陷，这包括LLC变换器的振荡回路元件的 组件容限因单元而异，从而形成不同的串联谐振增益曲线，和变换器输出电压的对应差别。 另外，因单元而异的LLC变换器的输入电压也形成DC输出电压差异。在这些方面的改进会 有利于该领域。 发明内容 0003 本公开的实施例提供功率变换器和操作功率变换器的方法。在一个实施例中，功 率变换器包括连接成接收输入信号和提供中间DC电压的输入级，以及具有连接成接收中 间DC电压和提供DC输出电压的LLC变换器的输出级。另。
7、外，功率变换器包括连接到输入 级和输出级以根据对中间DC电压的控制，调整DC输出电压和设定LLC变换器的目标工作 参数的控制单元。 0004 在另一方面，操作功率变换器的方法包括接收输入信号和提供中间DC电压，以及 从具有耦接到中间DC电压的输入端的LLC变换器产生DC输出电压。所述方法还包括根据 对中间DC电压的控制，调整DC输出电压和设定LLC变换器的目标工作参数。 0005 上面概述了本公开的优选特征和备选特征，以致本领域的技术人员可更好地理解 本公开的以下详细说明。下面将说明本公开的、构成本公开的权利要求的主题的另外特征。 本领域的技术人员会认识到，他们能够容易地把公开的构想和具体实施。
8、例用作设计或修改 实现本公开的相同目的的其它结构的基础。 附图说明 0006 现在参考结合附图进行的以下说明，其中： 0007 图1图解说明按照本公开的原理构成的功率变换器的方框图； 0008 图2图解说明按照本公开的原理构成的另一个功率变换器的方框图； 0009 图3图解说明可以和图1或2的功率变换器一起使用的控制单元的实施例的扩展 方框图； 0010 图4图解说明与可以用在按照本公开的原理构成的输出级中的LLC变换器对应的 归一化增益曲线； 说 明 书CN 102857095 A 2/5页 4 0011 图5图解说明表示与图1和2的输入级对应的中间DC电压的分布的直方图的例 子；以及 00。
9、12 图6图解说明按照本公开的原理进行的操作功率变换器的方法的实施例的流程 图。 具体实施方式 0013 本公开的实施例采用提供功率变换器输入级和输出级的总体闭环控制的控制单 元，以便于几个操作问题的改进。这些操作问题包括LLC变换器的振荡回路元件的组件容 限因单元而异，这会形成不同的串联谐振增益曲线，和影响DC输出电压。另外，如果不被抵 消的话，因单元而异的中间DC电压会形成DC输出电压的差异。 0014 图1图解说明按照本公开的原理构成的功率变换器100的方框图。功率变换器 100包括输入级105、输出级115和控制单元125。 0015 输入级105包括具有典型输入端107a、107b的。
10、升压或升降压功率变换器，所述输 入端107a、107b连接到根据需要可以是DC电压、单相AC电压或者3相AC电压的输入电压 Vin。输入级105还包括具有连接成提供中间DC电压Vint的2个电平108、109的输出端。 升压或升降压功率变换器是PFC(功率因数校正)结构，PFC结构具有常规的电压控制器和 电流控制器，其中常规的电流控制器进一步耦接到控制单元125。 0016 输出级115包括电感-电感-电容(LLC)变换器，LLC变换器具有耦接到中间DC 电压Vint的输入端，和提供DC输出电压Vout并接纳输出负载(未具体示出)的LLC输出 端120a、120b。LLC变换器可以是具有耦接到。
11、控制单元125的常规控制开关的半桥或全桥 LLC变换器。 0017 控制单元125包括输出级控制模块130和输入级控制模块140。输出级控制模块 130连接到DC输出电压Vout，以提供对应于DC输出电压Vout的输入(即，测量的Vout)。 输出级控制模块130还采用第一基准(基准1)提供用于LLC变换器的输出级控制信号，和 给输入级控制模块140的LLC工作参数(例如工作频率或周期)。用于LLC变换器的输出 级控制信号可以按照常规方式被施加到LLC变换器的输入控制开关和变压器控制开关。 0018 输入级控制模块140采用第二和第三基准(基准2和基准3)，以及LLC工作参数 和与测量的中间D。
