CN103190064A - 用于控制串联谐振dc/dc转换器的方法 - Google Patents

用于控制串联谐振dc/dc转换器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于控制串联谐振DC/DC转换器的方法。所述方法包括下列步骤：定义具有第一半周期TA和第二半周期TB的开关周期TP，并在开关周期TP之后定义后继开关周期TP+1。下一步，控制第一开关电路（SC1）的第一组开关（S1sc1；S1sc1、S4sc1）从第一半周期TA减去时间间隔ΔTAE1的开始Tstart开始是闭合的，其中所述时间间隔ΔTAE1被设置在第一半周期TA的末尾，并控制第一开关电路（SC1）的第二组开关（S2sc1；S2sc1、S3sc1）在从第二半周期TB减去时间间隔ΔTBE1的开始Tcenter开始是闭合的，其中所述时间间隔ΔTBE1被在第二半周期TB的末尾。控制第二开关电路（SC2）的第一组开关（S1sc2；S1sc2、S4sc2）在第一半周期TA减去时间间隔ΔTAS1并减去时间间隔ΔTAE2的周期内是闭合的，其中所述时间间隔ΔTAS1被设置在第一半周期TA的开始，且其中时间间隔ΔTAE2被设置在第一半周期TA的末尾，并控制第二开关电路（SC2）的第二组开关（S2sc2；S2sc2、S3sc2）在第二半周期TB减去时间间隔ΔTBS1并减去时间间隔ΔTBE2的周期内是闭合的，其中时间间隔ΔTBS1被设置在第二半周期TB的开始，且其中时间间隔ΔTBE2被设置在第二半周期TB的末尾。时间间隔Tsc1off1与Tsc2off1、时间间隔Tsc1off2与Tsc2off2至少部分重叠，其中所述第一和第二开关电路的组全部断开。

Description

用于控制串联谐振DC/DC转换器的方法
技术领域
本发明涉及用于控制串联谐振DC/DC转换器的方法和根据该方法所控制的串联谐振DC/DC转换器。
背景技术
图1示出了典型的不间断电力供应（UPS）系统。UPS系统包括用于从AC或DC电源转换电力的输入转换器。一般的UPS具有将商用AC干线（mains）或可再生能源AC或DC源转换成DC电压的输入功率级。之后DC电压借助转换器转换成受控的AC或DC电压，从而形成对诸如计算机、冰箱等这样需要不间断供电的电力负载的电力供应。一般，在输入转换器和输出转换器之间设置稳定的DC总线。DC总线理想地适配连接至DC电池。如果电池电压不同于DC总线上的DC电压，则需要双向DC/DC转换器。
通过使用电池经由DC/DC转换器对DC总线供应DC电力，一般的AC-UPS可以应对AC干线的电力故障，所以提供给AC负载的电力不会中断。当AC干线再次可用时，AC主线的电力可用于对电池充电和为负载供应能源。
在许多UPS系统中，一个DC/DC转换器被用于从电池向DC总线供应电力，一个单独的转换器被用于对电池充电。该电池充电转换器可以是被供应以AC干线电力的AC/DC转换器，或被供应以DC总线电力的单独的DC/DC转换器。
在某些应用中，输入还可以是DC源，比如诸如太阳能电池这样的可再生电能。
为提高效率，许多文献中提出了用于单向和双向DC/DC转换器的电路，比如Krismer,Round,Kolar于2006年在Power Electronics SpecialistsConference上发表的“Performance optimization of a High Current DualActive Bridge with Wide operating Voltage Range”，Kim,Han,Park,Moon在Journal of Power Electronics的2006年6月的第6卷第3期中发表的“A newHE ZVZCS Bidirectional DC/DC converter for HEV42V Power Systems”，Ray于1992年在Power Electronics Specialists Conference上发表的“Bidirectional DC/DC Power Conversion using Quasi-Resonant Topology”，Jalbrzykowski,Citko在Bulletin of the Polish Academy of Technical Sciences的2009年的第57卷第4期中发表的“Bidirectional DC/DC converter forrenewable energy systems”。所有这些电路都以固定频率工作并由移相栅极脉冲或占空比调制所控制。所有这些电路的操作范围都有的缺点是高效率操作的有限工作范围，比如有限负载范围的主开关的零电压开关（ZVS）。
本发明的目标是提供一种以更高的效率控制串联谐振DC/DC转换器的方法。本发明的另一个目标是提供控制串联谐振DC/DC转换器的方法以实现双向DC/DC转换器。因此，串联谐振DC/DC转换器可以用于在电力故障期间从电池向DC总线提供电力，以及用于在电力故障之后从DC总线提供电力为电池充电。这样可以减小部件数量，节约成本/空间。
发明内容
本发明涉及一种用于控制串联谐振DC/DC转换器的方法，包括下列步骤：
为串联谐振DC/DC转换器定义从时间Tstart到时间Tend的开关周期TP；其中开关周期TP包括从Tstart到Tcenter的第一半周期TA和从Tcenter到Tend的第二半周期TB，并在开关周期TP之后定义后继的开关周期TP+1；
