CN102025284B - 交错式脉波宽度调变控制的电力模块系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一种交错式脉波宽度调变控制电力模块系统及其操作方法，该电力模块系统包含至少两个电力模块，且每一电力模块具有一特定的识别号码。首先设定识别号码极值的该电力模块为主电力模块，设定其余电力模块为从电力模块。该主电力模块将该同步参考信号传送至所有从电力模块，且每一从电力模块执行对一相位偏移量的锁相运算，其中每一该从电力模块有不同的相位偏移量。该锁相运算是使每一该从电力模块输出一频率切换信号，其中该频率切换信号与该同步参考信号与该相位偏移量的相加结果同步。每一电力模块的该数字信号处理器输出该频率切换信号以控制一对应的脉波宽度调变控制信号。

Description

交错式脉波宽度调变控制的电力模块系统及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种脉波宽度调变控制的电力模块及其操作方法，尤其涉及一种利用锁相回路达到交错式脉波宽度调变控制的电力模块系统及其控制方法。 

背景技术

由于现今电子产品逐渐朝高功率、高传输速率、小型化方向发展，使得电路组件的分布密度增加、电路的体积大大地缩小。因此，随着电路变得越精巧，则会有更多的组件布线(layout)在狭窄的空间内，而增加了干扰的机会。其中，以电磁干扰(Electromagnetic interference，EMI)是为最令人感到困扰，长久以来一直是电子装备及系统在设计上的一大盲点。 

电磁干扰的抑制对象主要分为辐射性电磁干扰(Radiated EMI)与传导性电磁干扰(Conducted EMI)。其中，辐射性电磁干扰主要是直接经由开放空间传递，不需要经由任何传输介质，故一般仅能以遮蔽(Shielding)、接地(Grounding)等方式来解决。而传导性电磁干扰，主要是由于电子电路内功率半导体组件的切换动作所产生。并且，传导性电磁干扰是经由电源导线来传递噪声，因此连接在同一个电力系统的电气装置所产生的电磁干扰会经由电源导线而彼此相互干扰。故此，为抑制切换的高频瞬间电流信号经由交流电源导线进入电源网络而干扰其它共同使用同一电源网络上的装置的正常工作，通常会在电子电路与交流电源之间加上电磁干扰滤波器(EMI filter)。电磁干扰滤波器能有效地抑制电路噪声，提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性，可广泛地应用于电子测量仪器、计算机机房设备、开关电源、测控系统…等等领域。 

现有的脉波宽度调变控制功率系统须针对每一个电力模阻(power module)设立一电磁干扰滤波器以降低涟波，然而这样会造成模块扩充的困难及成本的增加。 

美国专利US 5,861,734揭露一种用于转换器电路(converter circuit)的控制系统。其中，该转换器电路是为两组交错式升压电路所组成，并且，通过该控 制系统对该两组相位相差为180°的交错式(interleaved)升压电路的转换器开关(converter switch)进行控制。该控制系统主要是由一脉波宽度调变控制器(PWM controller)、一电流放大与滤波电路(current amplifier and filtering circuit)及一电压反馈控制电路(voltage feedback control circuit)组成。该脉波宽度调变控制器是根据该电流放大与滤波电路所产生的一电流信号，以及该电压反馈控制电路所产生的一反馈电压，做为该脉波宽度调变控制器的输入，进而控制该两组交错式升压电路的转换器开关。因此，仅需使用单一个脉波宽度调变控制器即可达到调整该转换器电路的输出电压、负载电流的大小，而实现同步(synchronization)控制及均流(current sharing)功能并能改善该转换器电路的输入功率因子(power factor)的目的。 

