LLC谐振转换器的控制方法及其适用的LLC谐振转换器

摘要

本公开为一种LLC谐振转换器的控制方法，包含：(S10)开始启动LLC谐振转换器；(S20)驱动LLC谐振转换器运行于第一调制模式，使LLC谐振转换器提供大于或等于中间值电压的输出电压；(S30)确认输出电流是否大于0；(S40)当步骤(S30)的确认结果为否时，重新执行步骤(S20)，当步骤(S30)的确认结果为是时，确认输出电压是否大于预设参考电压；(S50)当步骤(S40)的确认结果为是时，驱动LLC谐振转换器运行于第一调制模式，并重新执行步骤(S30)；以及(S60)当步骤(S40)的确认结果为否时，驱动LLC谐振转换器运行于第二调制模式，使LLC谐振转换器提供小于中间值电压的输出电压，并重新执行步骤(S30)。本公开还涉及一种LLC谐振转换器。

说明书

技术领域

本公开为一种控制方法，特别涉及一种LLC谐振转换器的控制方法及其适用的LLC谐振转换器。

背景技术

具零电压切换(Zero voltage switching,ZVS)与零电流切换(Zero currentswitching,ZCS)特色的LLC谐振转换器已广泛使用在各种电器产品中。当LLC谐振转换器应用在需恒压输出的场合时，使用LLC谐振转换器可以大幅降低功率开关的切换损耗，进而提升电源供应装置的效率。

请参阅图1，其为LLC谐振转换器应用于恒流输出的场合时的输出电压及输出电流关系示意图。如图1所示，当LLC谐振转换器应用在恒流输出的场合时，例如用于恒流输出型的LED电源供应装置中来驱动LED负载，由于LED负载可更换且不同LED负载有不同的电压需求规格，故LED电源供应装置的输出电压的范围一般会达到2～4倍宽，然在输出电压为2～4倍宽范围的条件下，若应用在恒流输出的场合LLC谐振转换器的控制方式仍采取相同于应用在恒压输出的场合的LLC谐振转换器的控制方式时，应用在恒流输出的场合的LLC谐振转换器将无法因应LED负载不同的电压需求而皆工作在高效率的谐振频率工作点，例如若LLC谐振转换器的谐振频率工作点是以低输出电压时进行设计时，则当输出电压提升后，LLC谐振转换器便大幅产生谐振电流，导致LED电源供应装置的效率不佳。

因此，如何发展一种可改善上述现有技术的LLC谐振转换器的控制方法及其适用的LLC谐振转换器，实为目前迫切的需求。

发明内容

本公开为一种LLC谐振转换器的控制方法及其适用的LLC谐振转换器，从而解决传统LLC谐振转换器应用在恒流输出场合时，LLC谐振转换器存在效率不佳的问题。

为达上述的目的，本公开提供一种控制方法，适用于LLC谐振转换器，LLC谐振转换输入电压，以提供输出电压及固定的输出电流给直流负载，其中输出电压介于预定电压至N倍预定电压之间，且LLC谐振转换器包含检测输出电压的电压检测器及检测输出电流的电流检测器，控制方法包含：(S10)开始启动LLC谐振转换器；(S20)驱动LLC谐振转换器运行于第一调制模式，使LLC谐振转换器提供大于或等于中间值电压的输出电压，其中中间值电压为预定电压与N倍预定电压的和的一半；(S30)通过电流检测器的检测结果确认输出电流是否大于0；(S40)当步骤(S30)的确认结果为否时，重新执行步骤(S20)，当步骤(S30)的确认结果为是时，通过电压检测器的检测结果确认输出电压是否大于预设参考电压；(S50)当步骤(S40)的确认结果为是时，驱动LLC谐振转换器运行于第一调制模式，并重新执行步骤(S30)；以及(S60)当步骤(S40)的确认结果为否时，驱动LLC谐振转换器运行于第二调制模式，使谐振转换器提供小于中间值电压的输出电压，并重新执行步骤(S30)。

