CN102447393B - 具有高输入电压动态范围的稳压电源系统 - Google Patents

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Abstract

一种具有高输入电压动态范围的稳压电源系统，具有共享电感(L)降压/升压变压器并具有至少两个可控半导体开关构件(S1，S2)，一个可控半导体开关构件(S1)与所述变压器的降压功能相关联，另一个(S2)与所述变压器的升压功能相关联，其特征在于，使用随所述系统的输入电压而变的控制装置(10)驱动所述可控半导体开关构件中的一个(S2)，所述可控半导体开关构件中的另一个(S1)被与输出电压相关的随动装置(11)连续驱动。

Description

具有高输入电压动态范围的稳压电源系统
本发明涉及具有高输入电压动态范围的稳压电源系统。
更具体地，本发明涉及包括共享电感降压/升压变压器和包括至少两个可控半导体开关构件的电源系统，其中一个可控半导体开关构件与变压器的降压功能相关联而另一个可控半导体开关构件与所述变压器的升压功能相关联。
已知这样的电源系统可以具有三种工作模式，即：降压模式、升压模式和降压/升压模式。
因此这三种工作模式需要使用三种不同实施的控制逻辑以及在这些不同控制逻辑之间的开关。
在现有技术中，可例如监控电源系统的输入和输出之间的电压差并且然后选择最合适的控制法则。这使得可以获得用于降低或提高电压或获得最优输出的期望操作。
该解决方案已经在商业电源系统诸如线性科技(LINEARTECHNOLOGY)LTC3780控制器中实施了。
然后，其具有一些缺点。
因为事实上存在三种工作模式，所有也存在三种实施的控制逻辑。在工作期间，系统大多数时间仅工作于三种模式之一中，如果在其它两种模式之一中控制发生故障，则该故障可能被隐藏。因此存在在标称工作模式中未检测到的、但是能够引起系统在某些转换事件中不可用的潜在故障的可能性。
然而，该系统例如可以在航空应用中实施，在航空应用中可见这样的缺点可能导致严重的问题。
此外，从一种控制模式转换到另一种控制模式的逻辑是基于与磁滞回线的比较进行的。这导致若干缺点，即：转换区域中的工作模式取决于输入电压的行进方向，如果比较的磁滞回线不足够大则存在不稳定的风险，以及工作模式的不连续性风险在转换阶段对输出电压具有影响。
因此本发明的目的是解决这些问题。
为此，本发明涉及一种具有高输入电压动态范围的稳压电源系统，具有共享电感降压/升压变压器并具有至少两个可控半导体开关构件，一个可控半导体开关构件与变压器的降压功能相关联，另一个与变压器的升压功能相关联，其特征在于，使用随系统的输入电压而变的控制装置连续驱动可控半导体开关构件中的一个，可控半导体开关构件中的另一个被与输出电压相关的随动装置连续驱动，可控半导体开关构件的控制装置和随动装置在稳压电压系统的所有工作模式中都起作用。
根据本发明的其它方面，该电源系统包括一个或更多个下列特征：
-由随系统的输入电压而变的控制装置驱动的可控半导体开关构件是与变压器的降压功能相关联的开关构件，
-由随系统的输入电压而变的控制装置驱动的可控半导体开关构件是与系统的升压功能相关联的开关构件，
-随系统的输入电压而变的控制装置使用仿射函数用于控制对应的构件，
-与另一构件的输入电压相关的随动装置使用与设定点有关的随动函数，
-随动装置包括从包括P校正器、PI校正器或PID校正器的组中选择的模拟校正器或数字校正器，
-半导体开关构件的控制装置在电压模式或电流模式下使用控制装置，
-半导体开关构件的控制装置使用正限流装置和/或负限流装置，
-半导体开关构件的控制装置使用可以独立或不独立、不同频率或相同频率、同相或异相的装置。
-控制装置通过脉冲跳变或突发模式使用控制装置。
使用以下作为示例提供并参照附图进行的描述可以更好地理解本发明，其中：
-图1是示出在现有技术的电源系统的组成中包括的变压器的一个实施例的总图，
