CN103828210A - 开关转换器和用于调节开关转换器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于调节准谐振运行中的开关转换器的方法，其中为用于确定开关元件（S）的关断时刻的PMW控制器（1）预给定感测电压（U6），其中所述开关元件（S）的接通时刻还落在施加在关断的开关元件（S）上的振荡电压（U1）的谷（V1，V2，V3，V4）中，并且其中在每一个在关断过程之后出现的谷（V1，V2，V3，V4）处减小所述感测电压（U6）。此外，本发明涉及一种用于准谐振切换的开关转换器，其中给用于确定关断时刻的PMW控制器（1）输送感测电压（U6）和调节器输出电压（UReg），其中还设置有用于确定接通时刻的谷切换调节装置（３），并且其中在谷识别回路的输出端上的信号被输送给用于减小感测电压（U6）的电路。因此，在每一个负载处达到稳定的运行点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于调节准谐振运行中的开关转换器的方法，其中为用于确定开关元件的关断时刻的PMW控制器预给定感测电压，并且其中所述开关元件的接通时刻落在施加在关断的开关元件上的振荡电压的谷中。此外，本发明涉及一种用于准谐振切换的开关转换器，其中给用于确定关断时刻的PMW控制器输送感测电压和调节器输出电压，并且其中设置用于确定接通时刻的谷切换调节装置。
背景技术
开关元件（例如场效应晶体管）、变压器或电抗器包含寄生电容，所述寄生电容在转换器硬切换的情况下导致开关损耗。在转换器硬切换的情况下，在不连续模式（DCM）中的死区时间期间，具有转换器主绕组的寄生电容在输入电压或中间回路电压附近振荡。寄生电容上的电压随着振荡变化，但具有连续显著的值。如果在下一个时钟循环中开关元件接通，则寄生电容器通过晶体管被放电并且在此产生高的电流尖峰。因为所述高的电流尖峰在开关元件上施加高电压时出现，所以所述高电压产生开关损耗。此外，电流尖峰谐波丰富，这增加了EMI（电磁干扰）。
替代于用固定的时钟切换，在准谐振切换的情况下借助识别回路有效地检测开关元件的漏极-源极电压的最小值（也称作“谷”），并且仅仅在这个时刻接通开关元件。由此，接通电流尖峰被最小化，因为寄生电容被充电到最小电压上。这种类型的切换一般称作谷切换、过零切换或准谐振切换。这导致在转换器硬切换情况下出现的开关损耗和干扰辐射的减小。由于谐振回路仅仅在开关转变期间用在否则常规的矩形信号转换器上，所以将这种切换称作准谐振的。
下面，将施加在关断的开关元件上的振荡电压的每一个最小值称作为“谷”。在开关循环期间在时间上首先出现的最小值称作为“第一谷”。对随后的谷根据其时间顺序编号，即第二谷、第三谷等等。
在谷期间接通引起周期开始的连续重置（脉冲复位）并且因此与负载或中间回路电压无关地在该时刻引起开关频率的匹配。该运行方式开始于连续导通模式（CCM）和非连续导通模式（DCM）之间的边界，并且在非连续导通模式中完全生效。
对于始终在同一谷期间（例如始终在第一谷处）接通的情况，开关频率随着下降的负载而上升，直至在空载运行中达到最大频率。然而，随着频率上升，开关损耗也上升，因为每时间单元发生更多带来损耗的开关过程。
为了避免在低负载时过高的开关频率，通常将接通时刻置于稍后的谷上（例如置于第二谷上）。在此，跳跃式的变换是不利的，其引起调节的不稳定状态。为了调节恒定的输出电压，在这种具有每一个开关循环的转变区域中在两个谷之间来回跳跃。该效应也称作“谷跳跃（Valley-Skipping）”。这种调节器振荡大多是可听见的，并造成较高的损耗功率。
发明内容
本发明所基于的任务是，针对开始时提到的类型的方法和开关转换器说明相对于现有技术的改善。
根据本发明，所述任务通过根据权利要求1所述的方法和根据权利要求6所述的开关转换器来解决。在从属权利要求中说明改进方案。
