專利名稱：一種諧振直流/直流變換器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直流電源變換技術(shù)，具體是涉及一種諧振直流/直流變換器及其控制方法。
背景技術(shù)：
小型化和高頻化是當(dāng)今電源發(fā)展的趨勢(shì)，但是開(kāi)關(guān)頻率的升高帶來(lái)了開(kāi)關(guān)管損耗過(guò)大的問(wèn)題，這是傳統(tǒng)BUCK變換器無(wú)法解決的，而諧振變換器則可以較好的解決這個(gè)問(wèn)題。
以串聯(lián)諧振變換器為例，串聯(lián)諧振直流/直流(DC/DC)變換器采用諧振變換技術(shù)，由于諧振元件工作在正弦諧振狀態(tài)，開(kāi)關(guān)管上的電壓自然過(guò)零，可以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，電源損耗很小。這種拓?fù)渫ǔ２捎米冾l調(diào)制(Pulse frequencymodulation，簡(jiǎn)稱PFM)方式，通過(guò)改變工作頻率來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。圖1為全橋SRC串聯(lián)諧振直流/直流變換器的基本形式，在對(duì)該電路采用PFM控制時(shí)，兩組開(kāi)關(guān)管S1、S4與S2、S3互補(bǔ)對(duì)稱驅(qū)動(dòng)，各導(dǎo)通50％(此為理想值，如考慮死區(qū)的設(shè)置應(yīng)為略小于50％)的開(kāi)關(guān)周期。電源輸出電壓增益M與工作頻率f的關(guān)系為M=VOVin=1QS|ffr-frf|---(1)]]>其中，Vo與Vin分別為輸出、輸入電壓，f為工作頻率，fr=12πLr·Cr,]]>QS=2πfrLrPoUo2,]]>fr為諧振頻率，Lr為諧振電感值，Cr為諧振電容值，Po為輸出功率。
從式(1)中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作頻率f大于諧振頻率fr時(shí)，工作頻率越高，電壓增益M越低；同理，當(dāng)工作頻率f小于諧振頻率fr時(shí)，工作頻率越低，電壓增益M越低。串聯(lián)諧振拓?fù)淇刂祁l率f與輸出電壓Vo的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)諧振變換器一個(gè)主要的難點(diǎn)問(wèn)題在于輕載和空載條件下輸出電壓難以穩(wěn)定。當(dāng)控制頻率大于諧振頻率fr，串聯(lián)諧振拓?fù)涞妮敵鲭妷弘S著控制頻率的升高而降低，當(dāng)負(fù)載減小至輕載狀態(tài)時(shí)，輸出電壓趨于平緩，這樣為了穩(wěn)定電壓，工作頻率需要升得很高，但是工作頻率范圍過(guò)寬會(huì)帶來(lái)磁性器件難以優(yōu)化的問(wèn)題，而且工作頻率越高，電路損耗也越大；此外，當(dāng)負(fù)載接近空載，輸出電壓反而有可能會(huì)上升，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行負(fù)反饋控制。因此在電源行業(yè)中，有人在輸出端加上固定的負(fù)載，利用這種方法在輕載和空載條件下穩(wěn)定輸出電壓，但這樣會(huì)增加空載損耗，降低電源效率。
總之，單純的變頻控制會(huì)導(dǎo)致工作頻率范圍過(guò)寬甚至失效，帶來(lái)磁性元件難以優(yōu)化的問(wèn)題，以及反饋控制難以設(shè)計(jì)的問(wèn)題，所以簡(jiǎn)單的調(diào)頻控制無(wú)法滿足輕載或空載時(shí)輸出穩(wěn)壓的要求。
上面以全橋串聯(lián)諧振電路為例說(shuō)明了調(diào)頻控制方式存在的缺陷，同樣的，從理論上講，所有的調(diào)頻控制的諧振電路都存在類似的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種諧振直流/直流變換器的控制方法及其裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)中負(fù)載工作在輕載或空載時(shí)采用調(diào)頻控制存在難以穩(wěn)壓的問(wèn)題。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是一種諧振直流/直流變換器的控制方法，是通過(guò)改變其諧振電路輸入開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，還根據(jù)負(fù)載電路的反饋信號(hào)使變換器進(jìn)入移相控制方式，調(diào)整所述開(kāi)關(guān)管的移相角，使得諧振電路的電壓輸出范圍擴(kuò)展。
所述諧振電路輸入開(kāi)關(guān)管可由驅(qū)動(dòng)脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制，所述驅(qū)動(dòng)脈沖的獲得包括如下步驟，1)獲取負(fù)載電路的反饋信號(hào)；2)根據(jù)所述反饋信號(hào)判斷負(fù)載是否工作在輕載或空載狀態(tài)；3)如果負(fù)載工作在輕載或空載狀態(tài)，則將頻率與移相角隨反饋信號(hào)變化而共同調(diào)節(jié)的脈沖信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)脈沖，使諧振電路工作在移相控制與PFM控制混合模式；否則，將移相角穩(wěn)定而頻率隨反饋信號(hào)變化的脈沖信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)脈沖，使諧振電路工作在PFM控制模式。
