本文所公開的各方面總體涉及閘控雙向諧振dc-dc變換器，所述變換器可提供從輸入到一組雙輸出、從任一個(gè)輸出到另一個(gè)輸出或者從任一個(gè)輸出或兩個(gè)輸出到輸入的通過電流隔離屏障的功率傳輸。

背景技術(shù)：

放大器包括被設(shè)計(jì)來隔離或調(diào)整信號(hào)電平以使其適合于驅(qū)動(dòng)電路或負(fù)載的電子電路。在音頻情境中，音頻放大器可被布置來對(duì)具有大約20赫茲(hz)到20千赫(khz)的頻率的信號(hào)進(jìn)行操作。例如，音頻放大器可被布置來將線路電平音頻信號(hào)放大到適合于驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器或其他聲音重現(xiàn)裝置的電平。

音頻放大器的電路布置可被構(gòu)造來均衡諸如功率效率、耗散、線性度和電路復(fù)雜性的準(zhǔn)則。類似地，用于放大器的電源供應(yīng)器可基于各種要求來布置。這些要求可取決于放大器電路布置以及其他基于平臺(tái)的參數(shù)。作為一些實(shí)例，電源供應(yīng)器可被布置來考慮平均電流電平、最大可容忍紋波電壓、電源供應(yīng)器輸出阻抗和峰值電流限制，以及諸如部件間距和成本限制的非電氣問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在第一說明性實(shí)施方案中，切換級(jí)包括第一多個(gè)開關(guān)，所述第一多個(gè)開關(guān)被配置來從體電壓產(chǎn)生交流電流。變壓器具有一個(gè)一次側(cè)和多個(gè)二次側(cè)，所述一次側(cè)被配置來接收所述交流電流。第二多個(gè)開關(guān)通過第一諧振濾波器耦接到所述多個(gè)二次側(cè)中的第一個(gè)以提供第一電壓輸出。第三多個(gè)開關(guān)通過第二諧振濾波器耦接到所述多個(gè)二次側(cè)中的第二個(gè)以提供第二電壓輸出，所述第二電壓輸出的極性與第一電壓輸出的極性相反。控制器被配置來根據(jù)所述第一多個(gè)開關(guān)的通斷狀態(tài)和準(zhǔn)則控制所述第二多個(gè)開關(guān)和所述第三多個(gè)開關(guān)，所述準(zhǔn)則包括第一電壓輸出或第二電壓輸出的絕對(duì)值是否超過參考電壓。

在第二說明性實(shí)施方案中，一種系統(tǒng)包括串聯(lián)諧振變換器的雙向模式控制器，所述雙向模式控制器提供第一電壓輸出和第二電壓輸出。所述串聯(lián)諧振變換器包括：第一開關(guān)和第二開關(guān)，其被配置來向變壓器的一次側(cè)提供脈沖串輸出；第三開關(guān)和第四開關(guān)，其連接到變壓器的第一二次側(cè)；以及第五開關(guān)和第六開關(guān)，其連接到變壓器的第二二次側(cè)。所述控制器被配置成：在第一模式中，當(dāng)?shù)谝浑妷狠敵龊偷诙妷狠敵龅慕^對(duì)值都不超過參考電壓時(shí)，將第三開關(guān)和第六開關(guān)設(shè)置成與第一開關(guān)在通斷時(shí)間上同步的狀態(tài)以獲得第一電壓輸出，并且將第四開關(guān)和第五開關(guān)設(shè)置成與第二開關(guān)在通斷時(shí)間上同步的狀態(tài)以獲得第二電壓輸出。所述控制器還被配置成：在第二模式中，當(dāng)?shù)谝浑妷狠敵龌虻诙妷狠敵龅慕^對(duì)值中的至少一個(gè)超過參考電壓時(shí)，控制第三開關(guān)、第四開關(guān)、第五開關(guān)和第六開關(guān)來提供路徑，以供電流從第一電壓輸出或第二電壓輸出中的一個(gè)或多個(gè)流回到變壓器的第一二次側(cè)或第二二次側(cè)中的一個(gè)或多個(gè)。

在第三說明性實(shí)施方案中，一種方法包括通過串聯(lián)諧振變換器的雙向模式控制器提供第一電壓輸出和第二電壓輸出，所述串聯(lián)諧振變換器包括：第一開關(guān)和第二開關(guān)，其向變壓器的一次側(cè)提供脈沖串輸出；第三開關(guān)和第四開關(guān)，其連接到變壓器的第一二次側(cè)；以及第五開關(guān)和第六開關(guān)，其連接到變壓器的第二二次側(cè)。所述方法還包括：當(dāng)?shù)谝浑妷狠敵龊偷诙妷狠敵龅慕^對(duì)值都不超過參考電壓時(shí)，將第三開關(guān)和第五開關(guān)設(shè)置成與第一開關(guān)在通斷時(shí)間上同步的狀態(tài)以獲得第一電壓輸出，并且將第四開關(guān)和第六開關(guān)設(shè)置成與第二開關(guān)在通斷時(shí)間上同步的狀態(tài)以獲得第二電壓輸出。所述方法還包括：當(dāng)?shù)谝浑妷狠敵龌虻诙妷狠敵龅慕^對(duì)值中的至少一個(gè)超過參考電壓時(shí)，控制第三開關(guān)、第四開關(guān)、第五開關(guān)和第六開關(guān)來提供路徑，以供電流從第一電壓輸出或第二電壓輸出中的一個(gè)或多個(gè)流回到變壓器的第一二次側(cè)或第二二次側(cè)中的一個(gè)或多個(gè)。