-图2-8示出该系统在降压模式中的操作，
-图9-15示出该系统在升压模式中的操作，
-图16-21示出该系统在降压/升压模式中的操作，
-图22示出该结构的输出，
-图23示出现有技术的电源系统中实施的不同工作模式之间的转换，
-图24示出根据本发明的电源系统的第一实施例的总图，
-图25示出根据本发明的电源系统的替代实施例的总图，
-图26示出根据本发明的电源系统的应用示例的总图，
-图27示出根据本发明的电源系统的输入和输出命令的关系的总图，以及
-图28和29示出根据本发明的电源系统的其它可能替代方式。
图1事实上示出已知的电源系统(例如在附图中总体由标记1表示的具有高输入电压动态范围的稳压直流电源系统)的实施例。
该电源系统例如可应用于航空领域。该电源系统因此包括共享电感L降压/升压变压器，变压器总体由标记2表示以及共享电感L总体由标记3表示。
电感连接在图中由标记4和5分别表示的两个支路的中点，每个支路分别包括可控半导体开关构件S1和S2以及分别包括整流器R1和R2，可控半导体开关构件S1和S2例如由MOSFET类型晶体管构成，整流器R1和R2可由二极管或可控半导体开关构件构成。因此每个分支包括串联的半导体开关构件和整流器。
半导体开关构件S1放置在对应支路4的上部中，所述支路与输入电压和地之间的容性元件(例如C1)并联连接。
系统的该部分构成变压器的降压部分。
可控半导体开关构件S2放置在支路5的下部中，整流器R2放置在所述支路的上部，所述支路与容性元件C2并联连接并提供系统的输出电压。系统的该部分构成变压器的升压部分。
应当注意容性元件C1和C2用作输入和输出滤波装置。
这样的变压器因此是现有技术中已知的降压/升压类型的DC-DC(直流-直流)转换器。
存在控制该结构工作的三种主要方式。
第一种方式包括把该结构控制在降压模式中。如图2所示，如果不控制构件S2，则该构件S2总是保持断开并且整流器R2连续导通。该结构因此是“降压”类型结构。这样的结构的连续操作流程被分成总持续时间为T(斩波时段)的两个阶段。这两个阶段是α阶段或导通阶段以及β阶段或自由运行阶段。
在图3所示的α阶段或导通阶段中，构件S1导电，使得电感L的两端子处的电压为值VL＝Vin-Vout。
该电压是正的，电感中的电流随时间线性增加，如图4和图5所示。
在β阶段或自由运行阶段中，构件S1断开，如图6所示。为防止电感中的任何电流不连续性，整流器R1变得导通。电感L的两端子处的电压变为负，由此使得流过它的电流降低，如图7和8所示。
如果αbuck指构件S1的循环控制比率，则获得输出电压和输入电压之间的以下关系：Vout＝αbuckVin。
因此变压器降低输入电压。
该系统的第二实施例对应于“升压”模式。
如图9所示，如果构件S1总是受控，则其保持导通并且整流器R1保持连续截止。该结构因此是所谓的“升压”结构。该结构的连续工作流程也分为总持续时间为T(斩波时段)的两个阶段。第一阶段是α阶段或充电阶段，第二阶段是β阶段或自由运行阶段。如图10所示，在α阶段或充电阶段，开关S2导通，使得电感L的两端子处的电压等于值VL＝Vin。
电压是正的，电感L中的电流随时间线性增加，如图11和12所示。
在β阶段或自由运行阶段，如图13所示，构件S2断开。为防止电感L中的任何电流不连续性，整流器R2变为导通。电感L的两端子处的电压变为负，等于VL＝Vin-Vout，由此使得流经电感L的电流降低，如图14和15所示。
如果αboost指构件S2的循环控制比率，则获得输出电压和输入电压之间的以下关系：Vout＝Vin/αboost。
变压器因此提高了输入电压。
该系统的第三工作模式是“降压-升压”模式。
这是通过以同样方式控制构件S1和S2获得的。该结构的连续工作流程也分为总持续时间为T(斩波时段)的两个阶段，即第一阶段α或充电阶段，以及第二阶段β或自由运行阶段。