若现有的该转换器电路应用于更多组交错式升压电路的控制，则功率半导体组件的切换动作势必大大地增加，也会伴随产生严重的传导性电磁干扰。因此，除了增加电磁干扰滤波器的使用组件之外，也将造成该些电磁干扰滤波器在扩充上的困难。此外，若两组交错式升压电路其中有一组发生故障，将无法正常地通过该脉波宽度调变控制器提供同步控制及均流功能的操作。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种交错式脉波宽度调变控制的电力模块系统及其控制方法，能使多个电力模块能自行判断交错式操作时的相位偏移量，且能自行判断哪一个电力模块作为主功率模块，以增加同步控制的强韧性的问题。 

为了解决上述问题，本发明提供一种交错式脉波宽度调变控制的电力模块系统，其包含一通讯接口、交流对直流转换器及一数字信号处理器。该通讯接口是用以接收并传送一同步参考信号，作为该主电力模块与该些从电力模块互相通讯的接口。该交流对直流转换器是转换一交流电压到一直流电压。该数字信号处理器是分别连接该通讯接口及该交流对直流转换器，提供模拟信号的数字化处理，其包含一锁相回路(PLL)单元及一脉波宽度调变(PWM)产生单元。该锁相回路(PLL)单元是接收该同步参考信号，并加上一识别号码PM_id相对应的相位偏移量，执行负反馈的锁相运算，以产生一频率切换信号。该脉波宽度调变(PWM)产生单元是连接该锁相回路单元，并接收该锁相回路所输出的该频率切换信号，以产生一脉波宽度调变控制信号，以驱动所对应的该交流对直流转换器。

为了解决上述问题，本发明还提供一种电力模块系统的操作方法，该电力模块系统包含至少两个电力模块，且每一电力模块具有一特定的识别号码。首先设定识别号码极值的该电力模块为主电力模块，设定其余电力模块为从电力模块。该主电力模块将该同步参考信号传送至所有从电力模块，且每一从电力模块执行对一相位偏移量的锁相运算，且每一该从电力模块有不同的相位偏移量。该锁相运算是使每一该从电力模块输出一频率切换信号，其中该频率切换信号与该同步参考信号与该相位偏移量的相加结果同步。每一电力模块的该数字信号处理器输出该频率切换信号以控制一对应的脉波宽度调变控制信号。 

为此，本发明的功效在于，交错式脉波宽度调变控制的电力模块系统及其操作方法，可达到该电力模块系统的完全交错控制、较弹性的扩充性并控制的强韧性，并且降低功率半导体组件的切换动作，而可减低电磁干扰(EMI)抑制组件及输入与输出电容，进而降低成本。 

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。 

附图说明

图1A所示为依据本发明一较佳具体实例的电力模块系统； 

图1B说明本发明电力模块的内部示意图； 

图2本发明电力模块系统的操作流程图； 

图3本发明多个电力模块同步操作的较佳实施例的示意图； 

图4本发明的该些从电力模块相位偏移量运算的示意图；及 

图5说明本发明锁相回路单元操作流程图。 

其中，附图标记 

12交流电源 

14电感 

16电容 

20数字信号处理器 

22        锁相回路(PLL)单元 

24        脉波宽度调变(PWM)产生单元 

30        通讯接口单元 

32        交流对直流转换器 

PM        电力模块 

PM_m      主电力模块 

PM_s      从电力模块 

PM_id     识别号码 

PM_s1     第一从电力模块 

PM_s2     第二从电力模块 

PM_s3     第三从电力模块 

PM_s4     第四从电力模块 

PM_s5     第五从电力模块 

sync_ref  同步参考信号 

S10～S18  步骤 

具体实施方式

有关本发明的技术内容及详细说明，配合图式说明如下： 

图1A所示为依据本发明一较佳具体实例的电力模块系统，其中交流电源12经由电磁干扰滤波器(包含电感14及电容16)而供应到多个电力模块(powermodule)。该些电力模块包含一主电力模块(master power module)PM_m及至少一从电力模块(slave power module)PM_si，i＝1，2...。并且，该些电力模块是各自具有一识别号码PM_id，作为相位偏移量(phase offset)运算的根据。该些从电力模块PM_s的脉波宽度调变控制信号受到该主电力模块PM_m控制且彼此交错，该些电力模块的输出电压是供应到一输出端18。 