12、C电压Vint对应的输入(测量的Vint)，提供给输入级105的升压或升降 压功率变换器的输入级控制信号。用于升压或升降压功率变换器的输入级控制信号可被施 加到其常规电流控制器。 0019 图2图解说明按照本公开的原理构成的另一个功率变换器200的方框图。功率变 换器200包括输入级205、输出级215和控制单元225。 0020 在本实施例中，输入级205是3相3电平升压PFC功率变换器并且包括连接到3相 AC输入电压Va、Vb、Vc的3个输入端207a、207b和207c。输入级205还包括具有连接成 提供第一和第二中间DC电压Vint1、Vint2的3个电平208、209、210的输出端。
13、，如图所示。 输入级205采用常规的电流和电压控制器，其中常规的电流控制器进一步耦接到控制单元 225。 0021 输出级215包括具有耦接到第一和第二中间DC电压Vint1、Vint2的第一和第二 串联连接输入端217a、217b和221a，221b的第一和第二交错LLC变换器216、220，如图所 说 明 书CN 102857095 A 3/5页 5 示。第一和第二并联连接输出端218a、222a和218b、222b提供DC输出电压Vout和接纳输 出负载。第一和第二交错LLC变换器216、220可以是具有耦接到控制单元225的常规控制 开关的半桥或全桥LLC变换器。 0022 控制单元2。
14、25与控制单元125的操作相似，并且包括输出级控制模块230和输入 级控制模块240。输出级控制模块230连接到DC输出电压Vout，以提供与DC输出电压 Vout(即，测量的Vout)对应的输入，如前所述。输出级控制模块230还采用第一基准(基 准1)提供用于第一和第二LLC变换器216、220的输出级控制信号，和给输入级控制模块 240的LLC工作参数(例如，工作频率或周期)。用于交错LLC变换器的输出级控制信号可 以按照常规方式被施加到LLC变换器的输入控制开关和变压器控制开关。 0023 输入级控制模块240采用第二和第三基准(基准2和基准3)，以及LLC工作参数 和与第一和第二中间D。
15、C电压Vint1、Vint2(即，测量的Vint，Vint2)对应的输入，提供给输 入级205的3相3电平升压功率变换器的输入级控制信号。用于3电平升压变换器的输入 级控制信号可被施加到其常规电流控制器。 0024 图3图解说明可以和图1或2的功率变换器一起使用的控制单元300的实施例的 扩展方框图。控制单元300包括输出级控制模块305和输入级控制模块315。 0025 输出级控制模块305的目的是调整与输出级需要的指令DC输出电压值对应的DC 输出电压Vout。在图解说明的实施例中，指令DC输出电压由第一基准(基准1)以基准电 压Vref的形式提供。求和元件307比较测量的DC输出电压Vo。
16、ut和指令DC输出电压Vout， 以向输出级控制器309提供输出级误差信号。输出级控制器309可以是PI(比例积分)控 制器并且提供与输出级误差信号成比例的输出控制器数字输出信号。 0026 调制器311从输出级控制器309接收数字输出信号，并根据输出级误差信号，向供 给DC输出电压Vout的LLC输出级提供输出级控制信号。输出级控制信号可以采用PFM(脉 冲频率调制)或PWM(脉冲宽度调制)，PFM或PWM允许输出级控制模块305把输出级误差 信号驱动到大体为0，并且把DC输出电压Vout保持为用基准电压Vref选择的值。 0027 通常，输入级控制模块315控制和调整来自对应输入级的作为输。
