CN104113193B - 功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率转换装置，其进行一能量信号的转换。功率转换装置包括一控制单元、一脉宽调变单元、一转换单元以及一斜率补偿单元。控制单元输出一目标功率信号。脉宽调变单元耦接控制单元，产生一切换信号。转换单元耦接脉宽调变单元，根据切换信号将能量信号进行功率转换以输出一能量转换信号。斜率补偿单元耦接控制单元及脉宽调变单元，根据目标功率信号及一反馈信号进行一斜率补偿以输出一补偿信号至脉宽调变单元，其中，切换信号根据目标功率信号及补偿信号产生。

Description

功率转换装置
技术领域
本发明关于一种功率转换装置。
背景技术
随着能源价格日益高涨、环保意识的抬头以及因应各国陆续订定的能源规范，市场对于电子产品的能量转换效率的标准是越来越严苛，传统的功率转换装置，以电源供应器（power supply）为例，在此方面逐渐显现出其不足之处，因而使得具有较佳能量转换效率的交换式电源供应器（Switched-mode power supply,SMPS）日渐为市场所青睐。
交换式电源供应器主要可分为模拟控制式以及数字控制式。模拟控制式容易产生截波，而导致能量转换效率不尽理想，故以渐渐被数字控制式所取代。数字控制式通过采用比例积分-微分控制器（proportional integral derivative controller,PIDcontroller）来克服模拟控制式的缺点，然而PID控制器缺少斜率补偿的机制，若反馈系统受噪声影响将产生非预期的PID控制器运算结果，因而导致输出震荡的情况，且PID控制器需要进行大量的运算，需要处理能力较高的微控制器（micro control unit,MCU），成本因而增加。
因此，如何提供一种功率转换装置，不仅具有斜率补偿的机制，且具有较低的运算量，而可以降低制造成本，已成为重要的课题之一。
发明内容
有鉴于上述课题，本发明的目的为提供一种功率转换装置，不仅具有斜率补偿的机制，且具有较低的运算量，而可以降低制造成本。
为达上述目的，本发明提供一种功率转换装置，其进行一能量信号的转换，功率转换装置包括一控制单元、一脉宽调变单元、一转换单元以及一斜率补偿单元。控制单元输出一目标功率信号。脉宽调变单元耦接控制单元，产生一切换信号。转换单元耦接脉宽调变单元，根据切换信号将能量信号进行功率转换以输出一能量转换信号。斜率补偿单元耦接控制单元及脉宽调变单元，根据目标功率信号及一反馈信号进行一斜率补偿以输出一补偿信号至脉宽调变单元，其中，切换信号根据目标功率信号及补偿信号产生。
在一实施例中，控制单元输出一下降趋势信号至斜率补偿单元，斜率补偿单元依据下降趋势信号对目标功率信号进行处理以产生一斜降信号，并依据斜降信号及反馈信号输出补偿信号。
在一实施例中，目标功率信号及下降趋势信号系计算机指令。
在一实施例中，斜率补偿单元包括一斜波产生器、一数字模拟转换器以及一比较器。斜波产生器依据目标功率信号及下降趋势信号输出一斜降信号。数字模拟转换器耦接斜波产生器，将斜降信号由数字信号转换为模拟信号。比较器耦接数字模拟转换器及脉宽调变单元，依据斜降信号及反馈信号输出补偿信号。
在一实施例中，目标功率信号的一代表值大于一实际转换所需值。
在一实施例中，能量信号进行全波整流。
在一实施例中，控制单元依据能量信号的电压及反馈信号产生目标功率信号。
在一实施例中，转换单元为直流至交流转换单元或直流至直流转换单元。
在一实施例中，目标功率信号代表能量信号进行转换后的一目标电流值。
在一实施例中，更包括一反馈单元，依据能量转换信号产生反馈信号。
承上所述，依据本发明的一种功率转换装置，其使用数字式的动态斜率补偿机制，消除二次谐波震荡的问题，而可提高输出的能量转混信号的稳定性，并进低噪声的影响，另外，搭配以输出电流作为反馈控制的方式，可以避免功率转换装置因电流过大而导致故障的情况，而提高可靠度。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的一种功率转换装置的系统方块图。
图2为一种斜率补偿单元的系统方块图。
图3为能量转换信号的实际波形示意图。
图4为各信号的示意图。
图5为目标功率信号的示意图。