在此，为了避免在每一次在关断过程之后出现的谷处的谷跳跃，减小感测电压。当在第一谷中接通开关转换器时，在开关元件的关断状态中无该措施的情况下保持恒定的感测电压相应地在一个开关循环期间减小一次。如果在第二谷中接通，则感测电压减小两次。在第三谷中接通时，出现感测电压的三次减小，等等。
随着每一次减小，电压水平下降，在接通的开关元件中感测电压从该电压电平开始上升。当感测电压到达借助调节器输出电压确定的值时，PWM控制器关断。利用不变的调节器输出电压，减小的感测电压相应地导致稍后关断。因此，由开关转换器传输的功率上升。
一旦由于预给定的功率减小而达到最大允许的开关频率，谷切换调节装置就引起开关元件在稍后的谷处接通。同时开关频率下降，因为开关元件的关断时间延长了施加在关断的开关元件上的振荡电压的周期持续时间。基于根据本发明的措施，下降的开关频率没有导致功率减小。更确切地，由于减小的感测电压引起的稍后的关断导致功率上升。开关转换器的电压调节器通过调节器输出电压的下降来补偿该功率上升。因此，没有发生跳回至先前的谷。通过相同的方式避免在功率上升的情况下的谷跳跃。一旦预给定的功率上升导致在先前的谷处接通，由于根据本发明的干预，所传输的功率下降。电压调节器增大调节器输出电压直至达到预给定的功率，而不会跳回至稍后出现的谷。
在一个有利的改进方案中，在每一个出现的谷中减小辅助电压，并且通过辅助电压和与通过开关元件的电流成比例的测量电压的相加来求感测电压。通过这种方式提供了感测电压的简单的减小。
此外，在此有利的是，借助模拟计数器从谷识别回路的输出信号中求辅助电压，所述辅助电压在每一个出现的谷处减小。模拟计数器通过以下方式对在开关循环期间出现的谷计数：在每一个出现的谷处实现电压减小。
此外，更有利地规定：借助过零识别装置探测施加在辅助绕组上的电压的过零点，并且借助模拟计数器从结果得到的过零信号中求在每一个出现的谷处减小的辅助电压。
此外，一种有利的方法规定，在每一个开关循环之后借助施加在PWM控制器的控制输出端上的开关信号重置模拟计数器。
在根据本发明的开关转换器中，在用于减小感测电压的电路的谷识别回路的输出端上输送该信号。
在此有利的是，谷识别回路被实现为过零识别装置，施加在辅助绕组上的电压被输送给所述过零识别装置。
一种改进方案规定：用于减小感测电压的电路包括模拟计数器和加法器，在谷识别回路的输出端上的信号被输送给模拟计数器，并且在模拟计数器的输出端上的辅助信号和与通过开关元件的电流成比例的测量电压被输送给加法器。通过这种方式，确保了具有少量构件的简单结构。
对于简单的复位过程，施加在PWM控制器的控制输出端上的开关信号被输送给模拟计数器，以便引起在每一个开关循环之后模拟计数器的重置。
附图说明
下面，以示例性的方式参考附图解释本发明。其中：
图1以示意图示出根据现有技术的功率图；
图2以示意图示出根据本发明的功率图；
图3以示意图示出根据现有技术的开关转换器框图；
图4以示意图示出根据本发明的开关转换器的框图；
图5以示意图示出具有模拟计数器和加法器的框图。
具体实施方式
在图1中可以看出目前为止的开关转换器的问题。在开关转换器的输出端处的负载增大的情况下，调节器输出电压UReg上升，并且因此所传输的功率P上升。同时，开关频率f下降。当开关频率f到达预给定的最小值时，谷切换调节装置3从例如第四谷V4切换到例如第三谷V3。由此，开关频率f并且因此开关转换器的所传输的功率P跳跃式上升。为了均衡功率上升，电压调节器6重新回调，其方式是减小调节器输出电压UReg。由此，开关频率f上升。如果开关频率f达到预给定的最大值fmax，则谷切换调节装置3重新从第三谷V3变换到第四谷V4。由此，频率f并且因此所传输的功率P跳跃式下降。调节器6随后再次预给定更高的调节器输出电压UReg。该过程周期性重复，发生具有5-15kHz的典型的振荡频率的极限循环振荡。不能借助根据现有技术的开关转换器和方法稳定地启动用阴影示出的功率区域。