附圖說明

在所附權(quán)利要求書中特別指出本公開的實(shí)施方案。然而，通過參考以下結(jié)合附圖進(jìn)行的詳細(xì)描述，各種實(shí)施方案的其他特征將變得更明顯且將得到最好地理解，在附圖中：

圖1是簡(jiǎn)化的功率放大器的框圖；

圖2示出具有脈沖寬度調(diào)制實(shí)現(xiàn)方式的簡(jiǎn)化的開關(guān)功率放大器的框圖；

圖3示出假想的電感器電流的夸大圖；

圖4示出閘控雙向串聯(lián)諧振變換器的示例圖；

圖5示出閘控雙向串聯(lián)諧振變換器的第一操作模式的示例圖；

圖6示出閘控雙向串聯(lián)諧振變換器的第二操作模式的示例圖；

圖7示出閘控雙向串聯(lián)諧振變換器的第三操作模式的示例圖；

圖8示出閘控雙向串聯(lián)諧振變換器的第二操作模式的示例圖，其中示出了二次側(cè)電流；

圖9示出閘控雙向串聯(lián)諧振變換器的第四操作模式的示例圖，其中在ccm操作中示出了二次側(cè)電流；

圖10示出雙向開關(guān)控制的示例圖；

圖11示出閘控雙向串聯(lián)諧振變換器的替代形式的示例圖；

圖12示出閘控雙向串聯(lián)諧振變換器的全電橋同時(shí)傳導(dǎo)形式的示例圖；并且

圖13示出閘控雙向串聯(lián)諧振變換器的全電橋交替?zhèn)鲗?dǎo)形式的示例圖。

具體實(shí)施方式

按照要求，本文公開了本發(fā)明的詳細(xì)實(shí)施方案；然而，應(yīng)理解，所公開的實(shí)施方案僅僅是可以各種和替代形式體現(xiàn)的本發(fā)明的示例。附圖未必按比例繪制；一些特征可能被夸大或最小化以示出特定部件的細(xì)節(jié)。因此，本文中公開的具體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和功能細(xì)節(jié)不應(yīng)被解釋為限制性的，而僅僅作為教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員以不同方式運(yùn)用本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。

圖1是簡(jiǎn)化的功率放大器102的框圖100。功率放大器102(諸如圖100中所示出的功率放大器)通過以下方式來操作：獲得參考或輸入信號(hào)104，所述參考或輸入信號(hào)104是在時(shí)間上從正極性到負(fù)極性交變的交流(ac)電壓；以及增加輸入信號(hào)104的幅度來提供輸出信號(hào)106。輸出信號(hào)106可隨后耦接到負(fù)載108。在一個(gè)實(shí)例中，負(fù)載108可以是將電能變換成機(jī)械能的換能器。

功率放大器102可利用一些簡(jiǎn)單的布置輸出正電壓和負(fù)電壓，所述布置具有一組簡(jiǎn)單的直流(dc)電源供應(yīng)軌v輸出，即，具有正極性的一個(gè)軌v輸出+和具有負(fù)極性的第二軌v輸出-。所述軌可由功率變換器110生成，所述功率變換器110被配置來提供可供功率放大器102汲取的功率。在一個(gè)實(shí)例中，功率變換器110可包括多個(gè)級(jí)，或在其他實(shí)例中，功率變換器110可包括連接到ac或dc電源114的單個(gè)級(jí)。功率變換器110的布置固有地具有與每個(gè)輸出相關(guān)聯(lián)的等效串聯(lián)阻抗ro1和ro2，以及最大通過量功率能力。最大通過量功率能力可受到各種因素的限制，所述因素諸如布置的基礎(chǔ)部件、成本、效率和物理空間考慮因素。為了補(bǔ)充功率變換器110的有限的最大能力，可將能量存儲(chǔ)在電連接到功率變換器110的輸出118的電容器116內(nèi)，所述電容器116提供低阻抗路徑以供電流流到功率放大器102。當(dāng)功率放大器102的輸出在一個(gè)方向上擺動(dòng)時(shí)，軌電壓v輸出將響應(yīng)于來自連接到功率放大器輸出的負(fù)載108的增加的電流需求而下降。