为达上述的目的，本公开另提供一种LLC谐振转换器，用以转换输入电压，以提供输出电压及固定的输出电流给直流负载，LLC谐振转换器包含：初级侧电路；隔离变压器，包含初级侧绕组及次级侧绕组，初级侧绕组与初级侧电路电连接；次级侧电路，包含桥式整流电路、单向可控功率开关、电压检测器及电流检测器，桥式整流电路与次级侧绕组电连接，且包含复数个二极管，单向可控功率开关与复数个二极管中的其中之一二极管并联电连接，电压检测器用以检测输出电压，电流检测器用以检测输出电流；以及控制器，用以控制LLC谐振转换器的运行；其中当LLC谐振转换器启动后，控制器驱动LLC谐振转换器运行于第一调制模式，以控制单向可控功率开关导通，使次级侧电路提供大于或等于中间值电压的输出电压，其中中间值电压为预定电压与N倍预定电压的和的一半；其中在LLC谐振转换器启动而LLC谐振转换器运行于第一调制模式后，控制器更通过电流检测器的检测结果确认输出电流是否大于0，并于确认输出电流不大于0时，控制器驱动LLC谐振转换器运行于第一调制模式，而于确认输出电流大于0时，控制器更通过电压检测器的检测结果确认输出电压是否大于预设参考电压，并于确认输出电压大于预设参考电压时，控制器驱动LLC谐振转换器运行于第一调制模式，而于确认输出电压小于或等于预设参考电压时，控制器驱动LLC谐振转换器运行于第二调制模式，以控制单向可控功率开关断开，使次级侧电路提供小于中间值电压的输出电压。

为达上述的目的，本公开又提供一种LLC谐振转换器，用以转换输入电压，以提供输出电压及固定的输出电流给直流负载，LLC谐振转换器包含：初级侧电路，包含切换电路及谐振电路，其中切换电路接收输入电压，且与谐振电路电连接，并包含四个开关，以构成全桥式电路；隔离变压器，包含初级侧绕组及次级侧绕组，初级侧绕组与初级侧电路电连接；次级侧电路，包含桥式整流电路、电压检测器及电流检测器，桥式整流电路与次级侧绕组电连接，电压检测器用以检测输出电压，电流检测器用以检测输出电流；以及控制器，用以控制LLC谐振转换器的运行；其中当LLC谐振转换器启动后，控制器驱动LLC谐振转换器运行于第一调制模式，以控制切换电路的四个开关以全桥电路形式进行切换，使LLC谐振转换器提供大于或等于中间值电压的输出电压，其中中间值电压为预定电压与N倍预定电压的和的一半；其中在LLC谐振转换器启动而LLC谐振转换器运行于第一调制模式后，控制器更通过电流检测器的检测结果确认输出电流是否大于0，并于确认输出电流不大于0时，控制器驱动LLC谐振转换器运行于第一调制模式，而于确认输出电流大于0时，控制器更通过电压检测器的检测结果确认输出电压是否大于预设参考电压，并于确认输出电压大于预设参考电压时，控制器驱动LLC谐振转换器运行于第一调制模式，而于确认输出电压小于或等于预设参考电压时，控制器驱动LLC谐振转换器运行于第二调制模式，以控制切换电路的四个开关以半桥电路形式进行切换，使LLC谐振转换器提供小于中间值电压的输出电压。