在图16所示的充电阶段期间，构件S1和S2导通，使得电感L的两端子处的电压为VL＝Vin。该电压是正的，电感中的电流随着时间线性增加，如图17和18所示。
在自由运行阶段，如图19所示，构件S1和S2断开。为防止电感L中的电流不连续性，整流器R1和R2变为导通。电感L的两端子处的电压变为负，等于输出电压的相反值，由此使得流经电感L的电流减小，如图20和21所示。
如果αbuck-boost指构件S1和S2的循环控制比率，则获得输出电压和输入电压之间的以下关系：Vout＝Vinαbuck-boost/[1-αboost]。
取决于分别具有αbuck-boost≥0.5或αbuck-boost≤0.5，变压器提高或降低输入电压。
如果变压器的输入动态范围要求必须提高或降低电压，则该解决方案因此是要把变压器控制在降压-升压模式。
然而，这样的控制的最优输出是当输入电压接近输出电压时，如图22所示。
在现有技术中，解决方案例如包括监控输入和输出之间的电压差并切换控制法则以便获得最合适的可能的法则，即在降压模式，升压模式，或降压/升压模式中，这使得能够获得如图23所示的最优输出。
这样的控制已经在商业控制器(例如，线性技术LTC3780控制器)中实施。
然而如同前面指出的，该解决方案在以下方面具有一定数量的缺点：可能检测不到的潜在故障和与从一个工作模式过渡到另一个工作模式相关的不连续性不稳定性的风险方面。
为了解决这些问题以及在根据本发明的电源系统中，提出根据系统的输入和输出电压来单独并连续地控制构件S1和S2。
这例如示于图24中，其中可识别前面描述的元件，即，容性构件C1、C2，整流器R1、R2，共享电感L以及可控半导体开关构件S1和S2。
事实上，在根据本发明的系统中，这些可控半导体开关构件中的一个被随系统的输入电压而变的控制装置驱动，而另一个被与输出电压相关的随动装置驱动。
这例如示于图24中，构件S2可被总体由标记10表示、随系统的输入电压而变的控制装置驱动，而构件S1可被总体由标记11表示的与输出电压相关的随动装置驱动。
因此该图24描述了第一方案，其包括根据输出电压控制构件S1(即，降压构件)以及根据输入电压控制构件S2(即，升压构件)。
然而如图25所示，也可考虑相反的情况，即，构件S1(降压构件)也可被在该图中总体上由标记12表示的随系统的输入电压而变的控制装置驱动，构件S2(升压构件)可以被在图25中总体由标记13表示的与输出电压相关的随动装置驱动。
下文中αS1＝αbuck指构件S1的循环控制比率，αS2＝αboost指构件S2的循环控制比率。
使得能够调整输出电压的函数G(Vout)可以是与输出电压基准有关的误差校正器，例如由P、PI或PID类型的模拟校正器或数字校正器或其它校正器构成。
使得能够控制另一构件的函数F(Vin)的选择直接调节组件的工作点。事实上，在连续流程中，使组件的输入和输出电压与构件的循环控制比率关联的关系是：Vout×(1-αboost)＝Vin×αbuck。
根据前述函数的结果控制半导体开关构件的PWM(脉宽调制)控制函数，例如可以通过以下实现：
-或者是电压模式控制，因此所得的循环比率与基准成正比，
-或电流模式控制(峰值、中点或谷值)，因此开关中的电流与基准成比例。
因此两个脉宽调制控制块可以使用相同或不同的斩波频率(约数的全部或并非全部)，以及可以同步或可以不同步。
为了把结构的输出调整为低负荷，脉冲跳变或突发模式技术也可被用来控制构件S1或S2或其它整流器(如果它们是可控的话)。
图26给出在航空电子设备电源模块上实施的实施例。
在这种情况下，用变压器的输出电压上的峰值电流随动控制构件S1，同时根据输入电压按照仿射法则来控制构件S2。
在该实施例中，两个构件S1和S2以相同频率斩波，并且同步同相。
对构件S2的开环控制αboost的调节根据以下关系调整从变压器的输出电压的闭环得到的控制αbuck：Vout·(1-αboost)＝Vin·αbuck。