圖2示出具有脈沖寬度調(diào)制(pwm)實(shí)現(xiàn)方式的簡(jiǎn)化的開關(guān)功率放大器202的框圖200。示例性d類開關(guān)功率放大器202包括切換級(jí)204，其中開關(guān)s1和s2交替?zhèn)鲗?dǎo)并且提供切換級(jí)輸出206。切換級(jí)輸出206被提供到輸出級(jí)208，在所述輸出級(jí)208中，由包括電感器lf和電容器cf的濾波器對(duì)切換級(jí)輸出206進(jìn)行平均以產(chǎn)生輸出信號(hào)106。通過使用pwm，相較于標(biāo)準(zhǔn)線性功率放大器102設(shè)計(jì)，功率放大器202的效率可大大增加。然而，切換級(jí)204的切換級(jí)輸出206是脈沖串，必須在時(shí)間上對(duì)其進(jìn)行平均以在輸出信號(hào)106中更忠實(shí)地重建輸入音頻信號(hào)104。

應(yīng)注意的是，圖200中示出的簡(jiǎn)化的開關(guān)功率放大器202僅僅是一個(gè)實(shí)例，并且可使用其他開關(guān)模式設(shè)計(jì)，諸如i類設(shè)計(jì)或其他d類設(shè)計(jì)。不論如何，與功率放大器102相比，當(dāng)開關(guān)功率放大器202的輸出在一個(gè)方向上擺動(dòng)時(shí)，在許多設(shè)計(jì)中，相反的軌v輸出可由于輸出級(jí)208中的循環(huán)電流而升高。

圖3示出假想的電感器電流302的夸大圖300。如圖所示，電感器電流302表示圖2所示簡(jiǎn)化的d類功率放大器202的切換級(jí)的切換級(jí)輸出206的實(shí)例。值得注意的是，電感器電流302可從兩個(gè)dc軌v輸出(例如，正軌v輸出+和負(fù)軌v輸出-)汲取，即使通向負(fù)載108的電流是在單個(gè)方向上流過功率放大器202。

當(dāng)功率放大器202的切換級(jí)204的切換級(jí)輸出206具有50％的有效占空比時(shí)，從正軌v輸出+(開關(guān)s1接通)汲取到電感器中的電流通過負(fù)軌v輸出-進(jìn)行放電(開關(guān)s2接通)，從而在軌v輸出上產(chǎn)生為零的平均汲取。然而，當(dāng)功率放大器202的輸出信號(hào)106擺動(dòng)到一個(gè)極性相應(yīng)的開關(guān)時(shí)，所述開關(guān)具有相對(duì)較大的占空比并且相反開關(guān)具有相對(duì)較低的占空比。在這種情況下，電流被存儲(chǔ)在電感器lf中并且增加與輸出信號(hào)106移動(dòng)的極性相反的所存儲(chǔ)電荷。

例如，當(dāng)開關(guān)s1接通，開關(guān)s2斷開并且開關(guān)s1的占空比大于50％時(shí)，電感器中的從正軌v輸出+流出的平均電流上升，從而導(dǎo)致軌v輸出+由于輸出阻抗ro1和ro2而下降。在開關(guān)s2接通并且開關(guān)s1斷開的時(shí)間段期間，這個(gè)電流繼續(xù)在電感器lf中流動(dòng)；然而，流動(dòng)現(xiàn)在是從負(fù)軌v輸出-進(jìn)行。這導(dǎo)致電荷在負(fù)軌電容器(如例如在圖1中示出為c2)中生長(zhǎng)。

當(dāng)由開關(guān)功率放大器202重現(xiàn)的頻率下降時(shí)，在輸出擺動(dòng)期間由相反的軌v輸出存儲(chǔ)的電荷量可生成電壓，所述電壓可能太高以致于放大器202的裝置無法處理。因此，所述裝置可能遭受諸如雪崩擊穿的問題。解決這些問題的一種方法是使用大量的能量存儲(chǔ)，以使得從一個(gè)軌v輸出移動(dòng)到另一個(gè)軌的電荷在軌v輸出上產(chǎn)生最小的電壓上升。

圖4示出閘控雙向串聯(lián)諧振功率變換器402的示例圖400。閘控雙向功率變換器402是可允許電流在較高絕對(duì)電勢(shì)到具有較低電勢(shì)的區(qū)域的方向上流動(dòng)的功率變換器。因此，閘控雙向功率變換器402可允許功率放大器202在不使用過量能量存儲(chǔ)(例如，用于軌穩(wěn)定化)的情況下更好地處理需要較大功率(諸如針對(duì)大容量低頻放大)的情況。