17、入电压施加于输 出级的中间DC电压Vint。它可调整单个中间DC电压(例如，图1的中间DC电压Vint)，或 者它可调整两个以上的中间DC电压(例如，图2的第一和第二中间DC电压Vint1、Vint2)。 0028 在图解所示的实施例中，输出级控制器309向滤波器317提供LLC输出级工作频 率或周期的表示，滤波器317再向求和元件319的一个输入端提供该信号的滤波后表示。 LLC输出级的目标谐振频率或周期作为基准2被提供给求和元件319的另一个输入端，求和 元件319再向优化控制器321提供第一输入级误差信号。滤波后表示及其对应的基准2信 号可以对应于所述频率或周期的一部分，以提高测量分辨率。
18、。 0029 优化控制器321也可以是提供与第一输入级误差信号成比例的优化控制器数字 输出信号的PI控制器。限幅器323约束优化控制器数字输出信号允许的调整范围，以避免 整体控制过载或者削波。 0030 在一个实施例中，基准3的目的是提供单个中间DC电压(如图1中所示)的额定 设定点。求和元件325提供与优化控制器321调制的基准3对应的第二输入级误差信号， 以提供额定中间DC电压Vint的优化范围。该优化范围对应于最小和最大串联谐振频率之 间的工作频率或目标频率的窗口。 说 明 书CN 102857095 A 4/5页 6 0031 在另一个实施例中，基准3对应于两个或更多中间DC电压(例如。
19、，图2的第一和 第二中间DC电压Vint1、Vint2)的平均数或总和。对本实施例来说，求和元件325提供与 优化控制器321调制的基准3对应的第二输入级误差信号，以提供以所述两个或更多中间 DC电压的额定值为中心的优化窗口或范围。 0032 求和元件327接收第二输入级误差信号和测量的中间DC电压，从而向输入级控制 器329提供第三输入级误差信号。根据需要，测量的中间DC电压可以对应于单个中间DC 电压或者两个或更多中间DC电压。输入级控制器329提供至少一个输入级控制信号，以调 整与输出级LLC变换器要求对应的一个或多个中间DC电压。 0033 图4图解说明与可用在按照本公开的原理构成的输。
20、出级中的LLC变换器对应的归 一化增益曲线400。归一化增益曲线400对应于归一化DC输出电压并且包括第一和第二 归一化增益曲线405、410，第一和第二归一化增益曲线405、410对应于确定一组LLC变换 器(用作本公开的实施例的输出级)的串联谐振频率的输入电容器和电感器的组件容限扩 展。组件容限扩展可以对应于如图1中所示的单个LLC变换器，或者如图2中所示的交错 LLC变换器。另外，第一和第二归一化增益曲线405、410可对应于中间DC电压的不同值，或 者组件容限和不同的中间DC电压的组合。 0034 可如下所示计算一组LLC变换器中的组件失配情况最坏的最小和最大串联谐振 频率。 0035。
21、 和 (1a) 0036 (1b) 0037 其中L max 和C max 对应于一组LLC变换器的最大输入电感值和电容值，以及L min 和 C min 对应于一组LLC变换器的最小输入电感值和电容值。图4中示出了分别对应于180KHz 和200KHz的这些最小和最大串联谐振频率的例子。所述一组LLC变换器的剩余物的串联 谐振频率位于这些最小和最大串联谐振频率之间。归一化的单位增益值(即，为1的归一 化增益)可被认为代表调整的指令DC输出电压。 0038 图5图解说明表示与图1和2的输入级对应的中间DC电压的分布的直方图500 的例子。直方图500表明对于所示的样本分布，中间DC电压Vint。