由于每一电力模块具有类似的硬件，因此先就单一从电力模块PM_s1说明其硬件。请参见图1B，说明本发明电力模块的内部示意图。每一电力模块PM是包含一通讯接口(communication interface)单元30、一交流对直流转换器(ac-dc converter)32、及一数字信号处理器(digital signal processor，DSP)20。该通讯接口单元30是用以接收并传送一同步参考信号sync_ref，作为该主电力 模块PM_m与该从电力模块PM_s1互相通讯的接口。该交流对直流转换器32是转换一交流电压到一预定直流电压。该数字信号处理器20是分别连接该通讯接口单元30及该交流对直流转换器32，用以产生脉波宽度调变控制信号，以驱动该交流对直流转换器32。其中，该数字信号处理器20还包含一锁相回路(PLL)单元22及一脉波宽度调变(PWM)产生单元24。该锁相回路单元22是接收该同步参考信号sync_ref，并加上一识别号码PM_id相对应的相位偏移量，执行负反馈的锁相运算，以产生一频率切换信号。该脉波宽度调变产生单元24是连接该锁相回路单元22，并接收该锁相回路单元22所输出的该频率切换信号，以作为该脉波宽度调变产生单元24的输入频率，用以产生一脉波宽度调变控制信号，以驱动所对应的该交流对直流转换器32的一晶体管开关(未标号)。 

请参见图2，本发明电力模块系统的操作流程图。当系统开机启动时，每一电力模块PM会判断是否接收到一同步参考信号sync_ref(S10)；其中，该些电力模块PM皆各自具有一识别号码PM_id。 

若在步骤S10每一电力模块PM皆未收到同步参考信号sync_ref，系统定义识别号码PM_id极值(例如PM_id为最大或是最小)的该电力模块PM为该主电力模块(master power module)PM_m，而其余的该些电力模块PM则被系统视为从电力模块(slave power modules)PM_s(S12)。然后，由该主电力模块PM_m依序送出一同步参考信号sync_ref至每一该些从电力模块PM_s(S14)。然后，该主电力模块PM_m及该些从电力模块PM_s是根据所接收到的该同步参考信号sync_ref及配合本身的识别号码的顺序执行相位偏移量的锁相(phase lock)运算(S16)。 

最后，每一该些电力模块PM的该数字信号处理器20的一脉波宽度调变产生单元24，是根据所对应的锁相运算结果，产生一脉波宽度调变控制信号，以驱动所对应的该交流对直流转换器的该晶体管开关(S18)，而形成交错式脉波宽度调变控制架构。 

值得一提，当系统确认该主电力模块PM_m为识别号码PM_id极值的该电力模块PM时，该主电力模块PM_m的识别号码PM_id会被纪录下来，以做为下次系统开机启动时，自动预设具该识别号码PM_id的该电力模块PM为该主电力模块PM_m，以负责发送该同步参考信号sync_ref至每一该些从电力 模块PM_s。因此在图2的步骤S10，每一从电力模块PM_s皆可收到同步参考信号sync_ref，在此情况下，即会直接进行步骤S16。 

若该主电力模块PM_m在尔后系统开机启动时发生异常，则系统会再以现有(未异常)的该些电力模块PM，依其识别号码PM_id，重新定义一识别号码PM_id极值的该电力模块PM为该主电力模块PM_m。上述的该识别号码极值是可为最小的该识别号码PM_id，亦可为最大的该识别号码PM_id，不可以任一者为限，皆在本发明请求保护范围内。再者，该些运算皆在该电力模块内部的该数字信号处理器(digital signal processor，DSP)实现。至于上述的操作步骤，将在后文以举例方式详细说明如后。 