雙向功率變換器402包括具有一次側(cè)lp1以及二次側(cè)ls1和ls2的變壓器t1。變壓器t1還包括諧振電感器lk1、lk2、lk3和lk4。在本文描述的實(shí)例中，諧振電感器與變壓器t1集成。然而，應(yīng)注意的是，在其他實(shí)例中，諧振電感器lk可實(shí)現(xiàn)為外部實(shí)現(xiàn)的零件。諧振電感器lk1和lk3串聯(lián)連接到ls1二次側(cè)，而諧振電感器lk2和lk4串聯(lián)連接到ls2二次側(cè)。集成變壓器t1還提供用于中心分接頭輸出，如圖所示，所述中心分接頭輸出可連接到接地。

如圖400所示，閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402組合了集成變壓器t1的一次側(cè)lp1上的半電橋404與集成變壓器t1的二次側(cè)ls1和ls2上的兩個(gè)半電橋406，所述兩個(gè)半電橋406通過電容器cr1和cr2耦接到集成變壓器t1。半電橋404包括開關(guān)s1和s2，其允許來自電源114的電壓vi跨濾波電容器cf1和cf2在任一方向上施加到一次側(cè)lp1。電容器cf1和cf2用來確保相對(duì)于t1的偏移量平均為零。半電橋406中的第一個(gè)允許將變壓器t1的ls1與中心分接頭之間的電壓跨濾波電容器cf3在任一方向上施加到vo+輸出，并且半電橋406中的第二個(gè)允許將變壓器t1的中心分接頭與ls2之間的電壓跨濾波電容器cf4在任一方向上施加到vo-輸出。

開關(guān)s1-s6可使用各種類型的開關(guān)裝置來實(shí)現(xiàn)，諸如具有整體式體二極管的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(mosfet)、具有內(nèi)部共同封裝(co-packed)二極管或外部反并聯(lián)二極管的絕緣閘雙極晶體管(igbt)等。開關(guān)s3-s6可由閘控雙向開關(guān)控制408基于諸如開關(guān)s1和s2的狀態(tài)的因素所生成的信號(hào)來控制。如以下詳細(xì)討論的，通過開關(guān)s1至s6的控制，閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402支持多種操作模式。

圖5示出閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402的第一操作模式的示例圖500。在被稱為正向模式的第一模式中，功率流是從一次側(cè)lp1(vi-vi返回)到二次側(cè)ls1和ls2，到vo+和vo-。在輕的負(fù)載下，t1的磁化電感能夠在s1和s2兩者中實(shí)現(xiàn)零電壓切換(zvs)。t1內(nèi)的磁化電感在每個(gè)開關(guān)轉(zhuǎn)變期間存儲(chǔ)電流。it1可指進(jìn)入lp1的電流和變壓器t1的磁化電流。這個(gè)電流可上升到最大值，如等式1(如以下列出)所描述。因?yàn)殡娏髟趦蓚€(gè)開關(guān)都斷開的間隔(停歇時(shí)間)期間幾乎是恒定的，使用等式2(如以下列出)可以找到zvs所必需的最小停歇時(shí)間(t2至t3)。

圖6示出閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402的第二操作模式的示例圖600。第二操作模式也被稱為正向模式，因?yàn)楣β蕪妮斎雮?cè)通過變壓器t1傳遞到輸出側(cè)，在輸出側(cè)處能量被存儲(chǔ)在cf3和cf4中并且由放大器202使用。因?yàn)閳D600示出了正向模式，所以在此實(shí)例中能量?jī)H在輸入到輸出的方向上移動(dòng)。如在圖600中可以看出，這種操作模式得出針對(duì)一次側(cè)開關(guān)s1和s2的零電流切換(zcs)以及近zvs，因?yàn)樵谘b置開啟之前電壓不會(huì)明顯轉(zhuǎn)變。

由于變壓器t1的兩個(gè)二次側(cè)(例如ls1和ls2)同時(shí)傳導(dǎo)，電感器lk1和lk2變成并聯(lián)的以形成lk1_2，其中l(wèi)k1_2＝0.5*lk1＝0.5*lk2。電感器lk3和lk4具有相反的電流并且很好地耦接起來；因此，它們的電感被消除。可為外部等值電容器的cr1和cr2在這種模式中也變成并聯(lián)的，從而形成cr1_2，其中cr1_2＝cr1+cr2。通過變壓器t1的電流形狀受控于lk1_2和cr1_2的諧振。這個(gè)回路的諧振頻率fr_1等于被視為等式3(如以下列出)的公式，并且被設(shè)計(jì)成大于變換器402的切換頻率。

通過諧振回路的峰值電流受到在輸入下可獲得的電壓、切換頻率和回路阻抗的限制。用于確定通過回路的最大電流的等式被示出為等式4(如以下列出)，其中n是二次側(cè)匝數(shù)對(duì)一次側(cè)匝數(shù)的比。這可用于確定回路的安全阻抗，以使得在跨二次側(cè)軌vo+和vo-發(fā)生短路的情況下，或當(dāng)限制在輸入完全充電且輸出完全放電時(shí)的啟動(dòng)電流時(shí)，一次側(cè)裝置不會(huì)受損。