图2示出具有在两个谷之间交替时根据本发明的干预的图示。如果连接在输出端上的负载上升，则调节器输出电压UReg并且因此开关变换器的所传输的功率P也上升。在此开关频率f下降。一旦开关频率f达到预给定的最小值fmin，谷切换调节装置3就从例如第四谷V4转换到例如第三谷V3。由此，开关频率f跳跃式上升。然而，通过根据本发明地干预电流测量，由开关转换器传输的功率P下降。因此，调节器输出电压UReg增大，直至达到所期望的传输的功率P。
如果输出端上的负载降低，则调节器输出电压UReg下降并且因此所传输的功率P也下降。开关频率f上升。如果开关频率f达到预给定的最大值fmax，则谷切换调节装置3从例如第三谷V3变换到例如第四谷V4。在此，频率f跳跃式下降。然而，由于根据本发明的对电流测量的干预，所以开关转换器的所传输的功率P上升。由此，调节器6降低调节器输出电压UReg，直至达到所期望的传输的功率P。
通过根据本发明的干预，电压调节器6不仅在负载上升的情况下而且在负载下降的情况下始终能够达到稳定的运行点。
在从例如第四谷V4出发负载增大的情况下，调节器输出电压UReg上升，直至达到稳定的运行点1。
如果输出端上的负载从例如第三谷V3出发下降，则调节器输出电压UReg下降，直至达到稳定的运行点2。
图3示出一种常规的开关转换器。变压器T1包括初级侧的主绕组W1和辅助绕组W3。通过次级侧的绕组W3输出能量到开关转换器的输出端上。
设置在初级侧的PWM控制器1包括频率发生器，该频率发生器借助锯齿波电压生成PWM信号。在此，在频率发生器的上升沿开始时通过控制输出端OUT接通开关元件S。
给PWM控制器1输送开关调节器6的调节器输出电压UReg。借助比较器将电压UReg或与其成比例的电压与感测电压进行比较。感测电压在此说明通过开关元件S的电流。一旦感测电压超过比较电压UReg，比较器就翻转并且开关元件S通过控制输出端OUT被关断。
在图4中示出用于根据本发明地干预电流测量的示例性结构。在此，使用本身已知的谷切换调节装置3。
施加在关断的开关元件S上的电压U1主要在开关元件S的输出电容与主绕组W1之间以足够恒定的衰减频率振荡。借助辅助绕组W2产生施加在关断的开关元件S上的振荡电压的映像，其中该振荡电压的平均值等于值0伏特。辅助绕组W2的电压作为输入信号输送给过零识别装置2，在该过零识别装置的输出端上施加过零信号U2。过零识别装置2
－利用将输入信号与0伏特比较的比较器，或
－利用将输入信号与正电压或负电压比较并且通过这种方式超前或者滞后地产生过零信号U2的比较器，或
－利用简单的晶体管电路，或
－利用具有非常小的延迟的优点的CMOS门，或
－利用对衰减频率进行采样和计算出过零点的数字电路
来工作。
过零信号U2输送给谷切换调节装置3并且引起始终在施加在关断的开关元件S上的电压U1的谷中接通开关元件S。在接通时，绕组材料被充磁。
附加地，过零信号U2输送给模拟计数器4。在开关元件S关断时，模拟计数器4被重置。具体而言，利用PWM控制器1的控制输出端OUT上的下降沿实现重置。发生绕组材料的退磁。在退磁阶段之后，施加在开关元件S上的电压U1开始衰减。通过模拟计数器4对谷的数目计数直至开关元件S的下一次接通，并且将所述数目存储直至下一次重置。所述存储以减小的辅助电压U4的形式进行，所述减小的辅助电压与电流的测量值电压U5相加。这通过简单的方式借助加法器5进行。由此，在两个谷之间跳跃的情况下，开关转换器的所传输的功率P如此变化，使得电压调节器6在每个功率区域中稳定。
在图5中示出详细的实施。带施密特触发器输入端的CMOS反相门7由PWM控制器1的VREF输出端供电。因为施加在辅助绕组W2上并且是施加在关断的开关元件S上的电压U1的映像的电压Ul'可以比门7的供电电压明显更大，所以利用电阻和钳位二极管将电压Ul'限制到门7的供电电压上。如果辅助绕组W2的电压Ul'低于门7的内部阈电压，则缓冲器7的输出是正的并且过零点被识别出。
通过阈电压，在过零点之前就已经产生一信号，由此利用这些简单的构件可以在非常高的衰减频率的情况下也提早识别出过零点并且因此在谷处接通。