图3分别为本发明多个电力模块同步操作的较佳实施例的示意图。以六个电力模块为例，说明实际该些电力模块操作流程，并且实际的该些电力模块的信号处理皆由该些电力模块内部的该些数字信号处理器(digital signal processor，DSP)实现。在本实施例中具有6个电力模块PM，并且，每一个电力模块PM皆具有一识别号码PM_id(即PM_id＝1，PM_id＝2，...，PM_id＝6)。在本实施例中同步参考信号sync_ref为54KHz。 

在本实施例中，以设定最小的识别号码的该电力模块为主电力模块为例说明，亦即，该识别号码PM_id为1的该电力模块PM是被系统定为为该主电力模块(master power module)PM_m，而其余的该些电力模块PM则被系统视为从电力模块(slave power modules)PM_s，即识别号码PM_id分别为2，3，4，5，6的该些电力模块PM，则依序被系统视为该第一从电力模块PM_s1(PM_id＝2)、该第二从电力模块PM_s2(PM_id＝3)，...，及该第五从电力模块PM_s(PM_id＝6)。上述的该些从电力模块PM_s的顺序定义，不可以此为限，皆在本发明请求保护范围内。 

然后，通过一通讯接口(communication interface)CI分别依序传送所接收的该同步参考信号sync_ref至每一该些从电力模块PM_s(即由第一从电力模块PM_s1至第二从电力模块PM_s2，...，一直到该第五从电力模块PM_s5)。该通讯接口CI是可为一控制局域网络(controller area network，CAN)接口。该控制局域网络为一序列总线，可利用接在网络上的设备直接互相通讯，以提供高安全等级及有效率的实时控制。 

当该些电力模块PM的主、从(master/slave)关系及顺序定义确认后，并该 些从电力模块PM_s皆接收到该同步参考信号sync_ref后，接着，该些从电力模块PM_s是根据所接收到的该同步参考信号sync_ref，再配合本身的识别号码PM_id的顺序执行相位偏移量(offset)的运算，使得该第一从电力模块PM_s1、该第二从电力模块PM_s2，...，到该第五从电力模块PM_s5分别对应到不同的相位偏移量(offset)，如此，该些从电力模块PM_s是依照本身的切换频率(switching frequency)再加上所产生的对应相位偏移量(offset)，以提供精确相位交错的锁相控制(interleaved phase-locked control)。至于上述的相位偏移量(offset)的运算，将详细说明如后。 

最后，每一该些电力模块PM的该数字信号处理器20的一脉波宽度调变(pulse width modulation，PWM)产生单元24，是根据所对应的锁相运算结果，产生一脉波宽度调变控制信号，以驱动所对应的该交流对直流转换器32的该晶体管开关，而形成交错式脉波宽度调变控制架构。 

最后，每一该些电力模块PM的该数字信号处理器20的一脉波宽度调变(pulse width modulation，PWM)产生单元24，是根据所对应的锁相运算结果，产生一脉波宽度调变控制信号，以驱动所对应的该交流对直流转换器32的该晶体管开关，而形成交错式脉波宽度调变控制架构。 

请参见图4，本发明的该些从电力模块相位偏移量运算的示意图。如之前所述，该主电力模块PM_m通过该通讯接口CI分别依序该同步参考信号sync_ref，(在本实施例中，该同步参考信号sync_ref为54KHz)至每一该些从电力模块PM_s。其中，该同步参考信号sync_ref的频率变化量是先被限制在一预定上下限频率误差值内(在本实施例中，该上下限频率误差值设定为±0.1％)以提供后续精确的锁相回路运算所需要的同步参考信号基准。并且，该些从电力模块PM_s是依照本身的识别号码PM_id顺序，分别产生一预定相位偏移量Fo，然后，该相位偏移量Fo并与经过频率限制的该同步参考信号sync_ref进行相位相加运算后，做为该锁相回路单元22的一输入信号Fp。并且，每一该些从电力模块PM_s的该锁相回路单元22接收到的输入信号Fp相位是经过本身的该锁相回路进行负反馈运算，将其输出端的信号频率及相位锁定在该锁相回路接收到的输入信号Fp的频率及相位上，以产生该脉波宽度调变产生器所需要的切换频率，以提供精确相位交错的锁相控制(interleaved control)，因此使电力模块的脉波宽度调变控制信号的中心点是彼此错开。 