在第二模式中，保持開關(guān)s3-s6斷開并且使用裝置內(nèi)共同封裝或寄生的無源二極管來在二次側(cè)上傳導(dǎo)電流。用于這種操作模式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可被視為是具有電壓加倍二次側(cè)的固定頻率串聯(lián)諧振變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這個(gè)系統(tǒng)的諧振部分的增益av可與變壓器的匝數(shù)比一起用于預(yù)測(cè)變換器的電壓輸出，所述變換器具有跨兩個(gè)輸出的電阻性負(fù)載rl。這個(gè)增益在等式5(如以下列出)中被示出為av。

其中：

rl：從vo+到vo-放置的電阻性負(fù)載

fsw：切換頻率

n：變壓器二次側(cè)對(duì)一次側(cè)匝數(shù)比ns/np

cr：cr1_2其中cr1_2＝cr1+cr2

lr：lk1_2其中l(wèi)k1_2＝0.5*lk1＝0.5*lk2

圖7示出閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402的第三操作模式的示例圖700。第三操作模式是第二模式的變型，其中代替跨兩個(gè)輸出vo+到vo-的負(fù)載，負(fù)載主要在一個(gè)輸出上。這里，取決于有負(fù)載的輸出，諧振回路的電感是lk1+lk3或lk2+lk4。在計(jì)算諧振頻率時(shí)，僅使用單個(gè)電容器cr1或cr2，如等式6(以下列出)所示。

因?yàn)樵谶@個(gè)配置中電感大得多，并且電容僅減少了一半，所以諧振頻率將減小，從而允許操作更接近于諧振。當(dāng)僅在一個(gè)軌上有短路而在另一個(gè)軌上沒有短路時(shí)，在一次側(cè)的開關(guān)中可獲得的峰值電流于是將等于等式7(如以下列出)中所示的值。

圖700中的波形示出了較低諧振頻率操作，其中當(dāng)以固定的停歇時(shí)間來操作時(shí)，閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402現(xiàn)在開始失去s1和s2上的zvs。然而，s1和s2在斷開時(shí)被軟切換，如通過就在每個(gè)開關(guān)被驅(qū)動(dòng)以斷開之前電流轉(zhuǎn)變成接近零看出的。

在啟動(dòng)期間，當(dāng)閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402具有不同的負(fù)載時(shí)，在設(shè)定t1變壓器的lp1一次側(cè)開關(guān)s1和s2的尺寸并且計(jì)算回路值時(shí)可使用等式4。因此，當(dāng)存在時(shí)間相依性不對(duì)稱負(fù)載時(shí)，閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402在第三模式中操作。因此，峰值電流能力可由一次側(cè)lp1電壓與從二次側(cè)ls反射回到一次側(cè)lp1的電壓之間的差來驅(qū)動(dòng)。一般來說，固定頻率串流諧振變換器由于電壓差而激勵(lì)電流流動(dòng)并且在電流上受到回路阻抗的限制。

圖8示出閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402的第二操作模式的示例圖800(例如，類似于圖600)，其中示出了二次側(cè)電流。如圖800所示，變換器402在模式二中操作，其中能量?jī)H從一次側(cè)lp1流到二次側(cè)(例如ls1、ls2)。二次側(cè)電流在圖800中示出為ils1和ils2，并且在所述模式中不同相，從而用相反的極性同時(shí)對(duì)輸出vo+和vo-進(jìn)行充電。

直到這時(shí)，閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的操作被切換成類似于固定頻率串聯(lián)諧振變換器的操作的操作。然而，閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402還能夠閘控二次側(cè)開關(guān)s3-s6進(jìn)入雙向操作，從而允許電流從任一個(gè)二次側(cè)(例如ls1、ls2)流到另一個(gè)二次側(cè)(例如ls2、ls1)或流回到一次側(cè)lp1，這是由電勢(shì)差來激勵(lì)并且受到回路阻抗的限制。

圖9示出閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402的第四操作模式的示例圖900，其中在連續(xù)傳導(dǎo)模式(ccm)操作中示出了二次側(cè)電流。

如以上指出的，當(dāng)切換模式放大器202被驅(qū)動(dòng)到足夠低的頻率時(shí)，閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402的輸出vo可變得具有明顯不對(duì)稱的負(fù)載。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，能量從有負(fù)載的軌移動(dòng)到放大器輸出106；然而，能量也通過存儲(chǔ)在切換模式放大器202的輸出級(jí)208的濾波器中的能量從有負(fù)載的輸出106移動(dòng)到無負(fù)載的輸出106。

