[发明专利]隔离式谐振转换器及其控制方法

说明书

本公开提供一种隔离式谐振转换器及其控制方法，该控制方法通过实质缩小开关频率范围而使转换器具有宽电压转换比范围，从而提升其性能。通过结合可变占空比、可变频率及延迟时间控制来控制输出电压或电流，可缩小开关频率范围。

技术领域

本公开涉及一种隔离式谐振DC/DC转换器及用以控制该转换器的方法，尤指一种单相或多相的隔离式谐振转换器及用以控制该隔离式谐振转换器的方法，并借此增加输入电压及/或输出电压的范围。

背景技术

电源供应产业持续需求具有高效率、高功率密度及低成本的转换器，以实现更少的能耗、更小的安装空间及更好的成本效益。此外，在许多新开发的应用中(例如电动车和数据中心)，需要更高的功率处理。通过使用高额定功率的转换器，可显著减少电动车的充电时间及数据中心中的电源机柜尺寸。通常，谐振转换器采用谐振腔电路来对电压及/或电流的波形进行塑形，从而将开关损耗最小化，并在不影响转换效率的前提下实现高频运行。因此，谐振转换器被广泛用于可提供最高效率及功率密度的现有电源供应器中。

图1A示出了隔离式谐振功率转换器100的典型全桥拓扑，其谐振腔电路包含谐振电感L_P及谐振电容C_P和C_S。因谐振腔的组成元件L_P、C_P及C_S通过变压器TR而相互串联连接，故图1A中的转换器100为一串联谐振转换器(series resonant converter，SRC)。电感L_P可位于初级侧及/或次级侧，且可将电感L_P与电容C_P及/或C_S一同设置，使得至少一个电感和一个电容串联连接而形成谐振腔电路。为了最小化传导损耗，可采用具有低导通电阻的金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET)取代二极管而作为次级侧整流器。此外，由于作为次级侧整流器的MOSFET可使功率电流自次级侧流向初级侧，故使得转换器100可进行双向运行。

在转换器100为在SRC的情况下，变压器TR的励磁电感L_m远大于电感L_P(例如超出10倍)。当变压器TR的励磁电感L_m仅为电感L_P的数倍时(例如2至10倍)，此种转换器被称作LLC谐振转换器。由于LLC谐振转换器的变压器TR具有相对较小的励磁电感，故流经励磁电感的循环电流大于SRC中的循环电流。由于循环电流较大，故LLC转换器以增加传导损耗为代价实现了宽范围的零电压切换(zero voltage switching，ZVS)。

图1B为初级侧开关Q_P1-P4及次级侧开关Q_S1-S4的开关控制信号和初级侧电流i_P的波形示意图。在初级侧中，Q_P1和Q_P4的开关控制信号与Q_P2和Q_P3的开关控制信号互补。每个开关控制信号的占空比通常为50％，借此获得对称的i_P波形。由于谐振腔的组成元件L_P、C_P和C_S之间的谐振，初级侧电流的波形为正弦波。为了实现ZVS，开关频率略大于由谐振频率，其中谐振频率取决于谐振腔的组成元件L_P、C_P和C_S。借此，在初级侧开关Q_P1-P4进行切换的瞬间(即图1B中的时刻t₂及t₃)，初级侧电流i_P成为初级侧开关Q_P1-P4的ZVS电流。初级侧电流i_P被传输至次级侧，并被除以变压器TR的匝数比(即i_S＝i_P/n，其中n＝N_P/N_S，N_P和N_S分别表示初级侧绕组及次级侧绕组的匝数)。