附图说明

图1为LLC谐振转换器应用于恒流输出的场合时的输出电压及输出电流关系示意图；

图2为本公开第一优选实施例的LLC谐振转换器的电路架构示意图；

图3为本公开优选实施例的控制方法的步骤流程图；

图4A至图4E分别显示了谐振转换器的工作模式的切换状况及所对应的输出电压及输出电流的关系示意图；

图5为本公开第二优选实施例的LLC谐振转换器的电路架构示意图。

附图标记说明：

1、1a：LLC谐振转换器

Vin：输入电压

Vo：输出电压

Io：输出电流

2：直流负载

120：初级侧电路

130：隔离变压器

140：次级侧电路

150：控制器

122：切换电路

124：谐振电路

S1、S2、S3、S4：开关

Cr：谐振电容

Lr：谐振电感

Lm：激磁电感

Np：初级侧绕组

Ns：次级侧绕组

142：桥式整流电路

Smp：单向可控功率开关

Co：输出电容

144：电压检测器

146：电流检测器

D1-D4：二极管

R1、R2、R3：电阻

S10～S60：LLC谐振转换器的控制方法的步骤

具体实施方式

体现本公开特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非架构于限制本公开。

请参阅图2，其为本公开第一优选实施例的LLC谐振转换器的电路架构示意图。如图2所示，本实施例的LLC谐振转换器1可选择性地与直流负载2电连接，并将所接收为直流电压的输入电压Vin转换，以提供输出电压Vo及输出电流Io至直流负载2而驱动直流负载2，其中输出电流Io为固定值，而上述提及的选择性是指直流负载2可从未电连接于LLC谐振转换器1的输出端时选择与LLC谐振转换器1的输出端电连接，或是直流负载2在与LLC谐振转换器1的输出端电连接时选择移除直流负载2。此外，LLC谐振转换器1可应用于LED电源转换装置中，故直流负载2对应包含至少一个LED灯串或是复数个串联连接的LED灯串，然LLC谐振转换器1的应用场合及直流负载2的构成并不局限于如上所述，而以下以直流负载2包含至少一个LED灯串来示范性说明。更甚者，在一些实施例中，LLC谐振转换器1为了配合输出端所串接的直流负载2的种类与数量，LLC谐振转换器1可提供宽范围的输出电压Vo至直流负载2，以满足不同直流负载2的电压规格的需求，其中输出电压Vo介于预定电压至N倍预定电压之间，且N为大于1但小于4的正数。

于本实施例中，LLC谐振转换器1包含初级侧电路120、隔离变压器130、次级侧电路140及控制器150。初级侧电路120电连接于隔离变压器130的初级绕组Np，并接收输入电压Vin，以根据输入电压Vin提供流经初级侧绕组Np的初级侧电流。初级侧电路120包含切换电路122及谐振电路124。切换电路122与谐振电路124电连接，用以将输入电压Vin转换为高频交流电压，并输出至谐振电路124。于一些实施例中，切换电路122可采用半桥式架构以初级侧电路120实现半桥谐振转换器，但本公开并不以此为限。另外，切换电路122包含串联电连接的开关S1与开关S2，其中开关S1、开关S2是选择性地导通或关断。

谐振电路124电连接于切换电路122与初级侧绕组Np之间，谐振电路124用以自切换电路122接收高频交流电压并产生谐振，以提供流经初级侧绕组Np的初级侧电流。于一些实施例中，谐振电路124可为但不限于包含谐振电容Cr、谐振电感Lr以及激磁电感Lm。谐振电容Cr、谐振电感Lr与隔离变压器130的初级侧绕组Np彼此串联。激磁电感Lm与隔离变压器130的初级侧绕组Np彼此并联。在部分实施例中，谐振电感Lr以及激磁电感Lm可分别磁集成隔离变压器130的漏感与磁化电感。

隔离变压器130的初级侧绕组Np可自谐振电路124接收初级侧电流。隔离变压器130的次级侧绕组Ns则可感应流经初级侧绕组Np的初级侧电流以输出次级侧电流，使得隔离变压器130实现初级侧与次级侧的能量传递。

在本实施例中，次级侧电路140包含桥式整流电路142、单向可控功率开关Smp、输出电容Co、电荷泵(charge pump)电容Ccp、电压检测器144及电流检测器146。桥式整流电路142电连接于次级侧绕组Ns，且包含复数个二极管D1-D4，以通过复数个二极管D1-D4而对次级侧电流进行整流。电荷泵电容Ccp电连接于次级侧绕组Ns及桥式整流电路142之间。单向可控功率开关Smp与桥式整流电路142中复数个二极管D1～D4中的其中之一二极管并联电连接，例如与二极管D4并联电连接，用以选择性地导通或关断。输出电容Co电连接于桥式整流电路142，用以根据次级侧电流提供输出电压Vo。电压检测器144电连接于LLC谐振转换器1的输出端，用以检测LLC谐振转换器1的输出端上的输出电压Vo，并将检测结果传送至控制器150，其中电压检测器144可为但不限于包含由两个电阻R1、R2串联连接而形成的分压电路。电流检测器146电连接于LLC谐振转换器1的输出端，用以检测LLC谐振转换器1的输出端上的输出电流Io，并将检测结果传送至控制器150，其中电流检测器146可为但不限于包含电阻R3。当然，于其它实施例中，电流检测器146亦可包含电流互感器(CurrentTransformer)。