图6为本发明另一较佳实施例的一种功率转换装置的系统方块图。
其中，附图标记说明如下：
1、1a：功率转换装置
11：控制单元
12：脉宽调变单元
13、13a：转换单元
131：电压感测器
132：转换电路
133：驱动电路
14：斜率补偿单元
141：斜波产生器
142：数字模拟转换器
143：比较器
15：反馈单元
a：目标功率信号的最大值
b：目标功率信号的最小值
c：目标功率信号的中间值
E：包络线
SDT：下降趋势信号
SIN：能量信号
SFB：反馈信号
SOUT：能量转换信号
SCOMP：补偿信号
SRAMP：斜降信号
SS：切换信号
STP：目标功率信号
具体实施方式
以下将参照相关图式，说明依本发明较佳实施例的一种功率转换装置，其中相同的元件将以相同的参照符号加以说明。
请参照图1所示，图1为本发明较佳实施例的一种功率转换装置的系统方块图。功率转换装置1对一能量信号SIN进行转换以输出一能量转换信号SOUT。举例来说，能量信号SIN可以是一直流电压信号，而功率转换装置1则是将直流电压信号转换为交流电压信号（DCto AC），并将转换后的能量转换信号SOUT输出；或者是，能量信号SIN可以是一交流电压信号，功率转换装置1则是将直流电压信号转换为直流电压信号（DC to DC），并将转换后的能量转换信号SOUT输出。藉此让输出之能量转换信号SOUT可符合实际负载（图未绘示）的需求，于此，功率转换装置1以将直流电压信号转换为交流电压信号为例。另外，转换过程中功率转换装置1可对能量信号SIN进行全波整流。
功率转换装置1包括一控制单元11、一脉宽调变单元12、一转换单元13、一斜波补偿单元14以及一反馈单元15。
控制单元11在实施上可例如是一微控制器（Micro control unit,MCU），其输出一目标功率信号STP，其中目标功率信号STP可为计算机指令。具体来说，控制单元11可通过取得输入予功率转换装置1之能量信号SIN的电压值或电流值以及一反馈信号SFB，并据以输出目标功率信号STP，其中反馈信号SFB可以是功率转换装置1输出的能量转换信号SOUT的电压值或电流值。在本实施例中，目标功率信号STP产生的依据以输入予功率转换装置1的能量信号SIN的电压值，而反馈信号SFB是以功率转换装置1输出的能量转换信号SOUT的电流值为例进行说明，但本发明并不以此为限。
另外，目标功率信号STP设定转换单元13能接受输出的峰值，其可代表能量信号SIN进行转换后的一目标电流值、或大于实际转换的所需值。脉宽调变单元12与控制单元11耦接。脉宽调变单元12用可以产生一切换信号SS，其中，于本实施例，切换信号SS可为一脉宽调变（Pulse width modulation,PWM）信号。转换单元13与脉宽调变单元12耦接。转换单元13可用以将能量信号SIN进行功率转换以输出能量转换信号SOUT。更进一步来说，转换单元13依据切换信号SS将能量信号SIN进行功率转换以输出能量转换信号SOUT。在实施上，转换单元13可依据负载的不同，而可为直流至交流转换单元或直流至直流转换单元，本发明并不予以限定，于此，转换单元13以直流至交流转换单元为例。
反馈单元15可为一电流感测器（例如电感元件），用以感测功率转换装置1输出的能量转换信号SOUT的电流值，并据以产生反馈信号SFB，其中，反馈单元15为电流感测器时，可避免功率转换装置1因电流过大而导致系统故障的情况。斜率补偿单元14与控制单元11以及脉宽调变单元12耦接。斜率补偿单元14依据目标功率信号STP及反馈信号SFB进行一斜率补偿以输出一补偿信号SCOMP至脉宽调变单元12，而脉宽调变单元12即依据目标功率信号STP及补偿信号SCOMP产生切换信号SS。
举例来说，功率转换装置1是以电流模式来运作，在电流模式的控制系统中，电流反馈信号通常是由电感电流产生，其造成的峰值电感电流（Peak Inductor Current）会直接由误差信号的控制系统所处理。因而能排除电流过大导致的潜在电路故障。由于电流模式控制且调节了电感电流，因此，在整个控制系统的回路中，电感极点（Pole）或延迟将有效地消除，从而改善系统的瞬态响应。