配合图3所述的实施例为例：在本实施例中，具有6个电力模块PM，其中包含一个主电力模块PM_m以及五个从电力模块PM_s。假若，该主电力模块PM_m是为识别号码PM_id为1的该电力模块PM，故此，该些电力模块PM(识别号码PM_id分别为2，3，4，5，6)则被系统视为从电力模块PM_s，即分别第一从电力模块PM_s1、第二从电力模块PM_s2，...，及第五从电力模块PM_s5。该第一从电力模块PM_s1、该第二从电力模块PM_s2，...，及第五从电力模块PM_s5即依照本身的识别号码PM_id顺序，分别产生一相位偏移量Fo，并与该经过频率限制的该同步参考信号sync_ref进行相位相加运算后，做为该锁相回路单元的频率与相位输入。 

换言之，该第一从电力模块PM_s1的该锁相回路单元接收到的一输入信号Fp相位为该同步参考信号sync_ref(54KHz)加上该相位偏移量Fo(即Fp＝sync_ref+Fo)；该第二从电力模块PM_s2的该锁相回路单元接收到的一输入信号Fp相位为该同步参考信号sync_ref(54KHz)加上两倍该相位偏移量Fo(即Fp＝sync_ref+2*Fo)；依此类推，故此，该第五从电力模块PM_s5的该锁相回路单元接收到的一输入信号Fp相位为该同步参考信号sync_ref(54KHz)加上五倍该相位偏移量Fo(即Fp＝sync_ref+5*Fo)。并且，每一该些从电力模块PM_s的该锁相回路单元接收到的输入信号Fp相位是经过本身的该锁相回路进行负反馈运算，将其输出端的信号频率及相位锁定在该锁相回路接收到的输入信号Fp的频率及相位上。 

通过该些从电力模块PM_s的该相位偏移量Fo运算以及所对应的该锁相回路进行相位锁定，如此，使得该第一从电力模块PM_s1、该第二从电力模块PM_s2，...，到该第五从电力模块PM_s5分别对应到不同的相位偏移量。并且，该些从电力模块PM_s是依照该同步参考信号sync_ref作为本身的切换频率再加上所产生的对应相位偏移量，以提供精确相位交错的锁相控制(interleavedcontrol)。 

此外，若以设定最大的识别号码的该电力模块为主电力模块为例，其相位偏移量运算过程和前述的实施例相同，在此不再赘述，仅有定义识别号码PM_id最大的该电力模块PM为该主电力模块PM_m，而其余的该些电力模块PM则被系统视为从电力模块PM_s的差异。 

参见图5，为说明本发明锁相回路单元操作流程图，在每次中断时(S30)， 锁相回路单元都会重新定义其误差信号PLL_Err为其输出端的频率切换信号相位减去一输入信号Fp相位(亦即同步参考信号sync_ref+对应相位偏移量)(S32)。随后锁相回路单元比较该误差信号PLL_Err是否在一允许范围内(S34)，若是，则用较小的偏移率(Slew rate)调整误差信号PLL_Err(S36a)；若否，则用较大的偏移率调整误差信号PLL_Err(S36b)。随后分别参照偏移过的误差信号PLL_err调整其输出端的频率切换信号的频率(PWM Freq)(S38a，S38b)，以使其输出端的信号可和输入信号Fp可以同步。由于此部分的详细运作随软件设计有不同变化，因此在此不再详述。 

