本公開(kāi)涉及一種多端口雙向dc-dc轉(zhuǎn)換器及其控制方法，特別涉及一種一或多個(gè)雙向諧振轉(zhuǎn)換器與一或多個(gè)雙主動(dòng)橋式(dual?active?bridge,dab)轉(zhuǎn)換器的集成及其雙向控制方法。

背景技術(shù)：

1、對(duì)于關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中的設(shè)備而言，其所使用的高可用度電源系統(tǒng)必須具備更強(qiáng)的可靠性。為提升電源設(shè)備的可靠性，通?？蛇x用本身即具高可靠性的元件，同時(shí)采用包含有能量源的冗余電源系統(tǒng)架構(gòu)，其中能量源可包含ac供電線、多個(gè)電池(有無(wú)下游負(fù)載皆可)或超級(jí)電容。針對(duì)具有多個(gè)能量源的冗余電源系統(tǒng)，可通過(guò)提供多個(gè)電源路徑來(lái)最大化其可用度。在有多個(gè)能量源的應(yīng)用中，所有的能量源由單一電源進(jìn)行充電，且每一能量源耦接于各自的負(fù)載，以分別傳送不間斷的電能至負(fù)載。然而，為提升可靠性，任一能量源均能夠傳輸電能至其余能量源，反之亦然。因此，于高可用度的系統(tǒng)中，需利用多個(gè)雙向轉(zhuǎn)換器于能量源之間進(jìn)行充放電，其中雙向轉(zhuǎn)換器可采用串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)浼半p主動(dòng)橋式轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?/p>

2、諧振轉(zhuǎn)換器多采用諧振腔電路來(lái)塑造開(kāi)關(guān)電壓及/或電流的波形，以將開(kāi)關(guān)耗損最小化，并在不降低轉(zhuǎn)換效率的情況下進(jìn)行高頻運(yùn)行。再者，由于諧振轉(zhuǎn)換器將寄生元件(例如漏感及/或變壓器的磁化電感)并入諧振腔電路中，故諧振轉(zhuǎn)換器必然可適用于需考慮寄生元件的影響的應(yīng)用中，例如電池充電系統(tǒng)中具有大電壓及/或大電流的隔離式電源供應(yīng)器。

3、圖1a及圖1b分別示出典型的隔離式諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)浼捌淅硐脒\(yùn)行波形。在圖1a所示的拓?fù)渲?，諧振元件為諧振電感l(wèi)r及諧振電容cr，由于諧振電感l(wèi)r串聯(lián)連接于諧振電容cr，故圖1a所示的電路可視為串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器。需注意的是，次級(jí)側(cè)二極管整流器多采用同步整流器，以將轉(zhuǎn)換效率最大化。

4、圖1b示出了圖1a中的串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器以零電壓切換(zero?voltage?switching，zvs)運(yùn)行時(shí)的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)的典型波形圖。請(qǐng)參閱圖1a及圖1b，所有開(kāi)關(guān)sp1、sp2、sp3、sp4、ss1、ss2、ss3及ss4均以相同的占空比(50％)運(yùn)行，且同一橋臂中的初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)(例如sp1與sp2，或sp3與sp4)以互補(bǔ)方式運(yùn)行，以避免跨導(dǎo)。初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)的頻率由架構(gòu)于調(diào)整輸出的反饋控制回路所決定(即為可變頻率控制)。次級(jí)側(cè)同步整流開(kāi)關(guān)系于諧振電流ip過(guò)零時(shí)同步進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)相位延遲控制。亦即，初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)sp1、sp2、sp3及sp4的波形中的相位延遲(例如時(shí)刻t0至t1)會(huì)被引入次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)ss1、ss2、ss3及ss4的波形中。

5、具體而言，如圖1b所示，次級(jí)側(cè)同步整流開(kāi)關(guān)ss1及ss3于諧振電流ip為正的期間同步導(dǎo)通，次級(jí)側(cè)同步整流開(kāi)關(guān)ss2及ss4于諧振電流ip為負(fù)的期間同步導(dǎo)通。為在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)零電壓切換，可于同一橋臂中為互補(bǔ)運(yùn)行的開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)刻與關(guān)斷時(shí)刻之間引入一短延遲(或死區(qū)時(shí)間)，以將初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)的占空比設(shè)定在略小于50％。在死區(qū)時(shí)間期間，電流往復(fù)于已關(guān)斷的開(kāi)關(guān)與另一反并聯(lián)二極管之間，以為隨后的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造條件。次級(jí)側(cè)同步整流開(kāi)關(guān)同樣以略小于50％的占空比運(yùn)行。即便圖1a所示的串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器以可變頻率控制且于輸入端口與輸出端口之間具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)，但因串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器僅為降壓轉(zhuǎn)換器(即vin>(n1/n2)*vo)，故無(wú)法進(jìn)行雙向運(yùn)行。