所述步驟1)可包括如下步驟1a)從負(fù)載電路中采樣反饋電壓；1b)將所述反饋電壓進(jìn)行負(fù)反饋補(bǔ)償運(yùn)算獲得反饋信號(hào)。
上述控制方法中PFM控制與PFM+移相控制的選擇優(yōu)選由下述過(guò)程實(shí)現(xiàn)所述步驟2)中將反饋信號(hào)分別經(jīng)運(yùn)算處理后得到變頻控制信號(hào)和移相控制信號(hào)；所述移相控制信號(hào)的運(yùn)算處理過(guò)程包括與第一參考電壓進(jìn)行比較來(lái)判斷負(fù)載是否工作在輕載或空載狀態(tài)的步驟，所述第一參考電壓根據(jù)所述負(fù)載的電氣特性確定；所述步驟3)中當(dāng)負(fù)載工作在輕載或空載狀態(tài)時(shí)，即產(chǎn)生由變頻控制信號(hào)和移相控制信號(hào)共同調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)脈沖；否則，產(chǎn)生移相角穩(wěn)定而由變頻控制信號(hào)單獨(dú)調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)脈沖。
上述控制方法中還可進(jìn)一步增加單獨(dú)采用移相控制的選擇所述步驟2)中所述變頻控制信號(hào)的運(yùn)算處理過(guò)程包括與第二參考電壓進(jìn)行比較來(lái)判斷負(fù)載是否工作在近似空載狀態(tài)的步驟，所述第二參考電壓根據(jù)所述負(fù)載的電氣特性確定，并且所述第二參考電壓滿足，若負(fù)載根據(jù)第二參考電壓的判斷工作在近似空載狀態(tài)則根據(jù)第一參考電壓的判斷必然工作在輕載或空載狀態(tài)；所述步驟3)中當(dāng)負(fù)載工作在近似空載狀態(tài)時(shí)，即產(chǎn)生頻率穩(wěn)定而由移相控制信號(hào)單獨(dú)調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)脈沖。
為本發(fā)明的目的，還提供一種諧振直流/直流變換器，包括驅(qū)動(dòng)電路和諧振電路，所述驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)輸入的驅(qū)動(dòng)脈沖控制諧振電路的輸入開(kāi)關(guān)管，諧振電路在所述驅(qū)動(dòng)電路的控制下將變換后的電源提供給負(fù)載電路，以及負(fù)反饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)器，將從負(fù)載電路中采樣的反饋電壓進(jìn)行負(fù)反饋補(bǔ)償運(yùn)算后獲得反饋信號(hào)；甄別器，根據(jù)輸入的反饋信號(hào)判斷負(fù)載電路的負(fù)載狀態(tài)，輸出驅(qū)動(dòng)脈沖調(diào)制信號(hào)；驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器，根據(jù)輸入的驅(qū)動(dòng)脈沖調(diào)制信號(hào)調(diào)制并輸出驅(qū)動(dòng)脈沖如果負(fù)載工作在輕載或空載狀態(tài)，輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率與移相角隨反饋信號(hào)變化而共同調(diào)節(jié)；否則，輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖的移相角穩(wěn)定而頻率隨反饋信號(hào)的變化而變化。
上述諧振直流/直流變換器進(jìn)行PFM控制與PFM+移相控制的一種可選方案是采用兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生電路模塊，即，所述驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器包括變頻控制電路和變頻控制+移相控制電路；若所述甄別器判斷負(fù)載工作在輕載或空載狀態(tài)，則向變頻控制+移相控制電路輸出驅(qū)動(dòng)脈沖調(diào)制信號(hào)，控制其輸出頻率和移相角隨反饋信號(hào)變化而共同調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)脈沖；否則，則向變頻控制電路輸出驅(qū)動(dòng)脈沖調(diào)制信號(hào)，控制其輸出移相角穩(wěn)定而頻率隨反饋信號(hào)的變化而變化的驅(qū)動(dòng)脈沖。