图27示出的曲线图示出用于具有高输入动态范围(例如从8-80伏直流到24伏直流)的变压器的该关系。
因此可见该结构具有某些优点。事实上，不存在工作模式不连续性并且该系统比现有技术的解决方案实施起来更加简单。事实上，仅存在一个控制逻辑并且不用管理转变。
该系统也可用同步整流器工作，在该同步整流器中整流器R1和/或R2是可控半导体开关构件。
此外，在该系统中，在所有工作模式中所有功率和控制元件都起作用，因此也不存在潜在故障的可能性。
最后，该系统结构也可扩展为使用图28和29所示的若干降压/升压块和可以耦合或不耦合的若干电感的多相结构，在图28和29中分别示出输入多相结构和输出多相结构。

Claims (10)

1.一种具有高输入电压动态范围的稳压电源系统，具有共享电感(3)降压/升压变压器(2)并具有至少两个可控半导体开关构件(S1，S2)，一个可控半导体开关构件(S1)与所述变压器的降压功能相关联，另一个(S2)与所述变压器的升压功能相关联，其特征在于，使用随所述系统的输入电压而变的控制装置(10，12)连续驱动所述可控半导体开关构件中的一个，所述可控半导体开关构件中的另一个被与输出电压相关的随动装置(11，13)连续驱动，所述可控半导体开关构件(S1，S2)的所述控制装置(10，12)和所述随动装置(11，13)在所述稳压电源系统的所有工作模式中都起作用，并且所述稳压电源系统的开关构件的循环控制比率在所述稳压电源系统的所有工作模式中都大于0且小于1。
2.根据权利要求1所述的具有高输入电压动态范围的稳压电源系统，其特征在于，由随所述系统的输入电压而变的控制装置(12)驱动的可控半导体开关构件是与所述变压器的降压功能相关联的开关构件(S1)。
3.根据权利要求1所述的具有高输入电压动态范围的稳压电源系统，其特征在于，由随所述系统的输入电压而变的控制装置(10)驱动的可控半导体开关构件是与所述变压器的升压功能相关联的开关构件(S2)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的具有高输入电压动态范围的稳压电源系统，其特征在于，随所述系统的输入电压而变的所述控制装置(10，12)使用仿射函数用于控制对应的构件。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的具有高输入电压动态范围的稳压电源系统，其特征在于，与所述另一构件的输出电压相关的所述随动装置(11，13)使用与设定点有关的随动函数。
6.根据权利要求5所述的具有高输入电压动态范围的稳压电源系统，其特征在于，所述随动装置包括从包括P校正器、PI校正器或PID校正器的组中选择的模拟校正器或数字校正器。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的具有高输入电压动态范围的稳压电源系统，其特征在于，所述半导体开关构件的所述控制装置在电压模式或电流模式下使用控制装置。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的具有高输入电压动态范围的稳压电源系统，其特征在于，所述半导体开关构件的所述控制装置使用正限流装置和/或负限流装置。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的具有高输入电压动态范围的稳压电源系统，其特征在于，所述半导体开关构件的所述控制装置使用可以独立或不独立、不同频率或相同频率、同相或异相的装置。
10.根据权利要求9所述的具有高输入电压动态范围的稳压电源系统，其特征在于，所述控制装置通过脉冲跳变或突发模式使用控制装置。
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