控制第一开关电路的第一组开关从第一半周期TA减去时间间隔ΔTAE1的开始Tstart开始是闭合的（ON），其中时间间隔ΔTAE1被设置在第一半周期TA的末尾；
控制第一开关电路的第二组开关从第二半周期TB减去时间间隔ΔTBE1的开始Tcenter开始是闭合的，其中时间间隔ΔTBE1被设置在第二半周期TB的末尾；
控制第一开关电路的第一组和第二组开关在时间间隔ΔTAE1和ΔTBE1内是断开的（OFF）；
控制第二开关电路的第一组开关在第一半周期TA减去时间间隔ΔTAS1并减去时间间隔ΔTAE2的周期内是闭合的，其中时间间隔ΔTAS1被设置在第一半周期TA的开始，其中时间间隔ΔTAE2被设置在第一半周期TA的末尾；
控制第二开关电路的第二组开关在第二半周期TB减去时间间隔ΔTBS1并减去时间间隔ΔTBE2内是闭合的，其中时间间隔ΔTBS1被设置在第二半周期TB的开始，其中时间间隔ΔTBE2被设置在第二半周期TB的末尾；
控制第二开关电路的第一组和第二组开关在时间间隔ΔTAS1、ΔTAE2、ΔTBS1和ΔTBE2内是断开的；
其中时间间隔ΔTAE1形成第一时间间隔Tsc1off1，其中第一开关电路的第一和第二组开关是断开的，其中，时间间隔ΔTBE形成第二时间间隔Tsc1off2，其中，第一开关电路的第一和第二组开关是断开的；
其中时间间隔ΔTAE2和ΔTBS1形成连续时间间隔Tsc2off1，其中第二开关电路的第一和第二组开关是断开的；其中时间间隔ΔTBE2与后继的开关周期TP+1的时间间隔ΔTAS1（TP+1）形成连续时间间隔Tsc2off2，其中第二开关电路的第一和第二组开关是断开的；
其中时间间隔Tsc1off1和时间间隔Tsc2off1重叠，其中时间间隔Tsc1off2和时间间隔Tsc2off2重叠。
一方面，方法包括控制间隔Tsc1off1的中心接近或等于时间间隔Tsc2off1的中心和间隔Tsc1off2的中心接近或等于时间间隔Tsc2off2的中心。
一方面，方法包括通过变化开关周期TP的长度来控制串联谐振DC/DC转换器的第一DC端子间的电压与串联谐振DC/DC转换器第二DC端子间的电压之间的关系。
一个方面，方法包括通过改变开关周期TP来控制流经串联谐振DC/DC转换器的电力的方向。
一个方面，方法包括通过控制第一和第二开关电路具有接近串联谐振频率的固定开关频率，控制第一和第二开关电路的开关以在开关闭合时提供零电压开关和在开关断开时提供近似零电流开关。
一个方面，通过在操作点以串联谐振频率或接近串联谐振频率的频率为第一DC端子在额定操作范围内的所有电压进行开关，可以控制第一和第二开关电路的开关。
一个方面，通过在操作点在串联谐振频率处或附近对第二DC端子处的所有负载状况进行开关，可以控制第一和第二开关电路的开关。
本发明还涉及串联谐振DC/DC转换器，包括：
第一DC端子；
第二DC端子；
电感器装置；
第一开关电路，连接在第一DC端子和电感器装置之间，其中第一开关电路包括第一组开关和第二组开关；
第二开关电路和谐振电路，连接在第二DC端子和电感器装置之间，其中第二开关电路包括第一组开关和第二组开关；
控制电路，用于根据上述方法之一控制第一和第二开关电路中的开关组。
附图说明
下面将参考附图详细说明本发明的实施方式，其中；
图1示出了双向DC/DC转换器的典型应用；
图2示出了DC/DC转换器的第一实施方式；
图3示出了DC/DC转换器的第二实施方式；
图4示出了DC/DC转换器的第三实施方式；
图5示出了DC/DC转换器的第四实施方式；
图6示出了DC/DC转换器的第五实施方式；
图7示出了DC/DC转换器的第五实施方式；该实施方式不具有变压器装置；
图8示出了满载时第二实施方式的电压和电流波形；
图9示出了图9的具体细节；
图10示出了空载时第二实施方式的电压和电流波形；
图11示出了图10的具体细节；
图12示出了不同开关频率和不同负载的输出电压Vout的变化；
图13示出了作为图3中实施方式输出功率的函数的效率曲线。
具体实施方式
现在参考图2-7，示出了串联谐振DC/DC转换器的实施方式。应当注意，术语“串联谐振DC/DC转换器系列”指的是不同类型串联LCDC/DC转换器和不同类型的串联谐振LLCDC/DC转换器。所述串联谐振DC/DC转换器可以是双向DC/DC转换器。
DC/DC转换器包括第一DC端子T1P、T1N和第二DC端子T2P、T2N。所述第一DC端子包括第一正DC端子T1P和第一负DC端子T1N。所述第二DC端子包括第二正DC端子T2P和第二负DC端子T2N。
DC/DC转换器进一步包括电感器装置，该电感器装置或者是单电感器装置ID形式的（如图7的实施方式所示）或者是变压器装置TD形式的（如图2-6的实施方式所示）。
单电感器装置ID可以包括单个电感器Lm，或可以包括多个电感器，但不提供流电隔离。
变压器装置TD可以包括第一绕组和第二绕组。变压器装置在第一DC端子和第二DC端子之间提供流电隔离。所述变压器还包括磁化电感，其与谐振电容器一起形成并联谐振电路。
本实施方式中，变压器装置的变压比是1：1；然而其他变压比也是可行的并可被设计为满足输入输出电压和电流比的需求。
第一开关（切换）电路SC1（如虚线框所示）连接在第一DC端子T1P、T1N与电感器装置（单电感器装置ID或变压器装置TD）之间。第一开关电路SC1包括第一组开关和第二组开关。第一组合第二组开关各自包括一个、两个或多个开关。
第一开关电路SC1被配置为被以三种不同开关状态控制。通过命令第一组开关闭合，第一状态允许电流从第一正DC端子T1P流经电感器装置到负DC端子T1N。通过命令第二组开关闭合，第二状态允许电流从第一负DC端子T1N流经电感器装置到正DC端子T1P。第三开关状态的特征在于命令两组开关均断开。