上述諧振直流/直流變換器進(jìn)行PFM控制與PFM+移相控制的一種優(yōu)選方案則可只采用一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生電路模塊所述甄別器包括第一運(yùn)算電路和2，所述運(yùn)算電路設(shè)定有第一參考電壓，所述驅(qū)動(dòng)脈沖調(diào)制信號(hào)包括變頻控制信號(hào)和移相控制信號(hào)；所述反饋信號(hào)經(jīng)第一運(yùn)算電路進(jìn)行運(yùn)算、與第一參考電壓比較后，輸出為移相控制信號(hào)；所述反饋信號(hào)經(jīng)第二運(yùn)算電路進(jìn)行運(yùn)算后輸出為變頻控制信號(hào)；所述第一參考電壓根據(jù)負(fù)載的電氣特性確定，使得當(dāng)負(fù)載工作在輕載或空載狀態(tài)時(shí)，輸出的移相控制信號(hào)隨反饋信號(hào)的變化而變化；反之，則保持穩(wěn)定；所述驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器包括變頻控制電路和移相控制電路，所述變頻控制電路產(chǎn)生頻率由變頻控制信號(hào)控制的變頻脈沖，所述移相控制電路根據(jù)移相控制信號(hào)將所述變頻脈沖進(jìn)行移相控制后輸出驅(qū)動(dòng)脈沖。
所述移相控制電路可以是將移相控制信號(hào)與變頻脈沖比較合成后輸出驅(qū)動(dòng)脈沖。
也可以是，將所述變頻脈沖輸入所述移相控制電路的同步端，所述移相控制電路根據(jù)移相控制信號(hào)對(duì)輸入的變頻脈沖進(jìn)行移相控制后輸出驅(qū)動(dòng)脈沖。
為實(shí)現(xiàn)近似空載狀態(tài)下的純移相控制控制，進(jìn)一步優(yōu)選的是，所述第二運(yùn)算電路設(shè)定有第二參考電壓；所述反饋信號(hào)經(jīng)第二運(yùn)算電路進(jìn)行運(yùn)算、與第二參考電壓比較后，輸出為變頻控制信號(hào)；所述第二參考電壓根據(jù)負(fù)載的電氣特性確定，使得當(dāng)負(fù)載工作在近似空載狀態(tài)時(shí)，輸出的變頻控制信號(hào)保持穩(wěn)定；反之，則隨反饋信號(hào)的變化而變化；并且所述第二參考電壓滿足，若負(fù)載根據(jù)第二參考電壓的判斷工作在近似空載狀態(tài)則根據(jù)第一參考電壓的判斷必然工作在輕載或空載狀態(tài)；所述變頻控制電路可采用這樣的結(jié)構(gòu)，包括依次連接的壓頻振蕩器和三角波發(fā)生器；所述變頻控制信號(hào)輸入壓頻振蕩器控制其振蕩頻率，所述三角波發(fā)生器輸出頻率受控的變頻脈沖。
采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明有益的技術(shù)效果在于1)在諧振直流/直流變換器的控制方式中，引入移相控制方式，實(shí)現(xiàn)PFM與PFM+移相控制兩種控制方式，在電源工作頻率較低時(shí)采用PFM控制，電源工作頻率過(guò)高時(shí)引入PFM+移相控制方式。還可在頻率更高時(shí)固定頻率，進(jìn)入移相控制方式，從而解決了諧振變換器的難點(diǎn)問(wèn)題，即空載和輕載難以穩(wěn)壓的問(wèn)題，極大地增加了諧振電路的輸出電壓調(diào)節(jié)能力，有效擴(kuò)展電壓輸出范圍。
傳統(tǒng)的移相全橋電路是一種十分優(yōu)秀的直流/直流變化器，同樣利用諧振電感能量來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)關(guān)，減小了開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗。它具有電路和控制簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)管容易實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)、電路效率高、EMI小等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為最佳的直流/直流變換器之一，而且移相控制在輕載和空載的情況下，輸入電壓及負(fù)載固定，移相角與輸出電壓有較好的單調(diào)關(guān)系。雖然此種電路為了實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，需要較大的輸出差模電感實(shí)現(xiàn)超前橋臂的軟開(kāi)關(guān)，及為了保證諧振電感的體積不能過(guò)大，只能在一定負(fù)載(如50％負(fù)載)之上才能實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的軟開(kāi)關(guān)，之前的開(kāi)關(guān)狀態(tài)均為硬開(kāi)關(guān)，導(dǎo)致軟開(kāi)關(guān)條件苛刻，效率與熱設(shè)計(jì)在硬開(kāi)關(guān)態(tài)困難，但是由于本發(fā)明還保留諧振直流/直流變換器的部分特性，因此其軟開(kāi)關(guān)條件仍然相對(duì)容易，而不會(huì)由于移相電路的引入而帶來(lái)困難。
2)PFM控制與PFM+移相控制兩種方式在邏輯上是可選的并聯(lián)關(guān)系，但可以采用優(yōu)選的變頻控制電路和移相控制電路串聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，優(yōu)選實(shí)現(xiàn)電路避免了許多邏輯選通器件和多路負(fù)反饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)器的使用，電路簡(jiǎn)單，并且兩種控制方式切換平滑，其可靠性和動(dòng)態(tài)特性非常好。