6、舉例而言，在美國(guó)公告號(hào)9,490,704b2的專利中，描述了控制諧振轉(zhuǎn)換器的次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)的系統(tǒng)及方法。具體而言，通過(guò)實(shí)質(zhì)降低開(kāi)關(guān)頻率的范圍，此專利中的控制方法可提升串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器運(yùn)行于寬輸入電壓范圍及/或?qū)捿敵鲭妷悍秶鷷r(shí)的性能。再者，由于變壓器兩側(cè)的可控開(kāi)關(guān)允許電能雙向流通，故其轉(zhuǎn)換器亦可雙向運(yùn)行，且其延遲時(shí)間控制使得串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器可提升輸出電壓(即(n1/n2)*vo≥vin)。通過(guò)可變頻率控制及延遲時(shí)間控制，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)頻率范圍的降低及升壓/降壓的轉(zhuǎn)換運(yùn)行。其中，可變頻率控制用以控制初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)，反之，延遲時(shí)間控制用以控制次級(jí)側(cè)整流開(kāi)關(guān)。

7、圖2a及圖2b分別示出另一典型隔離式諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)浼捌淅硐脒\(yùn)行波形。在圖2a所示的拓?fù)渲校C振元件為諧振電感l(wèi)r及電容cr。如圖2b中的開(kāi)關(guān)控制波形圖所示，初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)sp1、sp2、sp3及sp4以相同的開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行，且均具有近似50％的占空比。為使同一橋臂中為互補(bǔ)運(yùn)行的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)零電壓切換，可于該些開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)刻與關(guān)斷時(shí)刻之間加入一小段死區(qū)時(shí)間。次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)ss1、ss2、ss3及ss4與初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)以相同的開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行，然如圖2b所示，次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)ss2及ss3以較大的占空比運(yùn)行，從而通過(guò)所增加的占空比提供延遲時(shí)間。在死區(qū)時(shí)間期間(例如時(shí)刻t1至t2期間及時(shí)刻t4至t5期間)，變壓器tr的次級(jí)側(cè)繞組被次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)ss2及ss3短路。延遲時(shí)間控制的基本作用在于使串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器可提升輸出電壓，進(jìn)而縮減轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率范圍。此外，通過(guò)結(jié)合可變頻率控制及延遲時(shí)間控制來(lái)控制輸出，可實(shí)現(xiàn)升壓/降壓運(yùn)行，并進(jìn)而使轉(zhuǎn)換器適用于要求雙向電源傳輸?shù)膽?yīng)用。

8、圖3a及圖3b分別示出雙主動(dòng)橋式轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)及其理想運(yùn)行波形，眾所周知地，雙主動(dòng)橋式轉(zhuǎn)換器具有雙向轉(zhuǎn)換器拓?fù)?。如圖3a所示的拓?fù)?，串?lián)電感l(wèi)s位于初級(jí)側(cè)主動(dòng)橋與次級(jí)側(cè)主動(dòng)橋之間，其中初級(jí)側(cè)主動(dòng)橋包含初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)sp1、sp2、sp3及sp4，次級(jí)側(cè)主動(dòng)橋包含次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)ss1、ss2、ss3及ss4。典型地，初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)sp1、sp2、sp3及sp4以固定開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行，該開(kāi)關(guān)頻率亦與次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)ss1、ss2、ss3及ss4相符。此外，相位偏移控制被用于決定初級(jí)側(cè)與初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作之間的相位偏移量。如圖3b所示，所有開(kāi)關(guān)sp1、sp2、sp3、sp4、ss1、ss2、ss3及ss4以相同的開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行，且均具有略小于50％的占空比。需注意的是，次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)ss1、ss2、ss3及ss4的導(dǎo)通及關(guān)斷時(shí)刻自初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)sp1、sp2、sp3及sp4的導(dǎo)通及關(guān)斷時(shí)刻被主動(dòng)偏移，例如自時(shí)刻t0偏移至?xí)r刻t1以及自時(shí)刻t2偏移至?xí)r刻t3。通過(guò)主動(dòng)偏移次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)的閘控信號(hào)，可控制通過(guò)電感l(wèi)s的感應(yīng)電流ip。由于變壓器兩側(cè)的可控開(kāi)關(guān)允許電源雙向傳輸，故雙主動(dòng)橋式轉(zhuǎn)換器亦可作為雙向轉(zhuǎn)換器，且相位偏移控制使得轉(zhuǎn)換器可運(yùn)行于升壓及降壓模式。