第二开关电路SC2（如虚线框所示）和谐振电路RC（如虚线框所示）连接在第二DC端子T2P、T2N和电感器装置（单电感器装置ID或变压器装置TD）之间。第二开关电路SC2包括第一组开关和第二组开关。第一组合第二组开关可各自包括一个、两个或多个开关。可以看出，第二开关电路SC2和谐振电路RC与电感器装置（单电感器装置ID或变压器装置TD）串联连接在第二DC端子T2P、T2N之间。谐振电路RC与电感器装置的串联组合连接第二开关电路SC2。第二开关电路SC2被设置为被以三种不同开关状态控制。通过命令第一组开关闭合，第一状态允许谐振电流从第二正DC端子T2P流经谐振电路RC和电感器装置的串联组合到第二负DC端子T2N。通过命令第二组开关闭合，第二状态允许谐振电流从第二负DC端子T2N流经谐振电路RC与电感器装置的串联组合到第二正DC端子T2P。第三开关状态的特征在于命令两组开关断开。
第一开关电路SC1可以是推挽电路或诸如全桥式电路或半桥式电路这样的桥接电路。
第二开关电路SC2也可以是诸如全桥式电路或半桥式电路这样的桥接电路。
谐振电路RC经常称作谐振槽，并包括与单电感器装置ID或变压器装置T的第二绕组这样的电感器装置合适配置的至少一个电容器或至少一个电感器，其中，该至少一个电容器和/或至少一个电感器的电感与单电感器装置ID或变压器装置T的第二绕组的电感共同定义谐振频率，以使DC/DC转换器在SC1和SC2的所有有源开关上都执行（exhibit）零电压闭合开关。
谐振电路RC还可以是包括LC网络中的多个电容器和电感器的多元件谐振电路。因此，转换器可以被认为是串联谐振LLCDC/DC转换器。
另外，DC/DC转换器包括控制电路，该控制电路判断电力流的期望方向并控制在第一和第二DC端子处的电流方向，从而使得转换器向连接至第一DC端子的负载或连接至第二DC端子的负载提供能源。
下面说明了多个实施方式。在所有这些实施方式中，开关都是MOSFET开关。可选地，开关可以是具有本征二极管的开关或与反并联二极管并联连接的开关，例如具有反并联二极管的IGBT。
第一实施方式
现在参考图2。这里，第一开关电路SC1是包括第一开关S1sc1和第二开关S2sc2的半桥式电路。第一开关电路SC1的第一组开关包括第一开关S1sc1，第一开关电路SC1的第二组开关包括第二开关S2sc1。
第一开关S1sc1连接在第一负DC端子T1N和第一绕组的第一端子之间。开关的源极连接第一负DC端子T1N。
第二开关S2sc1连接在第一负DC端子T1N和第一绕组的第二端子之间。开关的源极连接第一负DC端子T1N。
变压器装置T的第一绕组包括连接至第一正DC端子T1P的第三端子。第二绕组的第三端子被设置在第二绕组的第一端子和第二端子之间。因此，第一和第二端子之间的匝数与第二和第三端子之间的匝数等于第二绕组的总匝数。在本实施方式中，第一和第三端子之间匝数与第二和第三端子之间的匝数彼此相等。
第一电容器C1连接在第一正DC端子T1P和第一负DC端子T1N之间。
第二开关电路SC2是包括第一开关S1sc2和第二开关S2sc2的半桥式电路。这里的第二开关电路SC2的第一组开关包括第一开关S1sc2，第二开关电路SC2的第二组开关包括第二开关S2sc2。
第一开关S1sc2连接在第一节点10和第二正DC端子T2P之间。第二开关S2sc2连接在第二负DC端子T2N和第二节点10之间。第一开关S1sc2的源极连接至第二负DC端子T2N和第二开关S2sc2的源极连接至第一节点10。第一节点10还连接至变压器装置T的第二绕组的第一端子。
谐振电路RC包括谐振电感器Lrc、第一谐振电容器Clrc和第二谐振电容器C2rc。谐振电感器Lrc连接在变压器T的第二绕组的第二端子与第二节点12之间。第一谐振电容器Clrc连接在第二节点12和第二正DC端子T2P之间。第二谐振电容器C2rc连接在第二节点12和第二负DC端子T2N之间。
第二实施方式
现在参考图3。
第一开关电路SC1是包括第一开关S1sc1、第二开关S2sc1、第三开关S3sc1和第四开关S4sc1的全桥式电路。
这里第一开关电路SC1的第一组开关包括第一开关S1sc1和第四开关S4sc1。第一开关电路SC1的第二组开关包括第二开关S2sc1和第三开关S3sc1。
第一开关S1sc1连接在第一正DC端子T1P和第一节点20之间。开关的源极连接第一节点20。
第二开关S2sc1连接在第一负DC端子T1N和第一节点20之间。开关的源极连接至第一负DC端子T1N。
第三开关S3sc1连接在第一正DC端子T1P和第二节点22之间。开关的源极连接第二节点22。
第四开关S4sc1连接在第一负DC端子T1N和第二节点22之间。开关的源极连接至第一负DC端子T1N。
第一节点20连接至变压器装置T的第一绕组的第一端子。第二节点22连接至变压器装置T第一绕组的第二端子。
第一电容器C1连接在第一正DC端子T1P和第一负DC端子T1N之间。
这里第二开关电路SC2是包括第一开关S1sc2和第二开关S2sc2的半桥式电路。
这里的第二开关电路SC2的第一组开关包括第一开关S1sc2，第二开关电路SC2的第二组开关包括第二开关S2sc2。第一开关S1sc2连接在第一节点10和第二正DC端子T2P之间。第二开关S2sc2连接在第二负DC端子T2N和第二节点10之间。第一开关S1sc2的源极连接至节点10，第二开关S2sc2的源极连接至第二负DC端子T2N。第一节点10还连接至变压器装置T的第二绕组的第一端子。