电流模式的控制提供许多功能，例如晶体管峰值电流保护、磁性元件中磁场“棘輪效应（Ratcheting）”的消除、抑制输入电压的变化和便利的控制回路补偿等。即用误差电压控制最大电感电流，将电感变成电压控制的电流源。电感作为电流源将不会在控制回路的频率响应中产生极点，这将使回路从随时可能不稳定的情况下变得较为稳定，使得回路滤波器的设计容易许多。
目标功率信号STP控制单元11发出的电流命令，该电流命令要对能量信号SIN进行全波整流，并设定转换单元13能接受输出的峰值电流，这个值是大于转换后能量转换信号SOUT的对应电流值。脉宽调变单元12根据目标功率信号STP控制切换信号SS的最大PWM工作周期，然而，实际上同时切换信号SS的工作周期会受反馈的补偿信号SCOMP来限制，其并非必定会到达最大PWM工作周期，因此，切换信号SS的工作周期会因应补偿信号SCOMP而下修。
当切换信号SS的PWM周期随着PWM工作周期增加并超过50%，转换单元13输出的平均电流将大于峰值电流的一半，平均电流将越來越大于用测量峰值电流推算的值，若无斜率补偿单元14的运作，转换单元13的输出电压也将高于所需的值并持续上升，直到功率转换装置1中较慢反应的电压控制回路重新调节电流设定点（Current-set Point），方能将输出电压降至所需电位之下。这个过程称为“二次谐波振荡（Sub-cycle Oscillation）”，其将会一再重复。
为解决电流模式的稳定性问题，斜率补偿（Slope Compensation）的技术因而提出。由于补偿信号SCOMP是经斜率补偿而产生，除了转换单元13能输出的能量转换信号SOUT能控制在欲想的电流，整个系统可不需要比例积分-微分（PID）运算，并且消除电流模式运作下二次谐波振荡的缺点，提高电流稳定性及抗噪声能力。由于系统只需要电压回路运算，不需要电流回路PID运算，同时也大大的降低控制单元11的运算能力要求。
如图2所示，图2为一种斜率补偿单元的系统方块图，斜率补偿单元14可包括一斜波产生器141、一数字模拟转换器142以及一比较器143。
具体而言，控制单元11更输出一下降趋势信号SDT至斜率补偿单元14，其中下降趋势信号SDT可为计算机指令。斜率补偿单元14依据下降趋势信号SDT对目标功率信号STP进行处理，以产生一斜降信号SRAMP。更进一步来说，斜波产生器141接收及目标功率信号STP以及下降趋势信号SDT，并依据目标功率信号STP及下降趋势信号SDT输出斜降信号SRAMP至数字模拟转换器142。
数字模拟转换器142耦接于斜波产生器141，且数字模拟转换器142接收斜降信号SRAMP，并将斜降信号SRAMP由数字信号转换为模拟信号。而比较器143则是与数字模拟转换器142以及脉宽调变单元12耦接，比较器143接收斜降信号SRAMP及反馈信号SFB，并依据斜降信号SRAMP及反馈信号SFB输出补偿信号SCOMP。
请参照图3所示，图3为能量转换信号实际电流波形的示意图。如图3所示，能量转换信号SOUT的电流波形实际上并非如其包络线E为平整的弦波，而是呈现锯齿状。
请参照图4所示，其为各信号的示意图。如图4所示，在一个PWM周期中，斜降信号SRAMP为一斜率值为负的递减信号，其斜率由下降趋势信号SDT所决定，且斜降信号SRAMP必定通过目标功率信号STP（电流命令）的峰值点，藉此，便可依据下降趋势信号SDT与目标功率信号STP（电流命令）产生斜降信号SRAMP。斜降信号SRAMP所代表的意义是在一个PWM周期中，于不同的时间点所能容许的反馈信号SFB的最大电流值，当反馈信号SFB的电流值达到该时间点所能容许的最大电流值，比较器143会变更补偿信号SCOMP的电平，使得脉宽调变单元12不再驱使转换单元13转换出更多的电流，因此，能量转换信号SOUT的电流会降低，即反馈信号SFB的电流值随之下降。换而言之，斜率补偿单元14所给予的斜率补偿的值，随时间而递减，虽然目标功率信号STP（电流命令）的大小决定了切换信号SS的宽度（或工作周期），但补偿信号SCOMP亦影响切换信号SS的宽度（或工作周期）。因此，依脉冲宽度调变的宽度及系统频率，在固定的宽度，即固定的时间内，以固定的时速度将要给转换单元13的值向下递减斜率补偿值，做出斜率补偿的效果，藉以避免二次谐波振荡的产生，而使得能量转换信号SOUT的电流波形更接近平整的弦波。