本發(fā)明對(duì)全橋串、并聯(lián)諧振電路和LLC等諧振電路的變形拓?fù)涠歼m用，有較強(qiáng)的工程意義。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明
圖1是一種現(xiàn)有典型的全橋串聯(lián)諧振電路示意2是圖1中電路PFM控制方式下的輸出特性曲線圖。
圖3是圖1中電路采用本發(fā)明控制方法后的輸出特性曲線比較示意圖。
圖4是一種本發(fā)明直流/直流變換器的原理框圖。
圖5A是圖4虛線框中電路的細(xì)化框圖。
圖5B是圖5A中PI調(diào)節(jié)器、第一運(yùn)算電路和第二運(yùn)算電路的具體電路實(shí)例圖。
圖5C是移相角產(chǎn)生電路示意圖。
圖6是圖4中直流/直流變換器反饋信號(hào)與頻率及移相角的關(guān)系示意圖。
圖7是驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖。
圖8是另一種本發(fā)明直流/直流變換器的原理框圖。
具體實(shí)施方式一種諧振直流/直流變換器的控制方法，是通過(guò)改變其諧振電路輸入開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，還根據(jù)負(fù)載電路的反饋信號(hào)(從諧振變換器的輸出電壓或輸出電流取樣獲得)調(diào)整所述開(kāi)關(guān)管的移相角，使得諧振電路的電壓輸出范圍擴(kuò)展。
仍以圖1中的全橋串聯(lián)諧振電路為例，圖3中的曲線A1～A3是不同負(fù)載狀況下采用單獨(dú)PFM控制方式，移相角為0度的輸出電壓Vo與頻率f的特性曲線示意圖，可以看出，隨著負(fù)載的減輕，Vo趨于平緩，難于通過(guò)提高工作頻率的方式來(lái)穩(wěn)定。圖3中的曲線B1、B2、B3分別是曲線A1～A3的開(kāi)關(guān)頻率升高到fa時(shí)在PFM控制方式中切入移相控制后綜合制方式下輸出電壓Vo與移相角α和頻率f的特性曲線示意圖；對(duì)移相角α的控制從0度開(kāi)始直到180度為止。由曲線B1、B2、B3可以看出，在引入了PFM+移相控制后，輸出電壓能夠在控制頻率大于fa開(kāi)始，至控制頻率fb迅速到0，與單純的PFM控制方式相比輸出特性得到了很大的改善。
對(duì)諧振電路輸入開(kāi)關(guān)管的控制是由驅(qū)動(dòng)脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)進(jìn)行的，因此從PFM到PFM+移相控制的切換靠驅(qū)動(dòng)脈沖的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于控制方式的切換與負(fù)載情況直接相關(guān)，因此驅(qū)動(dòng)脈沖的獲得采用如下方法1)獲取負(fù)載電路的反饋信號(hào)，所述反饋信號(hào)由從負(fù)載電路中采樣的反饋電壓經(jīng)過(guò)負(fù)反饋補(bǔ)償運(yùn)算獲得；2)根據(jù)所述反饋信號(hào)判斷負(fù)載的工作狀態(tài)，此判斷過(guò)程通過(guò)對(duì)反饋信號(hào)的運(yùn)算和與參考電壓的比較來(lái)進(jìn)行將反饋信號(hào)分別經(jīng)運(yùn)算處理后得到變頻控制信號(hào)和移相控制信號(hào)。移相控制信號(hào)的運(yùn)算處理過(guò)程是將反饋信號(hào)進(jìn)行比例或加減等運(yùn)算后與設(shè)定的第一參考電壓進(jìn)行比較，若低于參考電壓(或高于參考電壓，根據(jù)電路的邏輯特性來(lái)確定，這里假定反饋信號(hào)與負(fù)載電壓成正比，反饋信號(hào)越低，負(fù)載越輕)則直接輸出運(yùn)算后的反饋信號(hào)作為移相控制信號(hào)。否則輸出穩(wěn)定的第一參考電壓作為移相控制信號(hào)，由于此時(shí)的移相控制信號(hào)不發(fā)生變化，因此對(duì)應(yīng)于單純PFM控制的情形。第一參考電壓需要根據(jù)所述負(fù)載的電氣特性來(lái)確定，使得基于第一參考電壓進(jìn)行的比較判斷能夠基本正確的反應(yīng)負(fù)載是否工作在輕載狀態(tài)。
變頻控制信號(hào)的運(yùn)算處理過(guò)程可以采用兩種方式，一是直接將反饋信號(hào)進(jìn)行比例或加減等運(yùn)算后輸出作為變頻控制信號(hào)，這樣，變頻控制信號(hào)始終隨反饋信號(hào)的變化而變化，因此諧振電路始終保持有PFM控制方式。另一是仿照上述移相控制信號(hào)的運(yùn)算方式，在比例或加減等運(yùn)算后還將結(jié)果與設(shè)定的第二參考電壓進(jìn)行比較，若高于第二參考電壓(或低于參考電壓，根據(jù)電路的邏輯特性來(lái)確定，這里假定反饋信號(hào)與負(fù)載電壓成正比，反饋信號(hào)越低，負(fù)載越輕)則直接輸出運(yùn)算后的反饋信號(hào)作為變頻控制信號(hào)。否則輸出穩(wěn)定的第二參考電壓作為變頻控制信號(hào)，由于此時(shí)的變頻控制信號(hào)不發(fā)生變化，因此對(duì)應(yīng)于單純移相控制的情形。第二參考電壓同樣需要根據(jù)所述負(fù)載的電氣特性來(lái)確定，使得基于第二參考電壓進(jìn)行的比較判斷能夠基本正確的反應(yīng)負(fù)載是否工作在近似空載狀態(tài)。并且，為了保證從PFM控制到PFM+移相控制再到移相控制的平滑切換，若負(fù)載根據(jù)第二參考電壓的判斷工作在近似空載狀態(tài)則根據(jù)第一參考電壓的判斷必然工作在輕載狀態(tài)，這也就保證了在任意情況下，移相控制信號(hào)與變頻控制信號(hào)中至少有一個(gè)是隨反饋信號(hào)的變化而變化的。