谐振电路RC包括谐振电感Lrc、第一谐振电容器Clrc和第二谐振电容器C2rc。谐振电感器Lrc连接在变压器T的第二绕组的第二端子与第二节点12之间。第一谐振电容器Clrc连接在第二节点12和第二正DC端子T2P之间。第二谐振电容器C2rc连接在第二节点12与第二负DC端子T2N之间。
第二电容器C2连接在第二正DC端子T2P和第二负DC端子T2N之间。
在图3中，变压器装置TD的第一绕组被标记为Tp，变压器装置TD的第二绕组被标记为Ts。通过第一绕组的电流被标记为Ip，通过第二绕组的电流被标记为Is。
如图3所示，具有输入电压Vin的电压源连接在第一负DC端子和第一正DC端子T1P、T1N之间。负载Rload连接在第二负DC端子和第二正DC端子T2P、T2N之间。
第三实施方式
现在参考图4。
第一开关电路SC1是包括第一开关S1sc1、第二开关S2sc1、第三开关S3sc1和第四开关S4sc1的全桥式电路。
这里第一开关电路SC1的第一组开关包括第一开关S1sc1和第四开关S4sc1。第一开关电路SC1的第二组开关包括第二开关S2sc1和第三开关S3sc1。第一开关S1sc1连接在第一正DC端子T1P与第一节点20之间。开关的源极连接第一节点20。
第二开关S2sc1连接在第一负DC端子T1N和第一节点20之间。开关的源极连接第一负DC端子T1N。
第三开关S3sc1连接在第一正DC端子T1P和第二节点22之间。开关的源极连接至第二节点22。
第四开关S4sc1连接在第一负DC端子T1N和第二节点22之间。开关的源极连接至第一负DC端子T1N。
第一节点20连接至变压器装置T的第一绕组的第一端子。第二节点22连接至变压器装置T的第一绕组的第二端子。
第一电容器C1连接在第一正DC端子T1P和第一负DC端子T1N之间。
第二开关电路SC2是包括第一开关S1sc2、第二开关S2sc2、第三开关S3sc2和第四开关S4sc2的全桥式电路。
这里，第二开关电路SC2的第一组开关包括第一开关S1sc2和第四开关S4sc2。第二开关电路SC2的第二组开关包括第二开关S2sc2和第三开关S3sc2。
第一开关S1sc2连接在第二正DC端子T2P与第一节点10之间。第一开关S1sc2的源极连接至第一节点10。
第二开关S2sc2连接在第二负DC端子T1N和第一节点10之间。开关的源极连接至第二负DC端子T2N。
第三开关S3sc2连接在第二正DC端子T2P和第二节点12之间。开关的源极连接第二节点12。
第四开关S4sc2连接在第二负DC端子T2N与第二节点12之间。开关的源极连接第二负DC端子T2N。
第二开关电路SC2的第二节点12还连接至变压器装置T第二绕组的第一端子。
谐振电路RC包括在变压器T第二绕组第二端子与第一节点10之间串联的谐振电感器Lrc和谐振电容器Crc。
第二电容器C2连接在第二正DC端子T2P和第二负DC端子T2N之间。
第四实施方式
现在参考图5。
这里，第一开关电路SC1是包括第一开关S1sc1和第二开关S2sc2的半桥式电路。这里的第一开关电路SC1的第一组开关包括第一开关S1sc1，第一开关电路SC1的第二组开关包括第二开关S2sc1。第一开关S1sc1连接在第一负DC端子T1N与第一绕组的第一端子之间。开关的源极连接第一负DC端子T1N。
第二开关S2sc1连接在第一负DC端子T1N与第一绕组的第二端子之间。开关的源极连接至第一负DC端子T1N。
变压器装置T的第一绕组包括连接第一正DC端子T1P的第三端子。第二绕组的第三端子被设置在第二绕组的第一端子和第二端子之间。因此，第一和第二端子之间的匝数和第二和第三端子之间的匝数等于第二绕组的总匝数。在本实施方式中，第一和第三端子之间的匝数和第二和第三端子之间的匝数彼此相等。
第一电容器C1连接在第一正DC端子T1P和第一负DC端子T1N之间。
第二开关电路SC2是包括第一开关S1sc2、第二开关S2sc2、第三开关S3sc2和第四开关S4sc2的全桥式电路。
这里第二开关电路SC2的第一组开关包括第一开关S1sc2和第四开关S4sc2。第一开关电路SC2的第二组开关包括第二开关S2sc2和第三开关S3sc2。
第一开关S1sc2连接在第二正DC端子T2P和第一节点10之间。第一开关S1sc2的源极连接第一节点10。
第二开关S2sc2连接在第二负DC端子T1N和第一节点10之间。开关的源极连接至第二负DC端子T2N。
第三开关S3sc2连接在第二正DC端子T2P和第二节点12之间。开关的源极连接至第二节点12。
第四开关S4sc2连接在第二负DC端子T2N和第二节点12之间。开关的源极连接至第二负DC端子T2N。
第二开关电路SC2的第二节点12还连接至变压器装置T的第二绕组的第一端子。
谐振电路RC包括在变压器T第二绕组的第二端子与第一节点10之间串联的谐振电感器Lrc和谐振电容器Crc。
第二电容器C2连接在第二正DC端子T2P和第二负DC端子T2N之间。
第五实施方式
现在参考图6。
这里，第一开关电路SC1是包括第一开关S1sc1和第二开关S2sc1的倍压器电路。这里的第一开关电路SC1的第一组开关包括第一开关S1sc1，第一开关电路SC1的第二组开关包括第二开关S2sc1。
第一开关S1sc1连接在第一正DC端子T1P与变压器装置TD第一绕组的第一端子之间。开关的源极连接变压器装置TD第一绕组的第一端子。
第二开关S2sc1连接在第一负DC端子T1N与变压器装置TD第一绕组的第二端子之间。开关的源极连接至变压器装置TD第一绕组的第二端子。