总的来说，当输出的电流愈來愈大，相对的产生的噪声也会愈來愈大。因着这正比的相关联性，提高斜率补偿的比率。在实际应用上，提高斜率补偿的比率可以有效地提高的电流的稳定性。而本发明提出依电流命令的大小，来对等的调整斜率补偿的比率，进而提高的电流的稳定性。也提高抗噪声能力。
请参照图5所示，其为目标功率信号的示意图，图5显示了斜率补偿对于目标功率信号的影响。如图5所示，将目标功率信号减去斜率补偿值，即可得到斜率补偿对于目标功率信号的影响值。举例来说，将由控制单元11所计算出的目标功率信号的最大值a减去斜率补偿值，所得即为斜率补偿对目标功率信号的最大影响值，也就是目标功率信号的最小值b；将目标功率信号的最大值的一半减去斜率补偿值对目标功率信号的最大影响值的一半，所得即为目标功率信号的中间值c。
请参照图6所示，其为一种功率转换装置的系统方块图。功率转换装置1a与功率转换装置1大致相同，不同之处在于本实施例对转换单元13a进行进一步的说明，然而其原理仍与前述实施例相同，故不再赘述。在本实施例中，转换单元13a更包括一电压感测器131、一转换电路132以及一驱动电路133。
电压感测器131是耦接控制单元11及转换电路132。电压感测器131接受能量信号SIN的输入，并侦测能量信号SIN的电压值，并提供予控制单元11作为产生目标功率信号STP的依据，
转换电路132是耦接电压感测器131、驱动电路133及反馈单元15。转换电路132包括多数个绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）或金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET），其用以将能量信号SIN转换为能量转换信号SOUT。
驱动电路133是耦接脉宽调变单元12及转换电路132。驱动电路133依据脉宽调变单元12所输出的切换信号SS驱动转换电路132作动，以将能量信号SIN转换为能量转换信号SOUT。
综合上述，依据本发明的一种功率转换装置，其使用数字式的动态斜率补偿机制，消除二次谐波震荡的问题，而可提高输出的能量转混信号的稳定性，并进低噪声的影响，另外，搭配以输出电流作为反馈控制的方式，可以避免功率转换装置因电流过大而导致故障的情况，而提高可靠度。
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于所附的申请专利权利要求范围中。

Claims (7)

1.一种功率转换装置，其进行一能量信号的转换，该功率转换装置包括：
一控制单元，输出一目标功率信号；
一脉宽调变单元，耦接该控制单元，产生一切换信号；
一直流至交流转换单元，耦接该脉宽调变单元，根据该切换信号将该能量信号进行功率转换以输出一能量转换信号；以及
一斜率补偿单元，耦接该控制单元及该脉宽调变单元，根据该目标功率信号及一反馈信号进行一斜率补偿以输出一补偿信号至该脉宽调变单元，
其中，该切换信号根据该目标功率信号及该补偿信号产生；
其中该控制单元输出一下降趋势信号至该斜率补偿单元，该斜率补偿单元依据该下降趋势信号对该目标功率信号进行处理以产生一斜降信号，并依据该斜降信号及该反馈信号输出该补偿信号；
其中该斜率补偿单元包括：
一斜波产生器，依据该目标功率信号及该下降趋势信号输出一斜降信号；
一数字模拟转换器，耦接该斜波产生器，将该斜降信号由数字信号转换为模拟信号；以及
一比较器，耦接该数字模拟转换器及该脉宽调变单元，依据该斜降信号及该反馈信号输出该补偿信号。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其中该目标功率信号及该下降趋势信号为计算机指令。
3.如权利要求1所述的功率转换装置，其中该目标功率信号的一代表值大于一实际转换所需值。
4.如权利要求1所述的功率转换装置，其中该能量信号进行全波整流。
5.如权利要求1所述的功率转换装置，其中该控制单元依据该能量信号的电压及该反馈信号产生该目标功率信号。
6.如权利要求1所述的功率转换装置，其中该目标功率信号代表该能量信号进行转换后的一目标电流值。
7.如权利要求1所述的功率转换装置，更包括：
一反馈单元，依据该能量转换信号产生该反馈信号。
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