3)根據(jù)步驟2)的判斷結(jié)果，如果負(fù)載工作在非輕載狀態(tài)，移相控制信號(hào)穩(wěn)定為第一參考電壓，而變頻控制信號(hào)隨反饋信號(hào)的變化而變化，因此在這兩個(gè)信號(hào)的控制下輸出的是移相角穩(wěn)定而頻率隨反饋信號(hào)變化的驅(qū)動(dòng)脈沖，此時(shí)諧振電路工作在PFM控制模式；如果負(fù)載工作在輕載狀態(tài)，移相控制信號(hào)與變頻控制信號(hào)均隨反饋信號(hào)的變化而變化，因此在這兩個(gè)信號(hào)的控制下輸出的是頻率與移相角均隨反饋信號(hào)變化而共同調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)脈沖，此時(shí)諧振電路工作在PFM+移相控制模式；如果負(fù)載工作在近似空載狀態(tài)，移相控制信號(hào)隨反饋信號(hào)的變化而變化，而變頻控制信號(hào)穩(wěn)定為第二參考電壓，因此在這兩個(gè)信號(hào)的控制下輸出的是頻率穩(wěn)定而移相角隨反饋信號(hào)變化的驅(qū)動(dòng)脈沖，此時(shí)諧振電路工作在移相控制模式；下面詳細(xì)介紹一種采用上述控制方法的諧振直流/直流變換器，結(jié)合圖4和圖5A、5B、5C，包括驅(qū)動(dòng)電路和諧振電路，所述驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)輸入的驅(qū)動(dòng)脈沖控制諧振電路的輸入開(kāi)關(guān)管，諧振電路在所述驅(qū)動(dòng)電路的控制下將變換后的電源提供給負(fù)載電路，以及負(fù)反饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)器，由PI調(diào)節(jié)器充當(dāng)，將從負(fù)載電路中采樣的反饋電壓以及設(shè)置的給定電壓進(jìn)行負(fù)反饋補(bǔ)償運(yùn)算后獲得反饋信號(hào)；甄別器，包括第一運(yùn)算電路和2，所述第一運(yùn)算電路和2分別設(shè)定有第一參考電壓和2；反饋信號(hào)經(jīng)第一運(yùn)算電路進(jìn)行運(yùn)算、與第一參考電壓比較后，輸出為移相控制信號(hào)；反饋信號(hào)經(jīng)第二運(yùn)算電路進(jìn)行運(yùn)算、與第二參考電壓比較后輸出為變頻控制信號(hào)；第一參考電壓和第二參考電壓均根據(jù)負(fù)載的電氣特性確定，其設(shè)定原則與前述控制方法中的描述相同，在此不再贅述。其設(shè)定方法可以采用實(shí)測(cè)法，比如人為地分別使負(fù)載工作在輕載和近似空載兩種狀態(tài)，分別測(cè)出這兩種狀態(tài)下在第一運(yùn)算電路和第二運(yùn)算電路中分別與第一參考電壓和第二參考電壓相比較的輸入反饋信號(hào)的大小，此值即可作為第一參考電壓和第二參考電壓的取值。當(dāng)負(fù)載工作在近似空載狀態(tài)時(shí)，甄別器輸出穩(wěn)定的變頻控制信號(hào)(即第二參考電壓)和隨反饋信號(hào)變化而變化的移相控制信號(hào)；當(dāng)負(fù)載工作在輕載狀態(tài)時(shí)，甄別器輸出均隨反饋信號(hào)變化而變化的移相控制信號(hào)和變頻控制信號(hào)；此外，甄別器輸出隨反饋信號(hào)變化而變化的變頻控制信號(hào)和穩(wěn)定的移相控制信號(hào)(即第一參考電壓)。
驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器，包括變頻控制電路和移相控制電路。變頻控制電路包括依次連接的壓頻振蕩器和三角波發(fā)生器；移相控制電路為移相控制產(chǎn)生電路。變頻控制信號(hào)輸入壓頻振蕩器控制其振蕩頻率，壓頻振蕩器將變頻控制信號(hào)的電壓信號(hào)變?yōu)檩敵鲱l率變化的方波信號(hào)，三角波發(fā)生器接收該頻率變化的方波信號(hào)產(chǎn)生頻率變化的三角波信號(hào)并輸出到移相控制產(chǎn)生電路的同步端；移相控制產(chǎn)生電路根據(jù)從comp端輸入的移相控制信號(hào)Vcomp對(duì)輸入的變頻三角波信號(hào)進(jìn)行移相控制后輸出驅(qū)動(dòng)脈沖。當(dāng)Vcomp穩(wěn)定輸出為第一參考電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖的移相角不再變化，只有頻率變化，即進(jìn)入PFM控制；當(dāng)Vcomp與變頻控制信號(hào)均變化輸出時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖的移相角和頻率同時(shí)變化，即進(jìn)入PFM+移相控制；當(dāng)變頻控制信號(hào)穩(wěn)定輸出為第二參考電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率不再變化，只有移相角變化，即進(jìn)入移相控制。
