用于谐振转换器的控制设备制造技术

本发明专利技术公开了一种用于谐振转换器的控制设备。具体描述了一种用于谐振转换器的开关电路的控制设备，其中谐振转换器在输出处具有直流电流；开关电路包括至少一个半桥，该半桥包括连接在输入电压和参考电压之间的至少第一和第二晶体管。半桥适于产生周期性方波电压以驱动所述谐振转换器的谐振电路；该周期性方波电压的范围为从相应于输入电压的高电压至相应于参考电压的低电压。控制设备适于根据电容器的充电或放电的时间周期来控制所述半桥，并包括适于在指示流经谐振电路电流的信号过零值时同步电容器放电或充电的时间周期的起始时刻的同步电路装置，以及适于在电容器的放电或充电时间周期结束时控制将第一或第二晶体管关断的另一装置。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】 本申请是申请日为2010年10月12日、申请号为201010572651.X、专利技术名称为"用 于谐振转换器的控制设备"的中国专利申请的分案申请。
本专利技术涉及一种用于谐振转换器的控制设备。
技术介绍
在现有技术中，具有控制设备的强迫切换转换器（开关转换器）是已知的。谐振 转换器属于强迫切换转换器中的一大类，其以存在在确定输入一输出功率流方面扮演有源 部分的谐振电路为特征。在这些转换器中，由直流电压供电的包括四个（两个）功率开关 (典型的为功率M0SFET)的桥（半桥）产生电压方波，该电压方波被施加至频率被调谐为 接近所述方波的基波频率的谐振电路。由此，由于其选择性，谐振电路主要响应于该基波分 量，同时忽略高次谐波。结果，循环的功率可通过改变占空比保持为50%的方波的频率来进 行调整，并且，根据谐振电路的配置，与功率流相关的电流和/或电压出现正弦或选通正弦 波形。 对这些电压进行调节并且滤波，从而向负载提供直流（d.c.)电力。在网络应用 中，针对安全性需求问题，给负载供电的调节和滤波系统通过变压器与谐振电路耦合，该变 压器提供上述调节所需的电源与负载之间的隔离。对于所有隔离网络转换器，以及在这种 情况下，连接到输入源的初级侧（涉及变压器的初级绕组）与次级侧（涉及变压器的一个 或多个次级绕组）相区分，该次级侧通过调节和滤波系统给负载提供电力。 在多种谐振转换器中，现在常用的是称为LLC的谐振转换器，尤其是半桥结构的 LLC谐振转换器。该名称源于该谐振电路采用两个电感器（L)和一个电容器（C);图1中示 出了一个LLC谐振转换器的示图。谐振转换器1包括位于输入电压Vin和地GND之间的半 桥式晶体管Q1和Q2,半桥式晶体管Q1和Q2由驱动电路3驱动。在晶体管Q1和Q2之间的 公共端点HB连接至包括串联的电容器Cr、电感器Ls以及另一电感器Lp的电路模块2,电 感器Lp并联至具有中间抽头次级的变压器10。变压器10的中间抽头次级的两个绕组连接 至两个二极管D1和D2的阳极，二极管D1和D2的阴极都连接至电容器Cout和电阻Rout 的并联电路；在所述并联电路的两端是谐振转换器的输出电压Vout，输出电流lout流经所 述并联电路。 谐振转换器相比于传统的开关转换器（非谐振的，典型的为PWM-脉宽调制一控 制的）具有极大的优势：波形不具有陡峭边缘，由"软"开关带来的功率开关的低开关损耗， 高转换效率（可轻易得到>95 %的效率），可高频工作的能力，产生的EMI(电磁干扰）低，以 及最后，高功率密度（即，在减小的体积内实现能够处理相当大功率的转换系统的能力）。 在大多数dc-dc转换器中，闭环、负反馈调节系统在操作条件（即输入电压Vin和 /或输出电流lout)发生变化时将转换器的输出电压保持为恒定。这是通过将输出电压的 一部分与参考电压Vref进行比较所达到的；由输出电压读出系统（通常为电阻分压器）提 供的值与参考值之间的差值或误差信号Er通过误差放大器放大，误差放大器的输出Vc改 变转换器内部的值X，其中在每个开关周期转换器承载的能量基本上依赖于该X。如上所 述，在谐振转换器中的一个很重要的值是激励谐振电路的方波的开关频率。 另外，在所有dc-dc转换器的调节系统中共有的是，必须合适地设计误差放大器 的频率响应以确保： -控制环的稳定（即，这样的事实：在转换器的操作条件发生扰动时，一旦由该扰 动引起的瞬态结束，输出电压就趋向于恢复至恒定值，该恒定值接近于扰动之前的值）； -良好的调节性（S卩，输出电压在扰动之后恢复至的新的恒定值与扰动之前的恒 定值非常接近）； 一良好的动态特征（即，在扰动引起的瞬态期间，输出电压与期望值相差不大并 且瞬态时间本身很短）。 