9、下列參考文獻(xiàn)可提供更多本領(lǐng)域的背景技術(shù)，僅供參考：

10、[1]g.liu,y.jang,m.m.?and?j.q.zhang,"implementation?of?a3.3-kw?dc–dc?converter?for?ev?on-board?charger?employing?the?series-resonantconverter?with?reduced-frequency-range?control,"in?ieee?transactions?on?powerelectronics,vol.32,no.6,pp.4168-4184,june?2017,doi:10.1109/tpel.2016.2598173.

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技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本公開(kāi)中公開(kāi)了多端口雙向轉(zhuǎn)換器及其控制方法的各種實(shí)施例，其可利用單一的多端口雙向dc-dc轉(zhuǎn)換器取代多個(gè)單向或雙向轉(zhuǎn)換器，因此可顯著降低元件數(shù)量并提升元件的利用度

2、根據(jù)一方面的構(gòu)想，本公開(kāi)提供一種多端口轉(zhuǎn)換器，包含變壓器、第一功率級(jí)電路、第二功率級(jí)電路、第三功率級(jí)電路及控制器。變壓器包含第一繞組、第二繞組及第三繞組。第一功率級(jí)電路包含多個(gè)第一開(kāi)關(guān)，且電連接于第一能量源及變壓器的第一繞組。第二功率級(jí)電路包含多個(gè)第二開(kāi)關(guān)，且電連接于第二能量源及變壓器的第二繞組，其中第一及第二功率級(jí)電路形成串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器。第三功率級(jí)電路包含多個(gè)第三開(kāi)關(guān)，且電連接于第三能量源及變壓器的第三繞組，其中第一及第三功率級(jí)電路形成雙主動(dòng)橋式轉(zhuǎn)換器?？刂破麟娺B接于第一、第二及第三功率級(jí)電路，以感測(cè)多端口轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行情況，并提供控制信號(hào)給第一、第二及第三開(kāi)關(guān)。

3、于一些實(shí)施例中，控制器的控制邏輯提供控制信號(hào)給該第一及第二開(kāi)關(guān)，并利用相位延遲控制來(lái)控制能量在第一及第二能量源之間進(jìn)行傳輸。

4、于一些實(shí)施例中，控制器的控制邏輯提供控制信號(hào)給第一及第二開(kāi)關(guān)，并利用相位延遲控制及延遲時(shí)間控制來(lái)控制能量在第一及第二能量源之間進(jìn)行傳輸。

5、于一些實(shí)施例中，控制器的控制邏輯提供控制信號(hào)給第一、第二及第三開(kāi)關(guān)，并利用相位延遲控制來(lái)控制能量自第一能量源傳輸至第二能量源，且利用相位偏移控制來(lái)控制能量自第一能量源傳輸至第三能量源。

6、于一些實(shí)施例中，控制器的該控制邏輯通過(guò)改變控制信號(hào)中的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)調(diào)整被傳輸至第二功率級(jí)電路的能量的大小，并利用相位偏移控制來(lái)調(diào)整被傳輸至第三功率級(jí)電路的能量的大小。

7、于一些實(shí)施例中，第一、第二及第三功率級(jí)電路具有相同的開(kāi)關(guān)頻率。

8、于一些實(shí)施例中，控制器的控制邏輯將第一及第二控制信號(hào)傳送至該多個(gè)第一開(kāi)關(guān)，并將第三及第四控制信號(hào)傳送至該多個(gè)第二開(kāi)關(guān)。第三控制信號(hào)以一相位延遲而實(shí)質(zhì)地同步于第一控制信號(hào)，第四控制信號(hào)以該相位延遲而實(shí)質(zhì)地同步于第二控制信號(hào)。