于一些实施例中，单向可控功率开关Smp可为npn型的双极性晶体管，双极性晶体管的射极端(Emitter)电性耦接于二极管D4的阳极端，集极端(Collector)电性耦接于二极管D4的阴极端。换言之，在本实施例中，单向可控功率开关Smp与桥式整流电路142中的二极管D4反向并联，但本公开并不以此为限。当然，单向可控功率开关Smp并不以npn型的双极性晶体管为限。举例来说，单向可控功率开关Smp亦可包含pnp型的双极性晶体管(BipolarJunction Transistor，BJT)、绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、或硅控整流器(Silicon Controlled Rectifier，SCR)等等。

于本实施例中，当单向可控功率开关Smp导通时，次级侧电路140以倍压整流模式运行，以提供大于或等于中间值电压的输出电压Vo，其中中间值电压为预定电压与N倍预定电压的和的一半。当单向可控功率开关Smp断开时，次级侧电路140以全桥整流模式运行，以提供小于中间值电压的输出电压Vo。

控制器150用以控制LLC谐振转换器1的运行，其中当LLC谐振转换器1启动后，控制器150驱动LLC谐振转换器1运行于第一调制模式，即控制器150控制单向可控功率开关Smp导通，使次级侧电路140提供大于或等于中间值电压的输出电压Vo，此时，次级侧电路140提供的输出电压Vo至少为预定电压的两倍以上。由于在LLC谐振转换器1启动后，LLC谐振转换器1运行于第一调制模式，以通过次级侧电路140提供的输出电压Vo至少为预定电压的两倍以上，因此当直流负载2接入至LLC谐振转换器1的输出端时，无论直流负载2为高压驱动或是低压驱动，LLC谐振转换器1皆可立即驱动直流负载2发亮。

另外，在LLC谐振转换器1启动而LLC谐振转换器1运行于第一调制模式后，控制器150更通过电流检测器146的检测结果确认输出电流Io是否大于0，以判断LLC谐振转换器1的输出端是否与直流负载2电连接，当控制器150确认输出电流Io不大于0时，即代表LLC谐振转换器1的输出端尚未与任何直流负载2电连接，此时控制器150便驱动LLC谐振转换器1运行于第一调制模式，以使次级侧电路140持续提供大于或等于中间值电压的输出电压Vo，以待直流负载2随时接入而立即驱动直流负载2发亮。

反之，当控制器150确认输出电流Io大于0时，即代表LLC谐振转换器1的输出端已有直流负载2电连接，此时，便需进一步确认直流负载2为高压驱动或低压驱动，以使LLC谐振转换器1可对应调整输出电压Vo而使LLC谐振转换器1运行在高效率的谐振频率工作点，故在本实施例中，控制器150更通过电压检测器144的检测结果确认输出电压Vo是否大于预设参考电压，其中当电压检测器144的检测结果为输出电压Vo大于预设参考电压时，即代表直流负载2需要高压驱动，故控制器150驱动LLC谐振转换器1运行于第一调制模式而使次级侧电路140持续提供大于或等于中间值电压的输出电压Vo。反之，当电压检测器144的检测结果为输出电压Vo小于或等于预设参考电压时，即代表直流负载2需要低压驱动，故控制器150驱动LLC谐振转换器1运行于第二调制模式，即控制器150控制单向可控功率开关Smp断开，使次级侧电路140提供小于中间值电压的输出电压Vo。

由上可知，本公开的LLC谐振转换器1可通过电压检测器144的检测结果来检测输出电压Vo，并将检测结果与预设参考电压进行比较，借此判断LLC谐振转换器1的输出端所电连接的直流负载2为高压驱动或是低压驱动，以根据比较结果进行LLC谐振转换器1的工作模式调整(即进行第一调制模式及第二调制模式的切换)，使LLC谐振转换器1皆可运行在高效率的谐振频率工作点，故LLC谐振转换器1在宽输出电压范围的使用场合下仍可以达到高效率的优点。