第一电容器C1连接在第一正DC端子T1P和节点20之间。第二电容器C2连接在节点20和第一负DC端子T1N之间。节点20连接至变压器装置TD第一绕组的第三端子。
第二绕组的第三端子被设置在第二绕组的第一端子和第二端子之间。因此，第一和第三端子之间的匝数与第二和第三端子之间的匝数等于第二绕组总匝数。在本实施方式中，第一和第三端子之间的匝数与第二和第三端子之间的匝数彼此相等。
这里，第二开关电路SC2是包括第一开关S1sc2和第二开关S2sc2的半桥式电路。
这里的第二开关电路SC2的第一组开关包括第一开关S1sc2，第二开关电路SC2的第二组开关包括第二开关S2sc2。
第一开关S1sc2连接在第一节点10与第二正DC端子T2P之间。第二开关S2sc2连接在第二负DC端子T2N和第二节点10之间。
第一开关S1sc2的源极连接至节点10。第二开关S2sc2的源极连接至第二负DC端子T2N。第一节点10还连接至变压器装置T第二绕组的第一端子。
谐振电路RC包括谐振电感器Lrc、第一谐振电容器Clrc和第二谐振电容器C2rc。谐振电感器Lrc连接在变压器T的第二绕组的第二端子与第二节点12之间。第一谐振电容器Clrc连接在第二节点12与第二正DC端子T2P之间。第二谐振电容器C2rc连接在第二节点12与第二负DC端子T2N之间。
第六实施方式
现在参考图7。
第一开关电路SC1是包括第一开关S1sc1、第二开关S2sc1、第三开关S3sc1和第四开关S4sc1的全桥式电路。
这里，第一开关电路SC1的第一组开关包括第一开关S1sc1和第四开关S4sc1。第一开关电路SC1的第二组开关包括第二开关S2sc1和第三开关S3sc1。
第一开关S1sc1连接在第一正DC端子T1P与第一节点10之间。开关的源极连接至第一节点20。
第二开关S2sc1连接在第一负DC端子T1N与第一节点20之间。开关的源极连接至第一负DC端子T1N。
第三开关S3sc1连接在第一正DC端子T1P与第二节点22之间。开关的源极连接至第二节点22。
第四开关S4sc1连接在第一负DC端子T1N与第二节点22之间。开关的源极连接至第一负DC端子T1N。
如上，本实施方式中没有变压器装置TD。代替地，设置了磁化电感器Lm形式的电感器装置ID。
第一节点20连接至磁化电感器Lm的第一端子。第二节点22连接至磁化电感器Lm的第二端子。
第一电容器C1连接在第一正DC端子T1P和第一负DC端子T1N之间。
这里，第二开关电路SC2是包括第一开关S1sc2和第二开关S2sc2的半桥式电路。
这里的第二开关电路SC2的第一组开关包括第一开关S1sc2和第二开关电路SC1的第二组开关包括第二开关S2sc2。
第一开关S1sc2连接在第一节点10和第二正DC端子T2P之间。第二开关S2sc2连接在第二负DC端子T2N和第二节点10之间。第一开关S1sc2的源极连接至节点10，第二开关S2sc2的源极连接至第二负DC端子T2N。第一节点10还连接至磁化电感器Lm的第二端子。
谐振电路RC包括谐振电感器Lrc、第一谐振电容器Clrc和第二谐振电容器C2rc。谐振电感器Lrc连接在磁化电感器Lm第一端子和第二节点12之间。第一谐振电容器Clrc连接在第二节点12与第二正DC端子T2P之间。第二谐振电容器C2rc连接在第二节点12与第二负DC端子T2N之间。
第二电容器C2连接在第二正DC端子T2P和第二负DC端子T2N之间。
控制电路
控制单路被设置用于控制第一和第二开关电路SC1和SC2闭合和断开。控制电路可以实施为由数字信号处理器（DSP）执行的软件程序或可以实施为模拟电路。
所有开关都是单极的，意味着开关只能阻断一个方向上的传导。单极开关的示例是包括反并联二极管的MOSFET开关。另一个示例是具有从发射器连接至漏极的反并联二极管IGBT开关。
下面参考图8-12详细说明本发明的控制方法。这里，示出了图3所示实施方式的控制信号及其所得电压和/或电流。输入电压Vin被设置为50VDC，输出电压被调整为350VDC。开关频率大约为110kHz。
现在参考图8。
在第一步骤，对于串联谐振DC/DC转换器，开关周期TP被定义为从时间Tstart到时间Tend的时间。开关周期TP包括从Tstart到时间Tcenter的第一半周期TA和从时间Tcenter到时间Tend的第二半周期TB。开关周期TP之后的下一个开关时间标记为后继开关周期TP+1。
如上，串联谐振DC/DC转换器的谐振频率由电感器装置（ID或TD）和谐振电路RC的元件（电容器和电感器）特性所定义。
开关周期TP、进而开关频率可由控制电路控制为大于、等于或小于谐振频率。因此，开关周期TP与谐振频率无关。
图8中，如从下面的说明中显而易见，相关时间T0（等于Tstart）到T8（等于Tend）的第一开关周期TP由虚线表示，还定义了多个时间间隔。时间T8（等于Tend）是后继开关周期TP+1的起点（即时间T0（TP+1））。这里，时间T4等于Tcenter，但是时间间隔T0–T1、T1-T2、T2-T3、T3-T4、T4-T5、T5-T6、T6-T7、T7-T8的长度并不全部彼此相等。
基本上所有开关组的占空比都是50%，意味着在几乎一半的开关周期期间，开关具有需要开关处于传导状态ON的控制信号，在几乎一半的开关周期期间，开关具有需要开关处于非传导状态OFF的控制信号。开关组被独立地控制以具有不同延迟但是同步。
第一开关电路SC1的第一组开关S1sc1；S1sc1、S4sc1被控制为从第一半周期TA减去时间间隔ΔTAE1的开始Tstart开始是闭合的，其中时间间隔ΔTAE1被设置在第一半周期TA的末尾。第一开关电路SC1的第一组开关S1sc1；S1sc1、S4sc1被控制为在第二半周期TB内是断开的。本实施方式中的时间间隔ΔTAE1在时间T3开始并在时间T4终止。