一般使參考信號(hào)1為三角波峰值的一半，這樣在PFM控制模式時(shí)輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖具有50％的占空比。當(dāng)然，根據(jù)應(yīng)用需要，也可以取消單獨(dú)的PWM控制方式，使驅(qū)動(dòng)脈沖的輸出頻率始終與反饋信號(hào)相關(guān)，這就相當(dāng)于將參考信號(hào)2設(shè)置為0。
能夠?qū)崿F(xiàn)變頻控制電路和脈寬調(diào)制電路功能的模塊通常集成在一塊芯片中，根據(jù)所使用芯片內(nèi)部功能架構(gòu)的區(qū)別，它們之間的具體電路關(guān)系可以有更多的情況，例如脈寬調(diào)制電路也可以是將脈寬調(diào)制信號(hào)Vcomp與變頻三角波信號(hào)比較合成后輸出驅(qū)動(dòng)脈沖。不過(guò)簡(jiǎn)化的看來(lái)，變頻控制電路和脈寬調(diào)制電路總可以概括為串聯(lián)的電路關(guān)系，即變頻控制電路產(chǎn)生脈沖信號(hào)并控制其頻率，而脈寬調(diào)制電路則進(jìn)一步確定脈沖信號(hào)的占空比。
如圖6所示，是上述諧振直流/直流變換器的負(fù)反饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)器輸出的反饋信號(hào)Vf與諧振電路工作頻率f及諧振電路輸出V的函數(shù)關(guān)系，其中，橫軸代表負(fù)反饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)器輸出的反饋信號(hào)Vf，并假定負(fù)反饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)器最高輸出12v。上述諧振直流/直流變換器的工作狀態(tài)描述如下1.當(dāng)反饋信號(hào)從a～b變化時(shí)，控制頻率不變，為f＝fmax，移相角從180度變化到α0度；諧振電路輸出V從0變化到V1；工作模式為移相控制。
2.當(dāng)反饋信號(hào)從b～c變化時(shí)，控制頻率與占空比同時(shí)變化移相角從α0度變化到0度，導(dǎo)致輸出電壓繼續(xù)上升；同時(shí)，控制頻率也從fmax減小到f0，該變化也導(dǎo)致輸出電壓的上升；當(dāng)環(huán)路電壓上升到b時(shí)，移相角達(dá)到最大值0度，輸出電壓上升為V2；工作方式為PFM+移相控制。
3.當(dāng)反饋信號(hào)從b～12V變化時(shí)，移相角不變，控制頻率從f0繼續(xù)下降到fmin，輸出電壓繼續(xù)上升，直至f＝fmin時(shí)，輸出電壓達(dá)到最大值V3；工作模式為PFM控制。
從圖6中可以看出，反饋信號(hào)升高，輸出電壓也升高，所以能夠做閉環(huán)控制。圖6中c對(duì)應(yīng)確定第一運(yùn)算電路的參考信號(hào)1，b對(duì)應(yīng)確定第二運(yùn)算電路的參考信號(hào)2；當(dāng)控制系統(tǒng)不包括純PWM控制模式時(shí)，b＝0。
不同控制模式下驅(qū)動(dòng)脈沖的波形如圖7所示，波形A是PFM控制下的穩(wěn)定為0度移相角的驅(qū)動(dòng)脈沖波形，波形B是PFM+移相控制下的驅(qū)動(dòng)脈沖波形，驅(qū)動(dòng)脈沖的移相角和頻率隨輸出電壓變化而調(diào)節(jié)，直到移相角為180度。
上述諧振直流/直流變換器采用了電路上串聯(lián)的變頻控制電路與移相控制電路結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯上并列可選的PFM控制與PFM+移相控制方案，實(shí)際上也可以采用另一種可選方案，如圖8所示，即采用兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生電路模塊，分別組建變頻控制電路和變頻控制+移相控制電路；然后使甄別器根據(jù)負(fù)載判斷情況選擇性的控制其中之一輸出滿足本發(fā)明控制要求的驅(qū)動(dòng)脈沖，即若所述甄別器判斷負(fù)載工作在輕載或空載狀態(tài)，則向變頻控制+移相控制電路輸出驅(qū)動(dòng)脈沖調(diào)制信號(hào)，控制其輸出頻率和移相角隨反饋信號(hào)變化而共同調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)脈沖；否則，則向變頻控制電路輸出驅(qū)動(dòng)脈沖調(diào)制信號(hào)，控制其輸出移相角穩(wěn)定而頻率隨反饋信號(hào)的變化而變化的驅(qū)動(dòng)脈沖。此可選方案同樣能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，只不過(guò)與前述優(yōu)選方案相比具有更為復(fù)雜的形式。