当然，于一些实施例中，本公开的控制器150亦可根据电压检测器144的检测结果来进行过电压保护(Over Voltage Protection)的控制机制，且可根据电流检测器146进行过电流保护(Over Current Protection)的控制机制，其中电压保护的控制机制与过电流保护的控制机制已常见于电路领域中，于此不再对电压保护的控制机制与过电流保护的控制机制进行描述。另外，控制器150亦可控制初级侧电路120的运行。更甚者，控制器150可为但不限于微处理器。

请参阅图3，其为本公开优选实施例的控制方法的步骤流程图。

如图3所示，本实施例的控制方法适用于LLC谐振转换器，例如图2所示的LLC谐振转换器1的控制器150中，其中控制方法包含步骤如下。

于步骤S10中，开始启动LLC谐振转换器1。

于步骤S20中，驱动LLC谐振转换器1运行于一第一调制模式，使LLC谐振转换器1提供大于或等于中间值电压的输出电压Vo，其中中间值电压为预定电压与N倍预定电压的和的一半。

于步骤S30中，通过电流检测器146的检测结果确认输出电流Io是否大于0。当步骤S30的确认结果为输出电流Io不大于0时，则重新执行步骤S20。反之，当步骤S30的确认结果为输出电流Io大于0时，则执行步骤S40。

于步骤S40中，通过电压检测器144的检测结果确认输出电压Vo是否大于预设参考电压。当步骤S40的确认结果为输出电压Vo大于预设参考电压时，则执行步骤S50，反之，当步骤S40的确认结果为输出电压Vo不大于预设参考电压时，则执行步骤S60。

于步骤S50中，驱动谐振转换器1运行于第一调制模式，并重新执行步骤S30。

于步骤S60中，驱动谐振转换器1运行于第二调制模式，使LLC谐振转换器提供小于中间值电压的输出电压，并重新执行步骤S30。

于上述实施例中，步骤S20及步骤S50更分别包含控制次级侧电路140的单向可控功率开关Smp导通，使次级侧电路140提供大于或等于中间值电压的输出电压Vo。步骤S60还包含控制次级侧电路140内的单向可控功率开关Smp断开，使次级侧电路140提供小于中间值电压的输出电压Vo。

根据上述内容，以下将以图4A至图4E来举例说明谐振转换器1的工作模式的切换状况及所对应的输出电压Vo及输出电流Io的状况。请参阅图4A至图4E，并配合图2及图3，其中图4A至图4E分别为谐振转换器的工作模式的切换状况及所对应的输出电压Vo及输出电流Io的关系示意图。如图4A至图4E所示，若谐振转换器1的输出端与高压驱动的直流负载2电连接，则如图4A所示，谐振转换器1在时间t1开机启动时会先运行于第一调制模式，接着，在时间t2时，控制器150通过电流检测器146的检测结果确认到输出电流Io大于0，且通过电压检测器144的检测结果确认输出电压Vo大于预设参考电压，控制器150便驱动谐振转换器1维持运行于第一调制模式。其中在图4A中，时间t1至时间t2的区间中，控制器150则进行过电压保护的控制机制，故此时输出电压Vo将维持在保护电压电平，而图4B至图4E显示了相同的过电压保护的控制机制，于此不再赘述。

若谐振转换器1的输出端与低压驱动的直流负载2电连接，则如图4B所示，谐振转换器1在时间t1开机启动时会先运行于第一调制模式，接着，在时间t2时，控制器150通过电流检测器146的检测结果确认到输出电流Io大于0，且通过电压检测器144的检测结果确认输出电压Vo并未大于预设参考电压时，控制器150便驱动谐振转换器1运行于第二调制模式。

若谐振转换器1的输出端并未与任何直流负载2电连接，则如图4C所示，谐振转换器1在时间t1开机启动时会先运行于第一调制模式，接着，在时间t2时，控制器150通过电流检测器146的检测结果确认到输出电流Io不大于0，故控制器150便驱动谐振转换器1维持运行于第一调制模式，以待直流负载2接入。