综上所述，本发明具有以下的优点： 

1、该些电力模块皆各自具有一识别号码，可分别对应到不同的相位偏移量，因此可达到该电力模块系统的完全交错控制。 

2、该些电力模块可利用该通讯接口达到多个电力模块的直接互相通讯，因此该电力模块系统具有弹性的扩充性。 

3、由于任意一个该电力模块皆可作为主电力模块(master power module)来传送该同步参考信号，可增加该电力模块系统的强韧性。 

4、借由该些电力模块彼此间受到交错控制，可以降低输入与输出的涟波电流量，而可减少AC侧输入端(例如市电端)电磁干扰(EMI)抑制组件及输入与输出电容，进而降低成本。 

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。 

Claims (9)

1.一种交错式脉波宽度调变控制的电力模块系统，包含至少两个电力模块，其中该些电力模块具有一个主电力模块及其余为从电力模块，其特征在于，每一该电力模块包含：

一通讯接口，用以接收并传送一同步参考信号，作为该主电力模块与该些从电力模块互相通讯的接口；

一交流对直流转换器；及

一数字信号处理器，分别连接该通讯接口及该交流对直流转换器，该数字信号处理器包含：

一锁相回路单元与一脉波宽度调变产生单元；

其中，每一该从电力模块的该锁相回路单元接收一相位值，该相位值为一特定相位偏移量与该从电力模块所对应的识别号码相乘，再与该同步参考信号相加的结果，执行负反馈的锁相运算，以产生一频率切换信号，其中该频率切换信号的频率和相位锁定在该相位值的频率和相位上；及

其中，每一该从电力模块的该脉波宽度调变产生单元连接该锁相回路单元，并接收该锁相回路单元所输出的该频率切换信号，用以产生一脉波宽度调变控制信号，以驱动所对应的该交流对直流转换器。

2.根据权利要求1所述的交错式脉波宽度调变控制的电力模块系统，其特征在于，该些电力模块的脉波宽度调变控制信号中心点为彼此错开。

3.根据权利要求1所述的交错式脉波宽度调变控制的电力模块系统，其特征在于，该通讯接口为控制局域网络接口。

4.根据权利要求1所述的交错式脉波宽度调变控制的电力模块系统，其特征在于，该从电力模块为多个，且有不同的信号相位偏移量，该信号相位偏移量为该特定相位偏移量与该从电力模块所对应的识别号码相乘的结果。

5.一种电力模块系统的操作方法，该电力模块系统包含至少两个电力模块，且每一电力模块具有一特定的识别号码及一数字信号处理器，其特征在于，该方法包含：

(a)设定识别号码极值的电力模块为主电力模块，及设定其余电力模块为从电力模块；

(b)该主电力模块将一同步参考信号送至所有从电力模块；

(c)每一从电力模块的该数字信号处理器的一锁相回路单元执行对一相位偏移量的锁相运算，该锁相运算使每一该从电力模块输出一频率切换信号，且每一从电力模块的该锁相回路单元接收一相位值，该相位值为该相位偏移量与该从电力模块所对应的识别号码相乘，再与该同步参考信号相加的结果，其中该频率切换信号的频率和相位锁定在该相位值的频率和相位上；及

(d)每一从电力模块的该数字信号处理器输出该频率切换信号以控制一对应脉波宽度调变控制信号。

6.根据权利要求5所述的电力模块系统的操作方法，其特征在于，若系统开机启动时发生异常，则系统会再以现有的该些电力模块，依其识别号码，重新定义一识别号码极值的该电力模块为该主电力模块。

7.根据权利要求5所述的电力模块系统的操作方法，其特征在于，该些电力模块的脉波宽度调变控制信号的中心点为彼此错开。

8.根据权利要求5所述的电力模块系统的操作方法，其特征在于，该识别号码极值为最小的该识别号码。

9.根据权利要求5所述的电力模块系统的操作方法，其特征在于，该识别号码极值为最大的该识别号码。

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