本發(fā)明中所用到的負(fù)反饋補(bǔ)償運(yùn)算是不僅可以用PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)，也可用PID調(diào)節(jié)器以及更靈活的調(diào)節(jié)器等來(lái)實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明控制方式適用于使用諧振原理工作的電路，包括串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振、串并聯(lián)諧振等，電路拓?fù)淇梢允侨珮?。在諧振電路的工作頻率較低時(shí)，使變換器工作在變頻控制方式；而在工作頻率較高時(shí)，使變換器工作在變頻控制+移相控制方式，這樣就避免了空載和輕載條件下，開(kāi)關(guān)頻率太高的問(wèn)題，有利于輕載時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定。本發(fā)明可由簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，電路在不同控制方式的狀態(tài)之間切換時(shí)，切換是平滑的，保證了電路工作的可靠性。
本發(fā)明的變頻控制+移相控制、變頻控制和甄別電路等既可以采用硬件電路來(lái)搭建也可以通過(guò)對(duì)具有相應(yīng)功能模塊的芯片按照本發(fā)明控制方法進(jìn)行編程來(lái)用軟件實(shí)現(xiàn)，這部分工作是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)上述的技術(shù)方案所容易推導(dǎo)出來(lái)的。
權(quán)利要求
1.一種諧振直流/直流變換器的控制方法，所述變換器的諧振電路輸入開(kāi)關(guān)管可由驅(qū)動(dòng)脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制，所述驅(qū)動(dòng)脈沖的獲得包括如下步驟，A、獲取負(fù)載電路的反饋信號(hào)；B、根據(jù)所述反饋信號(hào)判斷負(fù)載是否工作在輕載或空載狀態(tài)；C、如果負(fù)載工作在輕載或空載狀態(tài)，則將頻率與移相角隨反饋信號(hào)變化而共同調(diào)節(jié)的脈沖信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)脈沖，使諧振電路工作在移相控制與PFM控制混合模式，或者將頻率穩(wěn)定而由移相控制信號(hào)單獨(dú)調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)脈沖作為驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)脈沖，使諧振電路工作在移相控制模式；否則，將移相角穩(wěn)定而頻率隨反饋信號(hào)變化的脈沖信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)脈沖，使諧振電路工作在PFM控制模式。
2.如權(quán)利要求1所述的諧振直流/直流變換器的控制方法，其特征是所述步驟A包括如下步驟A1、從負(fù)載電路中采樣反饋電壓；A2、將所述反饋電壓進(jìn)行負(fù)反饋補(bǔ)償運(yùn)算獲得反饋信號(hào)。
3.如權(quán)利要求1所述的諧振直流/直流變換器的控制方法，其特征是所述步驟B中將反饋信號(hào)分別經(jīng)運(yùn)算處理后得到變頻控制信號(hào)和移相控制信號(hào)；所述移相控制信號(hào)的運(yùn)算處理過(guò)程包括與第一參考電壓進(jìn)行比較來(lái)判斷負(fù)載是否工作在輕載或空載狀態(tài)的步驟，所述第一參考電壓根據(jù)所述負(fù)載的電氣特性確定。
4.如權(quán)利要求3所述的諧振直流/直流變換器的控制方法，其特征是所述步驟B中所述變頻控制信號(hào)的運(yùn)算處理過(guò)程還包括與第二參考電壓進(jìn)行比較來(lái)判斷負(fù)載是否工作在近似空載狀態(tài)的步驟，所述第二參考電壓根據(jù)所述負(fù)載的電氣特性確定，并且所述第二參考電壓滿足，若負(fù)載根據(jù)第二參考電壓的判斷工作在近似空載狀態(tài)則根據(jù)第一參考電壓的判斷必然工作在輕載或空載狀態(tài)；所述步驟C中當(dāng)負(fù)載工作在近似空載狀態(tài)時(shí)，即產(chǎn)生頻率穩(wěn)定而由移相控制信號(hào)單獨(dú)調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)脈沖。
5.一種諧振直流/直流變換器，包括驅(qū)動(dòng)電路和諧振電路，所述驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)輸入的驅(qū)動(dòng)脈沖控制諧振電路的輸入開(kāi)關(guān)管，諧振電路在所述驅(qū)動(dòng)電路的控制下將變換后的電源提供給負(fù)載電路，其特征是還包括負(fù)反饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)器，將從負(fù)載電路中采樣的反饋電壓進(jìn)行負(fù)反饋補(bǔ)償運(yùn)算后獲得反饋信號(hào)；甄別器，根據(jù)輸入的反饋信號(hào)判斷負(fù)載電路的負(fù)載狀態(tài)，輸出驅(qū)動(dòng)脈沖調(diào)制信號(hào)；驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器，根據(jù)輸入的驅(qū)動(dòng)脈沖調(diào)制信號(hào)調(diào)制并輸出驅(qū)動(dòng)脈沖如果負(fù)載工作在輕載或空載狀態(tài)，輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率與移相角隨反饋信號(hào)變化而共同調(diào)節(jié)，或者頻率穩(wěn)定而移相角隨反饋信號(hào)變化而單獨(dú)調(diào)節(jié)；否則，輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖的移相角穩(wěn)定而頻率隨反饋信號(hào)的變化而變化。