若谐振转换器1启动后，高压驱动的直流负载2在图4A所示的时间t3时从谐振转换器1的输出端移除，则如图4D所示，在时间t3时，控制器150通过电流检测器146的检测结果确认到输出电流Io不大于0，控制器150便驱动谐振转换器1运行于第一调制模式，此时控制器150进行过电压保护的控制机制而使得输出电压Vo维持在保护电压电平。

若谐振转换器1启动后，低压驱动的直流负载2在图4B所示的时间t3时从谐振转换器1的输出端移除，则如图4E所示，在时间t3时，控制器150通过电流检测器146的检测结果确认到输出电流Io不大于0，控制器150便驱动谐振转换器1从第二调制模式切换为第一调制模式，此时控制器150进行过电压保护的控制机制而使得输出电压Vo维持在保护电压电平。

请参阅图5，其为本公开第二优选实施例的LLC谐振转换器的电路架构示意图。本实施例的LLC谐振转换器1a所输出的输出电流Io为固定值，而LLC谐振转换器1a所输出的输出电压Vo介于预定电压至N倍预定电压之间，且LLC谐振转换器1a的电路架构相似于图2所示的LLC谐振转换器1，故于此仅以相同符号标示代表电路结构及作动方式相似而不再进行赘述。而本实施例的LLC谐振转换器1a的次级侧电路140仅包含桥式整流电路142、输出电容Co、电压检测器144及电流检测器146，而不包含图2所示的单向可控功率开关Smp，因此无论控制器150驱动谐振转换器1a运行在第一调制模式或第二调制模式，次级侧电路140皆以全桥整流模式在运行。

另外，本实施例的LLC谐振转换器1a的初级侧电路120的切换电路122改采用全桥式架构，故除了包含构成桥臂的开关S1、S2外，还包含构成另一桥臂且为串联电连接的开关S3、开关S4。另外，在控制器150驱动谐振转换器1a运行在第一调制模式时，控制器150控制切换电路122的开关S1、S2、S3、S4以全桥电路形式进行切换，使初级侧电路120构成全桥谐振电路，借此让输入电压Vin提供流经初级侧绕组Np的初级侧电流，使得谐振转换器1提供大于或等于中间值电压的输出电压Vo，其中中间值电压为预定电压与N倍预定电压的和的一半。在控制器150驱动谐振转换器1运行在第二调制模式时，控制器150则控制切换电路122的开关S1、S2、S3、S4以半桥电路形式进行切换，例如控制控制开关S3恒关断、关关S4恒导通，而开关S1、开关S2则选择性地导通或关断，使初级侧电路120构成半桥谐振电路，借此让二分之一的输入电压Vin提供流经初级侧绕组Np的初级侧电流，使得谐振转换器1提供小于中间值电压的输出电压Vo。

当然，前述图3所示的控制方法仍适用于图5所示的LLC谐振转换器1a中，而图5所示的LLC谐振转换器1a的次级侧电路140并不包含图2所示的单向可控功率开关Smp，且谐振转换器1a的初级侧电路120的切换电路122改采用全桥式架构，因此于一些实施例中，图3所示的步骤S20及步骤S50更分别包含控制切换电路122的开关S1、S2、S3、S4以全桥电路形式进行切换，使谐振转换器1a提供大于或等于中间值电压的输出电压Vo。步骤S60还包含控制控制切换电路122的开关S1、S2、S3、S4以半桥电路形式进行切换，使谐振转换器1a提供小于中间值电压的输出电压Vo。

综上所述，本公开提供一种LLC谐振转换器，其中LLC谐振转换器可通过电压检测器的检测结果来检测输出电压，并将检测结果与预设参考电压进行比较，借此判断LLC谐振转换器的输出端所电连接的直流负载为高压驱动或是低压驱动，以根据比较结果进行LLC谐振转换器的工作模式调整，使LLC谐振转换器皆可运行在高效率的谐振频率工作点，故LLC谐振转换器在宽输出电压范围的使用场合下仍可以达到高效率的优点。