通過主動(dòng)地閘控二次側(cè)開關(guān)s3-s6，電流現(xiàn)在可在任何方向上流動(dòng)，其中絕對(duì)量值是最大的至較小的量值。值得注意的是，二次側(cè)開關(guān)通斷時(shí)間與一次側(cè)開關(guān)s1和s2同步。更具體地說，s1與s3和s6同步，而s2與s4和s5同步。這簡(jiǎn)化了所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)送，因?yàn)樗虚l驅(qū)動(dòng)信號(hào)可從兩個(gè)180度相移脈沖串導(dǎo)出，其中在切換轉(zhuǎn)變之間具有固定的停歇時(shí)間。

一旦閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402被主動(dòng)地閘控進(jìn)入模式四，諧振頻率與模式二和模式三相比較就被移位，其中t1的二次側(cè)上的每個(gè)半電橋具有由等式8給出的諧振頻率。在這種情況下，由于二次側(cè)(例如ls1或ls2)中的一個(gè)上的電流流動(dòng)逆轉(zhuǎn)，兩個(gè)繞組好像它們是并聯(lián)那樣起作用；因此，諧振電容是兩個(gè)cr1和cr2的并聯(lián)組合，而有效諧振電感變成lk1或lk2的電感的一半加上緊密耦接的電感l(wèi)k3＝lk4。二次側(cè)半電橋406的峰值電流能力現(xiàn)在受到具有最高電壓的輸出406與另一個(gè)輸出406或一次側(cè)的跨變壓器t1所反射的電壓vi之間的差的限制。當(dāng)從一個(gè)輸出向另一個(gè)輸出傳輸電流時(shí)，峰值電流如等式9中所示，其中vo+等于v輸出1且vo-等于v輸出2。

如圖900所示，雙向開關(guān)s3-s6已被啟用并且電流在二次側(cè)ls2中具有逆轉(zhuǎn)的方向。電流流動(dòng)在一次側(cè)半電橋404中也已經(jīng)逆轉(zhuǎn)，從而將電荷發(fā)送回到用于能量存儲(chǔ)的電容器cf1和cf2。正輸出vo+半電橋開關(guān)s3和s4在接通(zvs)和斷開(zcs)時(shí)都被軟切換。然而，負(fù)側(cè)裝置s5和s6在接通時(shí)被硬切換并且在斷開時(shí)幾乎被軟切換。

通過使第四模式中的諧振頻率略低于切換頻率的頻率，可使裝置寄生或共同封裝的二極管的硬恢復(fù)最小化。這在諸如mosfet的裝置被用作二次側(cè)開關(guān)s3-s6時(shí)可有益于裝置可靠性。

閘控二次側(cè)功率裝置進(jìn)入和離開雙向模式(例如，進(jìn)入和離開第四模式)允許閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402的更有效操作。雙向模式的全時(shí)間使用是可能的。然而，使用同步驅(qū)動(dòng)信號(hào)可在串聯(lián)諧振回路中導(dǎo)致另外的循環(huán)電流，這在功率從輸入到輸出意圖為單向的時(shí)增加了損耗。如上所述，精心的設(shè)計(jì)允許閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402利用更接近切換頻率的較低諧振頻率，這在從電壓輸出406中的較高輸出向輸入vi或另一個(gè)輸出406傳輸能量時(shí)將循環(huán)電流減小到最小值。

用于閘控二次側(cè)功率裝置上的雙向開關(guān)s3-s6的觸發(fā)可基于許多輸入來選擇，所述輸入諸如供應(yīng)器輸出電壓406、供應(yīng)器輸出電壓406的導(dǎo)數(shù)、放大器輸入信號(hào)104、放大器輸出信號(hào)106或其他輸入，這取決于在放大器功率裝置上可以容忍的電壓量。

圖10示出閘控雙向開關(guān)控制408的示例圖1000。如圖所示，圖1000展示了用于選擇性控制二次側(cè)開關(guān)s3-s6的雙向性的示例性電路。在這種示例性控制型式中，使用比較器1002-a和1002-b(統(tǒng)稱為1002)將電源供應(yīng)器輸出vo+和vo-與固定的參考v參考+和v參考-相比較。例如，第一比較器1002-a可用來確定電源供應(yīng)器輸出vo+是否大于v參考+，而第二比較器1002-b可用來確定電源供應(yīng)器輸出vo-是否小于v參考-?？墒褂秒妷悍聪嗥?004從v參考+生成v參考-。因此，一旦電源供應(yīng)器輸出vo+或vo-的絕對(duì)值超過參考v參考的絕對(duì)值，比較器1002的輸出處的結(jié)點(diǎn)就可被拉低(或拉高，這取決于實(shí)現(xiàn)方式)。

雙向啟用電路1006將比較器1002輸出中的變化解釋為對(duì)雙向模式的請(qǐng)求，因?yàn)橐粋€(gè)或兩個(gè)電源供應(yīng)器輸出的絕對(duì)值太高并且需要采取行動(dòng)。在一個(gè)實(shí)例中，第一雙向啟用電路1006-a可基于驅(qū)動(dòng)開關(guān)s1或以其他方式指示開關(guān)s1的狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入來控制對(duì)開關(guān)s3和s6的a驅(qū)動(dòng)的雙向模式啟用，而第二雙向啟用電路1006-b可基于驅(qū)動(dòng)開關(guān)s2或以其他方式指示開關(guān)s2的狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入來控制對(duì)開關(guān)s4和s5的b驅(qū)動(dòng)的雙向模式啟用。