CMOS门7具有非常短的响应时间的优点。因此，能够足够精确地检测过零点直至几MHz的衰减频率。
利用施加在PWM控制器1的控制输出端OUT上的开关信号U3的每一个下降沿，通过高通8接通晶体管9达所定义的时间。由此，电容器10充电到施加在PWM控制器1的VREF输出端上的电压的电压值（例如5V）。电阻11在此用于电流限制。因此，模拟计数器被重置。
利用过零信号U2的每一个下降沿，电容器10通过放电电路11被放电。放电的程度在此通过电容器10的电容比和放电电路11的电容来确定。有利地，放电电路11包括用于电流限制的电阻。因此，施加在电容器10上的辅助电压U4随着施加在辅助绕组上的电压Ul'的每一个过零点而变得更小。通过这种方式对谷计数。
所计数的谷以辅助电压U4的形式借助加法器4与表示通过开关元件S的电流的测量值电压U5相加。加法器4在最简单的情况下由两个彼此调谐的电阻组成。
所相加的电压随后作为经修改的感测电压U6输送给PWM控制器1。
利用所示的实施，利用少量构件实现了成本有利的解决方案，以便防止可听见的调节器振荡和效率降低。
Claims (9)
1.一种用于调节准谐振运行中的开关转换器的方法，其中为用于确定开关元件（S）的关断时刻的PMW控制器（1）预给定感测电压（U6），并且其中所述开关元件（S）的接通时刻落在施加在关断的开关元件（S）的振荡电压（U1）的谷（V1，V2，V3，V4）中，其特征在于，在每一个在关断过程之后出现的谷（V1，V2，V3，V4）处减小所述感测电压（U6）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在每一个出现的谷（V1，V2，V3，V4）处减小辅助电压（U4），并且通过所述辅助电压（U4）和与通过所述开关元件（S）的电流成比例的测量电压（U5）的相加来求所述感测电压（U6）。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，借助模拟计数器（4）从谷识别回路的输出信号中求所述辅助电压（U4），所述辅助电压在每一个出现的谷（V1，V2，V3，V4）处减小。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，借助过零识别装置（2）探测施加在辅助绕组（W2）上的电压（Ul'）的过零点，并且借助所述模拟计数器（4）从结果得到的过零信号（U2）中求在每一个出现的谷（V1，V2，V3，V4）处减小的辅助电压（U4）。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，在每一个开关循环之后借助施加在所述PWM控制器（1）的控制输出端（OUT）上的开关信号（U3）重置所述模拟计数器（4）。
6.一种用于准谐振切换的开关转换器，其中为用于确定关断时刻的PMW控制器（1）输送感测电压（U6）和调节器输出电压（UReg），并且其中设置有用于确定接通时刻的谷切换调节装置（3），其特征在于，在谷识别回路的输出端上的信号被输送给用于减小所述感测电压（U6）的电路。
7.根据权利要求6所述的开关转换器，其特征在于，所述谷识别回路被实现为过零识别装置（2），施加在辅助绕组（W2）上的电压（Ul'）被输送给所述过零识别装置。
8.根据权利要求6或7所述的开关转换器，其特征在于，用于减小所述感测电压（U6）的电路包括模拟计数器（4）和加法器（5），在所述谷识别回路的输出端上的信号被输送给所述模拟计数器（4），并且在所述模拟计数器（4）的输出端上的辅助信号（U4）和与通过所述开关元件（S）的电流成比例的测量电压（U5）被输送给所述加法器（5）。
9.根据权利要求8所述的开关转换器，其特征在于，施加在所述PWM控制器（1）的控制输出端（OUT）上的开关信号被输送给所述模拟计数器（4），以便引起在每一个开关循环之后所述模拟计数器（4）的重置。
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