第一开关电路SC1的第二组开关S2sc1；S2sc1、S3sc1被控制为从第二半周期TB减去时间间隔ΔTBE1的开始Tcenter开始是闭合的，其中时间间隔ΔTBE1被设置在第二半周期TB的末尾；第一开关电路SC1的第二组开关S2sc1；S2sc1、S2sc1被控制为在第一半周期TA内断开。本实施方式中的时间间隔ΔTBE1在时间T7开始并在时间T8终止。
第一开关电路SC1的第一组开关S1sc1；S1sc1、S4sc1和第二组开关S2sc1；S2sc1、S3sc1被控制为在时间间隔ΔTAE1和时间间隔ΔTBE1内是断开的。
时间间隔ΔTAE1形成第一时间间隔Tsc1off1，其中第一开关电路的第一和第二组开关是断开的。时间间隔ΔTBE1形成第二时间间隔Tsc1off2，其中第一开关电路SC1的第一和第二组开关是断开的。
第二开关电路SC2的第一组开关S1sc2；S1sc2、S4sc2被控制为在第一半周期TA减去时间间隔ΔTAS1并减去时间间隔ΔTAE2内是闭合的，其中时间间隔ΔTAS1被设置在第一半周期TA的开始和其中时间间隔ΔTAE2被设置在第一半周期TA的末尾。第二开关电路SC2的第一组开关S1sc2；S1sc2、S4sc2被控制为在第二半周期TB内是断开的。本实施方式中的时间间隔ΔTAS1在时间T0开始和在时间T1终止。本实施方式中的时间间隔ΔTAE2在时间T2开始和在时间T4终止。
第二开关电路SC2的第二组开关S2sc2；S2sc2、S3sc2被控制为在第二半周期TB减去时间间隔ΔTBS1并减去时间间隔ΔTBE2内保持闭合，其中时间间隔ΔTBS1被设置在第二半周期TB的开始，其中时间间隔ΔTBE2被设置在第二半周期TB的末尾。第二开关电路SC2的第二组开关S2sc2；S2sc2、S3sc2被控制为在第一半周期TA内是断开的。本实施方式中的时间间隔ΔTBS1在时间T4开始和在时间T5终止。本实施方式中的时间间隔ΔTBE2在时间T6开始和在时间T8终止。
第二开关电路SC2的第一组开关S1sc1；S1sc2、S4sc2和第二组开关S2sc2；S2sc2、S3sc2被控制为在时间间隔ΔTAS1、ΔTAE2、ΔTBS1和ΔTBE2内是断开的。
时间间隔ΔTAE2和ΔTBS1形成从时间T2到时间T5的连续时间间隔Tsc2off1，其中第二开关电路SC2的第一和第二组开关是断开的。时间间隔ΔTBE2和ΔTAS1（TP+1）（也就是后继的开关周期TP+1的时间间隔ΔTAS1）形成从时间T6到时间T1（TP+1）（也就是，后继的开关周期TP+1的时间实例T1）的连续时间间隔Tsc2off2，其中第二开关电路SC2的第一和第二组开关都是断开的。
下面的表1示出了开关周期TP中的第一开关电路的第一和第二组开关的状态。也给出了每个时间间隔的起始时间和结束时间。
Figure BDA00003117919900171
Table1：第一开关电路SC1的第一和第二组开关的闭合/断开状态。
下面的表2示出了开关周期TP中第二开关电路SC2的第一和第二组开关状态。也给出了每个时间间隔的起始时间和结束时间。
Figure BDA00003117919900172
Table2：第二开关电路SC2的第一和第二组开关的闭合/断开状态。
时间间隔Tsc1off1和时间间隔Tsc2off1至少部分重叠，即时间间隔Tsc1off1在时间间隔Tsc2off1结束之前开始或时间间隔Tsc2off1在时间间隔Tsc1off1结束之前开始。此外，时间间隔Tsc1off2和时间间隔Tsc2off2至少部分重叠，即时间间隔Tsc1off2在时间间隔Tsc2off2结束之前开始或时间间隔Tsc2off2在时间间隔Tsc1off2结束之前开始。通过这种方式同步第一开关电路SC1的开关和第二开关电路SC2的开关。
在本实施方式中，时间间隔Tsc2off1的长度等于时间间隔Tsc2off2的长度，时间间隔Tsc1off1的长度等于时间间隔Tsc1off2的长度。
在上述实施方式中，时间间隔Tsc2off1和Tsc2off2长于时间间隔Tsc1off1和Tsc1off2。然而，其可以具有相同的持续时间，或时间间隔Tsc1off可以长于时间间隔Tsc2off。这取决于开关电路中实现零电压开关（ZVS）所需的时间并还取决于第一正与负DC端子之间电压和第二正与负DC端子之间电压。
在上述实施方式中，时间间隔Tsc1off1的中心被控制为接近或等于时间间隔Tsc2off1的中心，时间间隔Tsc1off2的中心被控制为接近或等于时间间隔Tsc2off2的中心。
如图8所示，高负载到满载闭合时对所有开关保持零电压开关。
图9中，节点10的电压V10和节点20的V20在时间T2实例之前都高，因此开关S1sc1、S4sc1（SC1的第一组）和S1sc2（SC1的第一组）都导通，且开关S2sc1、S3sc1（SC1的第二组）和S2sc2（SC2的第二组）都不导通。
在时间实例T2，第二开关电路SC2的第一组开关S1sc2被断开。在时间实例处，当电流Is变为正，则能够通过在第二开关电路中第一组和第二组开关中的输出电容放电，使节点10的电压从高变低。命令第二开关电路的第二组开关S2sc2在时间T5处闭合，进而以接近零的电压闭合，不会产生任何显著的开关损失，所以被称作零电压开关（ZVS）。