在產(chǎn)生針對(duì)雙向開關(guān)s3-s6的適當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，閘控雙向開關(guān)控制408檢測(cè)一次側(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)s1和s2中的每一個(gè)是否在上升緣或下降緣上。作為一種可能性，下降緣檢測(cè)器1010-a可檢測(cè)開關(guān)s1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是否在下降緣上，上升緣檢測(cè)器1012-a可檢測(cè)開關(guān)s1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是否在上升緣上，下降緣檢測(cè)器1010-b可檢測(cè)開關(guān)s2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是否在下降緣上，上升緣檢測(cè)器1012-b可檢測(cè)開關(guān)s2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是否在上升緣上。

雙向啟用電路1006可從上升緣檢測(cè)器1012接收信號(hào)，并且可調(diào)整這些信號(hào)，然后將它們提供到生成開關(guān)s3和s6的a驅(qū)動(dòng)和開關(guān)s4和s5的b驅(qū)動(dòng)的設(shè)置/重置(s/r)觸發(fā)器1014。

在一個(gè)實(shí)例中，對(duì)觸發(fā)器1014的重置輸入可連接到下降緣檢測(cè)器1010的輸出，并且對(duì)觸發(fā)器1014的設(shè)置輸入可連接到雙向啟用電路1006的輸出。例如，下降緣檢測(cè)器1010-a輸出可連接到對(duì)生成開關(guān)s3和s6的a驅(qū)動(dòng)的觸發(fā)器1014-a的重置輸入，上升緣檢測(cè)器1012-a輸出可連接到雙向啟用電路1006-a的設(shè)置輸入，雙向啟用電路1006-a輸出可連接到觸發(fā)器1014-a的設(shè)置輸入，下降緣檢測(cè)器1010-b輸出可連接到對(duì)生成開關(guān)s4和s5的b驅(qū)動(dòng)的觸發(fā)器1014-b的重置輸入，上升緣檢測(cè)器1012-b輸出可連接到雙向啟用電路1006-b的輸入，并且雙向啟用電路1006-b輸出可連接到觸發(fā)器1014-b的設(shè)置輸入。因此，s/r觸發(fā)器1014在開關(guān)s1和s2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的下降緣上被重置，并且相反地，s/r觸發(fā)器1014在開關(guān)s1和s2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升緣上被設(shè)置，只要雙向啟用電路1006允許這樣做。

作為一種可能性，雙向啟用電路1006的每個(gè)區(qū)塊可實(shí)現(xiàn)為與邏輯閘，所述與邏輯閘將不允許設(shè)置對(duì)應(yīng)的s/r觸發(fā)器1014，除非上升緣和軌感測(cè)輸出兩者以及任何其他保護(hù)輸入都很高。任何一個(gè)輸入可保持二次側(cè)開關(guān)(例如，在示例圖400中的s3-s6)處于斷開狀態(tài)，從而允許電流僅流過開關(guān)的二極管部分。通過觸發(fā)與一次側(cè)開關(guān)(例如，在示例圖400中的s1和s2)同步的二次側(cè)開關(guān)，可在切換時(shí)使電流最小化而不需要使用外部傳感器來找到電流在何處過零。任選地，可添加另外的電路以阻止a和b雙向驅(qū)動(dòng)兩者同時(shí)接通，這種情況如果發(fā)生就可能對(duì)一個(gè)或多個(gè)電路裝置造成損壞或破壞。

表1示出描述簡(jiǎn)化的雙向啟用電路1006的邏輯的示例性真值表。因?yàn)殚_關(guān)啟用邏輯對(duì)于兩組開關(guān)來說是相同的，所以是針對(duì)a異或b驅(qū)動(dòng)示出的，所述a異或b驅(qū)動(dòng)是這個(gè)表的邏輯異或函數(shù)。

表1：用于雙向開關(guān)控制實(shí)例的真值表

對(duì)雙向啟用電路1006的其他輸入(未示出)可包括以下中的一個(gè)或多個(gè)：微處理器控制的禁用、溫度禁用、啟動(dòng)狀態(tài)禁用，或被認(rèn)為適合于禁用閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402的雙向性的任何其他功能或輸入(例如，電源供應(yīng)軌電壓的導(dǎo)數(shù)、放大器輸入信號(hào)電平、放大器輸出信號(hào)電平或其他輸入，這取決于在放大器功率裝置上可以容忍的電壓量)。