6.如權(quán)利要求5所述的諧振直流/直流變換器，其特征是所述驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器包括變頻控制電路和變頻控制+移相控制電路；若所述甄別器判斷負(fù)載工作在輕載或空載狀態(tài)，則向變頻控制+移相控制電路輸出驅(qū)動(dòng)脈沖調(diào)制信號(hào)，控制其輸出頻率和移相角隨反饋信號(hào)變化而共同調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)脈沖；否則，則向變頻控制電路輸出驅(qū)動(dòng)脈沖調(diào)制信號(hào)，控制其輸出移相角穩(wěn)定而頻率隨反饋信號(hào)的變化而變化的驅(qū)動(dòng)脈沖；或者所述驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器包括變頻控制電路和移相控制電路，所述變頻控制電路產(chǎn)生頻率由變頻控制信號(hào)控制的變頻脈沖，所述移相控制電路根據(jù)移相控制信號(hào)將所述變頻脈沖進(jìn)行移相控制后輸出驅(qū)動(dòng)脈沖。
7.如權(quán)利要求5所述的諧振直流/直流變換器，其特征是所述甄別器包括第一運(yùn)算電路和和第二運(yùn)算電路，所述運(yùn)算電路設(shè)定有第一參考電壓，所述驅(qū)動(dòng)脈沖調(diào)制信號(hào)包括變頻控制信號(hào)和移相控制信號(hào)；所述反饋信號(hào)經(jīng)第一運(yùn)算電路進(jìn)行運(yùn)算、與第一參考電壓比較后，輸出為移相控制信號(hào)；所述反饋信號(hào)經(jīng)第二運(yùn)算電路進(jìn)行運(yùn)算后輸出為變頻控制信號(hào)；所述第一參考電壓根據(jù)負(fù)載的電氣特性確定，使得當(dāng)負(fù)載工作在輕載或空載狀態(tài)時(shí)，輸出的移相控制信號(hào)隨反饋信號(hào)的變化而變化；反之，則保持穩(wěn)定。
8.如權(quán)利要求6所述諧振直流/直流變換器，其特征是所述移相控制電路是將移相控制信號(hào)與變頻脈沖比較合成后輸出驅(qū)動(dòng)脈沖；或者，所述移相控制電路是將所述變頻脈沖輸入所述移相控制電路的同步端，所述移相控制電路根據(jù)移相控制信號(hào)對(duì)輸入的變頻脈沖進(jìn)行移相控制后輸出驅(qū)動(dòng)脈沖。
9.如權(quán)利要求7所述諧振直流/直流變換器，其特征是所述第二運(yùn)算電路設(shè)定有第二參考電壓；所述反饋信號(hào)經(jīng)第二運(yùn)算電路進(jìn)行運(yùn)算、與第二參考電壓比較后，輸出為變頻控制信號(hào)；所述第二參考電壓根據(jù)負(fù)載的電氣特性確定，使得當(dāng)負(fù)載工作在近似空載狀態(tài)時(shí)，輸出的變頻控制信號(hào)保持穩(wěn)定；反之，則隨反饋信號(hào)的變化而變化；并且所述第二參考電壓滿足，若負(fù)載根據(jù)第二參考電壓的判斷工作在近似空載狀態(tài)則根據(jù)第一參考電壓的判斷必然工作在輕載或空載狀態(tài)。
10.如權(quán)利要求6所述諧振直流/直流變換器，其特征是所述變頻控制電路包括依次連接的壓頻振蕩器和三角波發(fā)生器；所述變頻控制信號(hào)輸入壓頻振蕩器控制其振蕩頻率，所述三角波發(fā)生器輸出頻率受控的變頻脈沖。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種諧振直流/直流變換器及其控制方法，是通過(guò)改變其諧振電路輸入開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，還根據(jù)負(fù)載電路的反饋信號(hào)調(diào)整所述開(kāi)關(guān)管的移相角，使得諧振電路的電壓輸出范圍擴(kuò)展。本發(fā)明并提供采用上述控制方法的諧振直流/直流變換器結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于采用調(diào)頻與調(diào)頻+移相兩種方式來(lái)控制諧振直流/直流變換器，在電源工作頻率較低時(shí)采用調(diào)頻控制，電源工作頻率過(guò)高時(shí)引入調(diào)頻+移相控制方式，解決了諧振變換器的難點(diǎn)問(wèn)題，即輕載和空載時(shí)工作頻率太高和電路損耗過(guò)大的問(wèn)題，極大地增加了諧振電路的輸出電壓調(diào)節(jié)能力，有效擴(kuò)展電壓輸出范圍。
文檔編號(hào)H02M3/24GK101064476SQ20061007980
公開(kāi)日2007年10月31日 申請(qǐng)日期2006年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月30日
發(fā)明者朱春輝, 劉志宇, 趙海舟 申請(qǐng)人:艾默生網(wǎng)絡(luò)能源系統(tǒng)有限公司