[发明专利]宽输出电压范围的隔离式DC/DC转换器及其控制方法

说明书

本案公开一种隔离式多级DC/DC谐振转换器，相较现有技术的输出电压范围和装置开关频率范围，本案在窄装置开关频率范围的条件下具有宽范围的输出电压。控制电路根据输出电压、输出电流、输入信号及一个或多个外部控制信号的至少其中之一，在任何给定时间，选择三个调变方式中的一个以操作谐振转换器的初级侧开关装置。三种调变方式与其选定的装置开关频率产生不同的电压波形至与次级侧变压器相耦合的初级侧变压器，借此提供不同的输出电压。

技术领域

本案涉及一种功率转换器，特别是适用于宽输出电压范围的隔离式DC/DC转换器及其控制方法。更具体地，本案涉及利用不同的调变方式控制谐振DC/DC转换器，以在极宽的电压范围内对输出电压进行调节。

背景技术

许多电源转换应用(例如电动汽车(EV)的电池充电)需要在宽电压范围内调节输出电压。举例而言，典型的EV电池充电电路具有两个转换级，分别为前端AC/DC转换器及直接连接于电池的隔离式DC/DC转换器，其中前端AC/DC转换器可提供固定的DC母线电压或可变的DC母线电压。DC/DC转换器需要在各种负载电流条件和电池状态下并于宽电压范围内提供可调节的电压。例如，用于传统EV的典型电池具有240伏特至460伏特的电压范围。然而，一些高阶电动车、多用途电动车以及电动客车或联结车的输出电池电压范围在500伏特与950伏特之间。因此，需要一种可提供具有极宽的输出电压范围的可调节输出电压的DC/DC转换器，以便适应不同电池电压准位下的充电要求。

由于LLC谐振转换器拓扑具有高效率和通过磁件整合所实现的简化结构，并可在初级侧开关和次级侧开关上均可实现软开关，且适用于宽电压范围，故LLC谐振转换器拓扑被广泛运用在隔离式DC/DC转换器。

图1A为处于闭环电压控制下的传统全桥LLC谐振转换器的电路结构图，图1B为图1A所示的谐振转换器的开关控制信号和初级侧全桥输出电压V_AB的时序图。通过控制初级侧开关的开关频率，可调节输出电压V_o。当LLC谐振转换器以谐振频率(f_r)运行时，或当DC电压增益M等于变压器的匝数比N_P/N_S时，LLC谐振转换器具有最高的效率，其中谐振频率(f_r)是由谐振电感L_r和谐振电容C_r所决定，DC电压增益M等于V_o/V_in。当开关频率(f_sw)大于谐振频率f_r时，DC电压增益M减小。反之，当开关频率f_sw小于谐振频率f_r时，DC电压增益M增大。然而，转换效率会随着开关频率f_sw偏离谐振频率f_r而下降。为了达到较宽的输出电压范围，LLC谐振转换器在极宽的频率范围内工作，因此将无可避免地降低其转换效率。此外，LLC谐振转换器的最大DC电压增益和最小DC电压增益是由电路参数(例如励磁电感L-_m与谐振电感L_r之比)及负载条件所决定，故LLC谐振转换器无法在所有负载条件下皆达到极宽的输出电压范围。

对于宽输出电压范围的应用，例如电池充电应用，LLC电路参数必须在转换效率和输出电压范围之间谨慎权衡。在现有技术中，已经开发了许多用于实现宽输出电压范围的技术，例如：

(a)标题为“Design Methodology of LLC Resonant Converters for ElectricVehicle Battery Chargers”的文献，其作者为J.Deng et al.，发行于the IEEETransactions on Vehicular Technology,vol.63,no.4,pp.1581-1592，发行日期为公元2014年5月；