在這種諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，當(dāng)電流諧振下降至幾乎為零時(shí)接通和斷開開關(guān)時(shí)，實(shí)現(xiàn)最高效率，如圖8所示。如果命令二次側(cè)開關(guān)(例如s3-s6)在并不是與一次側(cè)開關(guān)(例如s1和s2)同步的時(shí)間接通和斷開，那么由于開關(guān)與反并聯(lián)二極管之間的快速電流換向，損耗可能增加，所述快速電流換向是由于在功率裝置內(nèi)發(fā)生的不理想的切換。

在一次側(cè)開關(guān)的下降緣上觸發(fā)二次側(cè)開關(guān)也將允許變換器工作，但再一次地，在任一個(gè)一次側(cè)開關(guān)都不接通時(shí)的停歇時(shí)間期間，電流可能不會(huì)達(dá)到它們的近零狀態(tài)；因此，在這種情況下，雙向串聯(lián)諧振變換器402可具有相對(duì)較高的損耗。

圖11示出閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402的替代形式的示例圖1100。與上文針對(duì)雙軌固定頻率雙向串聯(lián)諧振變換器402的簡(jiǎn)單形式所描述的圖相比，圖1100所示的變換器402的形式在變壓器的一個(gè)繞組和對(duì)二次側(cè)開關(guān)的相關(guān)聯(lián)控制方面有所改變。更具體地說，變壓器繞組ls2的極性已反轉(zhuǎn)，從而使得二次側(cè)半電橋406能夠彼此不同相地被驅(qū)動(dòng)。對(duì)于切換的一個(gè)半周期，正輸出vo+被充電，而在另一個(gè)半周期上，負(fù)輸出vo-被充電。閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402的其他構(gòu)造形式可將兩個(gè)同時(shí)傳導(dǎo)或交替?zhèn)鲗?dǎo)的半電橋組合以形成全電橋，其中兩個(gè)輸出都在每個(gè)半周期被充電。

圖12示出閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402'的全電橋同時(shí)傳導(dǎo)形式的示例圖1200。與閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402相比，圖1200的閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402'還包括：另外的二次側(cè)ls3和ls4，其極性與二次側(cè)ls1和ls2的極性相反；以及另外的諧振電感器lk5、lk6、lk7和lk8。諧振電感器lk5和lk6串聯(lián)連接到ls3二次側(cè)，而諧振電感器lk6和lk8串聯(lián)連接到ls4二次側(cè)。二次側(cè)ls3與ls4之間的中心分接頭輸出連接到接地。因此，閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402'組合了集成變壓器t1的一次側(cè)lp1上的半電橋404與二次側(cè)上的全電橋，所述全電橋通過電容器cr1和cr2耦接到集成變壓器t1的二次側(cè)ls1和ls2并且通過電容器cr3和cr4耦接到二次側(cè)ls3和ls4。類似于開關(guān)s3-s6，開關(guān)s7-s10可由閘控雙向開關(guān)控制408基于諸如開關(guān)s1和s2的狀態(tài)的因素所生成的信號(hào)來控制。

圖13示出閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402'的全電橋交替?zhèn)鲗?dǎo)形式的示例圖1300。與圖1200所示的閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402'的全電橋同時(shí)傳導(dǎo)形式相比，圖1300所示的變換器402’的形式在變壓器繞組ls2和ls3的極性反轉(zhuǎn)方面有所改變，從而使得二次側(cè)全電橋能夠彼此不同相地被驅(qū)動(dòng)。

一般來說，閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402可提供從輸入到一組雙輸出、從任一個(gè)輸出到另一個(gè)輸出或者從任一個(gè)輸出或兩個(gè)輸出到輸入的通過電流隔離屏障的功率傳輸。閘控雙向串聯(lián)諧振變換器402還可在各種模式中工作，所述模式包括以下模式：其中二次側(cè)輸出可在每個(gè)半切換周期與一次側(cè)功率裝置同時(shí)切換，或在每個(gè)半切換周期與一次側(cè)功率裝置交替地切換。

關(guān)于本文描述的過程、系統(tǒng)、方法、啟發(fā)內(nèi)容等，應(yīng)理解，雖然這類過程的步驟等已被描述為根據(jù)特定的順序發(fā)生，但是這類過程可通過以不同于本文所述順序的順序執(zhí)行的所述步驟來實(shí)施。還應(yīng)理解，某些步驟可同時(shí)執(zhí)行，可添加其他步驟，或可省略本文所描述的某些步驟。換句話說，本文對(duì)過程的描述是出于說明某些實(shí)施方案的目的而提供的，并且絕不應(yīng)被解釋為限制權(quán)利要求書。

雖然上文描述示例性實(shí)施方案，但并不意味著這些實(shí)施方案描述了本發(fā)明的所有可能形式。實(shí)際上，在說明書中使用的措詞是用于描述而非限制，并且應(yīng)理解，可在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下做出各種改變。另外，各種實(shí)現(xiàn)實(shí)施方案的特征可加以組合來形成本發(fā)明的其他實(shí)施方案。