由于Ip为正，在时间T3断开第一组开关S1sc1和S4sc1将导致节点20的电压快速从高变低和节点22的电压快速从低变高，这是由第一开关电路的第一组合和第二组开关S1sc1、S3sc1和S2sc1、S4sc1的输出电容快速充电/放电引起的。命令第一开关电路SC1的第二组开关S2sc1和S3sc1在T4闭合，进而以接近零值的电压闭合，不会产生任何显著的开关损失，所以被称作ZVS。
注意，在本实施方式中，在断开S1sc2与闭合S2sc2之间的时间间隔T2到T5长于断开S1sc1,S4sc1和闭合S2sc1,S3sc1的时间间隔T3到T4，因为第二开关电路SC2的350V电压Vout电流变换（commutate）的时间长于第一开关电路SC1的50V电压Vin。
如图10所示，所有开关在低负载或空载闭合时保持ZVS。现在参考图11。
在时间实例T2之前，节点10的电压V10和节点20的电压V20都高，因此开关S1sc1、S4sc1和S1sc2都导通。
开关S1sc2在时间实例T2断开。电流Is为正，因此能够通过开关S1sc2和S2sc2的输出电容放电，使得V10从高变低。
在时间周期T2至T3期间，由于通过谐振电感器Lrc的电压改变，所以电流Is衰减。然而，绕组Ls中的磁化电流ILM仍然增加，并进而反映至初级绕组Lp，并引起电流Ip增加。由于Ip增加且为正，断开开关S1sc1和S4sc1导致节点20的电压V20快速从高变低以及节点22的电压V22快速从低变高，这是由开关S1sc1、S3sc1和S2sc1、S4sc1的输出电容快速充电/放电引起的。
通过改变开关频率可以控制输出电压Vout。这在图12中被示出，其中输出电压Vout可以对于不同负载和不同开关频率而改变。通过适当延迟可以控制所有开关的ZVS操作，即上文以及图8、表2和表3所示的开关实例之间的时间间隔Tsc1off1、Tsc1off2、Tsc2off1和Tsc2off2。
通过改变开关周期TP的长度可以控制串联谐振DC/DC转换器第一DC端子T1P、T1N之间电压与串联谐振DC/DC转换器第二DC端子T2P、T2N之间电压之间的关系。
通过改变开关周期TP的长度可以控制通过串联谐振DC/DC转换器的电力流的方向。因此串联谐振DC/DC转换器可以被控制为双向串联谐振DC/DC转换器。
第一和第二开关电路SC1、SC2的开关被控制为通过控制第一和第二开关电路具有接近串联谐振频率的固定开关频率，在开关闭合时提供零电压开关ZVS和在开关断开时提供近似零电流开关ZCS。
通过在操作点以串联谐振频率或接近串联谐振频率的频率为第一DC端子在额定操作范围内的所有电压进行开关，可以控制第一和第二开关电路SC1、SC2的开关。
通过在操作点以串联谐振频率或接近串联谐振频率的频率为第二端子处的所有负载状况进行开关，可以控制第一和第二开关电路SC1、SC2的开关。
具有串联DC/DC谐振转换器的UPS系统
在上述介绍中，说明了串联谐振DC/DC转换器的典型使用。在典型UPS系统中，存在一个用于UPS系统中包括串联谐振DC/DC转换器在内的所有部件的共用控制系统。例如，共用控制电路可以包括状态标志信号，作为对通过双向DC/DC转换器的电力流的方向的指示符。
此外，控制电路包括用于感应第一DC端子T1P、T1N和第二DC端子T2P、T2N处的电流和/或电压的传感器。
在第一操作模式中，状态标志信号指示电力应从第一DC端子T1P、T1N流向第二DC端子T2P、T2N。这里，控制电路基于用于第一操作模式的预定参考信号控制第二DC端子T2P、T2N的电流和/或电压。
在第二操作模式中，状态标志信号指示电力应从第二DC端子T2P、T2N流向第一DC端子T1P、T1N。这里，控制电路基于用于第二操作模式的预定参考信号控制第一DC端子T1P、T1N的电流和/或电压。
如上，串联谐振DC/DC转换器可以用作UPS系统的DC/DC转换器，如图1所示，其中其第一DC端子T1P、T1N连接至电池，其第二DC端子T2P、T2N连接至DC总线（未示出）。
当在AC干线中检测到故障时，状态标志信号可以被切换到第一操作模式。在这种情况下，电力应该被从连接至第一DC端子的电池传输到连接至第二DC端子的DC总线。这里，只要电池电源允许，控制电路控制第二DC端子T2P、T2N处的电压和/或电流保持适于被输入至DC/AC转换器的预定电平。
当AC干线再次工作时，状态标志信号可以切换至第二操作模式，然后从DC总线向电池供应电力以便对电池充电。这里，控制电路控制第一DC端子T1P、T1N的电压和/或电流保持适于被输入电池的预定电平。
状态标志信号可具有指示没有电流应被传输通过双向DC/DC转换器的第三操作模式。在该操作模式中，所有开关都应断开。在该操作模式中，AC干线中没有故障，且电池被充满电。
用于串联谐振DC/DC转换器的另一种应用是用于存储在电池存储装置中的能源的再利用。
结论
根据图3的串联谐振DC/DC转换器的效率已被测出。图12示出了测试结果。在测试中，示出了两条效率曲线，第一曲线以具有50V输入电压Vin的电路的输出功率函数示出了效率，第二曲线以具有48V输入电压Vin的电路的输出功率函数示出了效率。输出电压Vout控制在355V。
可以看出，在约400W到2200W的功率输出范围内，效率高于96%。最大功率效率高于97.5%。这相对介绍中所提到的效率只有约92%的现有技术的DC/DC转换器是一个显著的提高。

Claims (8)

1.一种用于控制串联谐振DC/DC转换器的方法，包括下列步骤：
为所述串联谐振DC/DC转换器定义从时间Tstart到时间Tend的开关周期TP；其中，所述开关周期TP包括从时间Tstart到时间Tcenter的第一半周期TA和从时间Tcenter到时间Tend的第二半周期TB，并在所述开关周期TP之后定义后继开关周期TP+1；