上述控制目标可被表述为调节环的传递函数的一些特征值，如带宽、相位裕度、dc 增益。在指定的dc-dc转换器中，这些目标可通过下述方式来实现：作用于误差放大器的频 率响应；改变其增益以及恰当地部署其传递函数的极点和零点（频率补偿），其中恰当的部 署其传递函数的极点和零点（频率补偿）通常通过采用包括连接至其的具有恰当值的电阻 和电容的电抗网络来实现。 但是，为了确定获得调节环的传递函数的期望特性所需要的频率补偿，应当知道 调节器的增益（即系统将控制电压Vc转换至控制值X)，以及转换器本身对值X的变化的频 率响应。 调节器增益通常不依赖于频率，至少在相关频率范围内是如此，根据香农定理 (Shannon'stheorem)，该相关频率不能大于转换器的开关频率的一半，并且调节器增益在 控制集成电路中是固定的。即使在由于开关动作存在强非线性的系统中，由于开关动作，通过恰当的近似以 及在一定的假定下，dc-dc转换器的频率响应可以用线性网络中使用的同一方式来描述和 表示，因此，可通过由增益、零点和极点描述表征的传递函数来表示。该传递函数主要依赖 于转换器的拓扑结构，即，处理功率的元件的共有结构、其工作模式、以及由调节环控制的 值X，所述工作模式即在每个开关周期在磁性部件中是具有连续的电流循环（连续电流模 式，CCM)还是不具有连续的电流循环（断续电流模式，DCM)，以及由调节环控制的值X。尽 管传统地，在PWM转换器中，通常使用的不同的控制方法一一例如控制功率开关的脉宽（直 接占空比控制，因此，X=D)或者流经开关的电流峰值（峰值电流模式控制，X=Ip)直接 作用一一但在谐振转换器中，用于控制转换器的值直接是施加至谐振电路的方波的开关频 率。 在目前市场上的用于dc-dc谐振转换器的所有集成控制电路中，控制直接操作于 半桥的振荡频率（直接频率转换器，DirectFrequencyConverter，DFC)。图2示出了用 于这种类型的谐振转换器的控制系统。在次级侧，在反向端输入具有输出电压Vout的一部 分以及在非反向端具有参考电压Vref的误差放大器4的输出通过光耦5传输至初级侧， 以确保根据安全需求的初级一次级隔离，并且作用至控制集成电路30内部的压控振荡器 (VC0)6或者电流控制振荡器（ICO)。这种类型的控制导致两类问题。第一类涉及：由增益、 极点和零点描述的谐振转换器小信号动态图形（pattern)的文字描述是未知的（仅在实际 可证实的使用中具有近似形式），这与针对PWM转换器的情形不同，即功率级的传递函数是 未知的。第二类问题涉及：根据仿真得到的研究结果，所述功率级的传递函数示出了强易变 性的dc增益，以及从一至三个可变的极点数目，并且具有依赖于操作点的移动的部署。最 后，由于输出电容器，存在一个零点。增益的大幅度变化以及极点配置的大幅度改变使得反 馈控制环的频率补偿很困难。因此，实际上不可能获得在所有操作条件下都最优的瞬态响 应，以及在稳定性和动态性能之间具有很大的妥协。另外，能量传输对输入电压（音频敏感 性）具有强依赖性，由此控制环必须强势介入并且大幅度改变工作频率以补偿所述变动。 考虑到在转换器输入电压中总是存在具有相对于网络电压频率的两倍频率的交流分量，在 该频率上的环增益需要非常大，以有效地抑制所述交流分量以及显著地衰减输出电压中可 视的剩余纹波。所有这些因素将导致未完全解决的问题的出现，尤其是当由转换本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种谐振电路的控制设备，所述控制设备包括：第一电路，被配置为响应于表示流动通过所述谐振电路的电流的信号的过零点，起始对电容器放电或充电的时间周期；以及控制电路，被配置为响应于对所述电容器放电或充电的所述时间周期的结束来控制半桥电路的第一晶体管或第二晶体管的关断，所述控制电路包括：第二电路，被配置为将所述电容器的端子处的电压限制在最小值和最大值之间；以及第三电路，被配置为响应于在所述电容器的所述端子处的所述电压达到所述最大值或所述最小值的确定来控制所述半桥电路的所述第一晶体管或所述第二晶体管的关断。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：C·阿德拉格纳，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利;IT