22、可在约390伏和410伏 之间变化。在没有输入级控制模块315提供的控制的情况下，中间DC电压的这种容限范围 会极大地影响DC输出电压Vout。 0039 在串联谐振频率，LLC变换器的损耗被最小化，以及LLC变换器的工作效率被最大 化。于是，设定接近特定LLC变换器的串联谐振频率的目标频率(基准2)使它可以使其工 作频率达到最大。 0040 在本公开的一个实施例，在每个LLC变换器的串联谐振频率附近，为每个LLC变 换器单独选择目标频率(基准2)，从而使每个LLC变换器可以使其工作效率达到最大。这 里，输入级控制模块315调整其对应中间DC电压Vint(从而例如升高第一归一化增益曲线 405。
23、)，直到它在LLC变换器的串联谐振频率(即，目标频率)，与归一化的单位增益值重合为 止。这要求最大串联谐振频率也对应于作为最坏情况中间DC电压的约390伏的中间DC电 压Vint。 说 明 书CN 102857095 A 5/5页 7 0041 在本公开的另一个实施例中，为所有LLC变换器选择单个目标频率(基准2)，从而 要求每个LLC变换器在该目标频率下工作。这里，目标频率可被设定成最大串联谐振频率， 因为使LLC变换器在其串联谐振频率以下工作一般会对其工作频率造成过大的损失。在本 实施例中，多数LLC变换器的工作效率可能稍微降低，因为除一个以外的所有LLC变换器都 被迫在它们的串联谐振频率。
24、以上工作。不过，对许多应用来说，这种方法是可接受或者准许 的。 0042 这里，输入级控制模块315调整中间DC电压Vint(从而升高第一归一化增益曲线 405)，直到它在作为所有LLC变换器的目标频率的最大串联谐振频率，与归一化的单位增 益值重合为止。这还要求最大串联谐振频率对应于作为最坏情况中间DC电压的约390伏 的中间DC电压Vint。 0043 图6图解说明按照本公开的原理进行的操作功率变换器的方法600的实施例的流 程图。方法600开始于步骤605，随后在步骤610，接收输入信号，并提供中间DC电压。在步 骤615，从具有耦接到中间DC电压的输入端的LLC变换器产生DC输出电压。在。
25、步骤620， 以控制中间DC电压为基础，调整DC输出电压并设定LLC变换器的目标工作参数。 0044 在一个实施例中，用施加于LLC变换器的脉冲频率调制(PFM)信号或者脉冲宽度 调制(PWM)信号，调整DC输出电压。在另一个实施例中，目标工作参数确定LLC变换器的 工作频率或工作周期。 0045 在另一个实施例中，目标工作参数对应于LLC变换器的串联谐振频率。另一方面， 目标工作参数对应于LLC变换器的比其串联谐振频率高的工作频率，并且可对应于从一组 LLC变换器中选择的最大串联工作频率。 0046 在另一个实施例中，用LLC变换器的上组件容限确定的最小串联谐振频率对应于 LLC工作频率的目。
26、标频率窗口的下端。另一方面，用LLC变换器的下组件容限确定的最大串 联谐振频率对应于LLC工作频率的目标频率窗口的上端。 0047 在另一个实施例中，基于样本单元的容限分布的中间DC电压的最小值足以提供 LLC变换器的最大串联谐振频率。对应地，样本单元的容限分布提供约为中间DC电压的5% 的范围。方法600结束于步骤625。 0048 虽然关于按照特定顺序进行的特定步骤，说明和示出了这里公开的方法，不过显 然这些步骤可以被结合、再分或者重新排序，以形成等同的方法，而不脱离本公开的教导。 因而，除非这里明确地指出，否则步骤的顺序或分组不是对本公开的限制。 0049 本申请所涉及领域的技术人员会理解可对说明的实施例做出其它更多的添加、删 除、替换和修改。 说 明 书CN 102857095 A 1/5页 8 图1 说 明 书 附 图CN 102857095 A 2/5页 9 图2 说 明 书 附 图CN 102857095 A 3/5页 10 图3 说 明 书 附 图CN 102857095 A 10 4/5页 11 图4 说 明 书 附 图CN 102857095 A 11 5/5页 12 图5 图6 说 明 书 附 图CN 102857095 A 12 。