9、于一些實(shí)施例中，第二功率級(jí)電路包含與變壓器的第二繞組串聯(lián)連接的第一電容及第一電感。

10、于一些實(shí)施例中，第三功率級(jí)電路包含與變壓器的第三繞組串聯(lián)連接的第二電感。

11、于一些實(shí)施例中，第一功率級(jí)電路包含第二電容，第二電容與變壓器的第一繞組串聯(lián)連接，第三功率級(jí)電路包含第三電容，第三電容與變壓器的第三繞組串聯(lián)連接。

12、于一些實(shí)施例中，控制器的控制邏輯提供控制信號(hào)給第一、第二及第三開(kāi)關(guān)，并利用相位延遲控制及延遲時(shí)間控制來(lái)控制能量自第二能量源傳輸至第一能量源，且利用相位偏移控制來(lái)控制能量自第一能量源傳輸至第三能量源。

13、于一些實(shí)施例中，多端口轉(zhuǎn)換器包含多個(gè)該第三功率級(jí)電路，其中每一第三功率級(jí)電路均連接于對(duì)應(yīng)的變壓器的繞組及對(duì)應(yīng)的能量源，且每一第三功率級(jí)電路均可與第一功率級(jí)電路形成雙主動(dòng)橋式轉(zhuǎn)換器。

14、根據(jù)另一方面的構(gòu)想，本公開(kāi)提供一種dc-dc轉(zhuǎn)換器的控制方法，其中dc-dc轉(zhuǎn)換器包含多個(gè)功率級(jí)電路，該多個(gè)功率級(jí)電路包含第一、第二及第三功率級(jí)電路?？刂品椒ò铝胁襟E：感測(cè)dc-dc轉(zhuǎn)換器的多個(gè)電性參數(shù)；依據(jù)至少部分的電性參數(shù)決定開(kāi)關(guān)頻率、相位延遲及相位偏移；控制第一功率級(jí)電路的多個(gè)第一開(kāi)關(guān)以該開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行；控制第二功率級(jí)電路的第一組第二開(kāi)關(guān)以該開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行，其中第一組第二開(kāi)關(guān)的時(shí)序相較于至少一個(gè)第一開(kāi)關(guān)的時(shí)序具有該相位延遲，第一組第二開(kāi)關(guān)包含多個(gè)第二開(kāi)關(guān)；以及控制第三功率級(jí)電路的至少兩個(gè)第三開(kāi)關(guān)以該開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行，其中所控制的第三開(kāi)關(guān)的時(shí)序相較于至少一個(gè)第一開(kāi)關(guān)的時(shí)序具有該相位偏移。

15、于一些實(shí)施例中，控制方法還包含下列步驟：依據(jù)至少部分的電性參數(shù)決定一延遲時(shí)間；以及控制第二功率級(jí)電路的第二組第二開(kāi)關(guān)以該開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行，其中第二組第二開(kāi)關(guān)的時(shí)序相較于第一組該第二開(kāi)關(guān)的時(shí)序具有該延遲時(shí)間，第二組第二開(kāi)關(guān)包含多個(gè)第二開(kāi)關(guān)。

16、于一些實(shí)施例中，該感測(cè)步驟感測(cè)任一連接功率級(jí)電路的能量源上的電壓及/或任一功率級(jí)電路的電流。

17、于一些實(shí)施例中，控制方法還包含下列步驟：通過(guò)變壓器將該多個(gè)功率級(jí)電路相互電性耦接，其中變壓器具有分別連接于第一、第二及第三功率級(jí)電路的第一、第二及第三繞組。

18、于一些實(shí)施例中，第二功率級(jí)電路的諧振頻率實(shí)質(zhì)上由一電感及一電容所決定，該電感及該電容串聯(lián)連接于變壓器的第二繞組。

19、于一些實(shí)施例中，第三功率級(jí)電路包含一電感，該電感串聯(lián)連接于變壓器的第三繞組。

20、根據(jù)又一方面的構(gòu)想，本公開(kāi)提供一種多端口轉(zhuǎn)換器，包含變壓器、串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器及雙主動(dòng)橋式轉(zhuǎn)換器。變壓器包含第一繞組、第二繞組及第三繞組。串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器由第一功率級(jí)電路及第二功率級(jí)電路形成。雙主動(dòng)橋式轉(zhuǎn)換器由第一功率級(jí)電路及第三功率級(jí)電路形成。第一、第二及第三功率級(jí)電路分別耦接于第一、第二及第三繞組。