控制第一开关电路（SC1）的第一组开关（S1sc1；S1sc1、S4sc1）从所述第一半周期TA减去时间间隔ΔTAE1的开始Tstart开始是闭合的，其中，所述时间间隔ΔTAE1被设置在所述第一半周期TA的末尾；
控制所述第一开关电路（SC1）的第二组开关（S2sc1；S2sc1、S3sc1）从所述第二半周期TB减去时间间隔ΔTBE1的开始Tcenter开始是闭合的，其中，所述时间间隔ΔTBE1被设置在所述第二半周期TB的末尾；
控制所述第一开关电路（SC1）的所述第一组开关（S1sc1；S1sc1、S4sc1）和所述第二组开关（S2sc1；S2sc1、S3sc1）在所述时间间隔ΔTAE1和所述时间间隔ΔTBE1内是断开的；
控制第二开关电路（SC2）的第一组开关（S1sc2；S1sc2、S4sc2）在所述第一半周期TA减去时间间隔ΔTAS1并减去时间间隔ΔTAE2的周期内是闭合的，其中，所述时间间隔ΔTAS1被设置在所述第一半周期TA的开始，且其中，所述时间间隔ΔTAE2被设置在所述第一半周期TA的末尾；
控制所述第二开关电路（SC2）的第二组开关（S2sc2；S2sc2、S3sc2）在所述第二半周期TB减去时间间隔ΔTBS1并减去时间间隔ΔTBE2的周期内是闭合的，其中，所述时间间隔ΔTBS1被设置在所述第二半周期TB的开始，且其中，所述时间间隔ΔTBE2被设置在所述第二半周期TB的末尾；
控制所述第二开关电路（SC2）的所述第一组开关（S1sc2；S1sc2、S4sc2）和所述第二组（S2sc2；S2sc2、S3sc2）在所述时间间隔ΔTAS1、ΔTAE2、ΔTBS1和ΔTBE2内是断开的；
其中，所述时间间隔ΔTAE1形成第一时间间隔Tsc1off1，其中所述第一开关电路（SC1）的所述第一组开关和所述第二组开关是断开的，且其中，所述时间间隔ΔTBE形成第二时间间隔Tsc1off2，其中所述第一开关电路（SC1）的所述第一组开关和所述第二组开关都是断开的；
其中，所述时间间隔ΔTAE2和ΔTBS1形成连续时间间隔Tsc2off1，其中所述第二开关电路（SC2）的所述第一组开关和所述第二组开关是断开的；并且其中，所述时间间隔ΔTBE2和所述后继开关周期TP+1的时间间隔ΔTAS1（TP+1）形成连续时间间隔Tsc2off2，其中所述第二开关电路（SC2）的所述第一组开关和所述第二组开关是断开的；
其中，所述时间间隔Tsc1off1和所述时间间隔Tsc2off1重叠，并且其中，所述时间间隔Tsc1off2和所述时间间隔Tsc2off2重叠。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括控制所述间隔Tsc1off1的中心接近或等于所述时间间隔Tsc2off1的中心，以及控制所述间隔Tsc1off2的中心接近或等于所述时间间隔Tsc2off2的中心。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述方法包括通过改变所述开关周期TP的长度来控制所述串联谐振DC/DC转换器的第一DC端子（T1P，T1N）之间的电压与所述串联谐振DC/DC转换器的第二DC端子（T2P，T2N）之间的电压之间的关系。
4.根据权利要求1到3中的任意一项所述的方法，其中，所述方法包括通过改变所述开关周期TP来控制通过所述串联谐振DC/DC转换器的电力流的方向。
5.根据权利要求1到4中的任意一项所述的方法，其中，所述方法包括通过控制所述第一开关电路和所述第二开关电路具有接近于所述串联谐振频率的固定开关频率，来控制所述第一开关电路和所述第二开关电路（SC1，SC2）的开关在开关闭合时提供零电压开关（ZVS）并在开关断开时提供近似的零电流开关（ZCS）。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，通过在操作点以所述串联谐振频率或接近所述串联谐振频率的频率对所述第一DC端子上的在额定操作范围内的所有电压进行开关，来控制所述第一开关电路和所述第二开关电路（SC1，SC2）的开关。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，通过在操作点以所述串联谐振频率或接近所述串联谐振频率的频率对所述第二DC端子处的所有负载状况进行开关，来控制所述第一开关电路和所述第二开关电路（SC1，SC2）的开关。
8.一种串联谐振DC/DC转换器，包括：
第一DC端子（T1P，T1N）；
第二DC端子（T2P，T2N）；
电感器装置（ID；TD）；
第一开关电路（SC1），连接在所述第一DC端子（T1P、T1N）与所述电感器装置（ID；TD）之间，其中，所述第一开关电路（SC1）包括第一组开关（S1sc1；S1sc1、S4sc1）和第二组开关（S2sc1；S2sc1、S3sc1）；
第二开关电路（SC2）和谐振电路（RC），连接在所述第二DC端子（T2P，T2N）与所述电感器装置（ID；TD）之间，其中，所述第二开关电路（SC2）包括第一组开关（S1sc2；S1sc2、S4sc2）和第二组开关（S2sc2；S2sc2、S3sc2）；
控制电路，用于根据权利要求1到7中的任意一项的所述方法控制所述第一开关电路和所述第二开关电路（SC1，SC2）的开关组。
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