CN104660019A - 一种多相并联变换器及其控制方法 - Google Patents

一种多相并联变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多相并联变换器及其控制方法，在电感电流的采样信号上叠加偏置电压信号，通过改变偏置电压信号的大小来进行所述多相并联变换器的切相操作，当所述多相并联变换器的其中一相需要关断时，则对应相的偏置电压信号随时间逐渐增加；当所述多相并联变换器的其中一相需要重新启动时，则对应相的偏置电压信号随时间逐渐减小。通过本发明的技术方案，可以使输出电压不发生跳变的前提下，实现对某一相的关断或开启，从而实现了平滑切相的功能。

Description

一种多相并联变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及开关电源领域，更具体地说，涉及一种多相并联变换器切相的控制电路及控制方法。
背景技术
在开关电源技术中，为了减小降压变换器的输出滤波电感的尺寸，通常采用多相并联交错的方法，在多相并联的变换器结构中，每一相变换器均有对应的功率开关，每组开关对应一个滤波电感，多相变换器的输出端均连接到一个输出滤波电容上。利用这样的多相并联结构，原来单相变换器所需要提供的电流大小就可以分摊至多相变换器来承担，每相变换器所需要承担的电流就可以大幅度减小。
但在一些场合下，负载电流较低，为了提高系统效率，减小开关损耗，变换器需要关掉其中的某一相，或者是原先的负载电流较低，只有其中的某几相在工作，之后负载增加了，需要把原来不工作的相重新开启。上述的情况需要在工作过程中关掉或开启某些相，如果不加任何措施的直接开启和关断，在这过程中必然会导致输出电压的跳变，可能造成对负载的损坏。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种多相并联变换器及其控制方法，通过对电感电流的采样信号进行叠加调制，以平滑的改变某相的输出电流的大小，可以使得变换器的输出电压基本维持不变。
依据本发明的一种多相并联变换器，所述多相并联变换器包括多相功率级电路、多相开关控制电路和均流电路，所述多相开关控制电路与所述多相功率级电路一一对应，所述均流电路包括多相采样电路，
所述多相采样电路和所述多相功率级电路一一对应；
每相采样电路采样对应相的功率级电路的电感电流，获得一采样信号，然后将一偏置电压信号与所述采样信号叠加，获得一叠加信号，所述均流电路根据所述叠加信号以产生均流控制信号；
每相开关控制电路接收对应相的均流控制信号以控制该相的功率级电路中的开关管的开关动作；
其中，当所述多相并联变换器的其中一相需要关断时，则对应相的偏置电压信号随时间逐渐增加，以使该相的输出电流降至为零；
当所述多相并联变换器的其中一相需要重新启动时，则对应相的偏置电压信号随时间逐渐减小，以使该相的输出电流与其余工作相的输出电流相等。
优选的，当所述偏置电压信号随时间减小至零时，该相的输出电流与其余工作相的输出电流相等。
进一步的，所述均流电路包括偏置电压信号产生电路，用以产生所述偏置电压信号，
所述偏置电压信号产生电路包括并联的第一电流源、第二电流源和偏置电容；
所述第一电流源与第一开关串联，所述第二电流源与第二开关串联，所述第一开关由使能信号的非信号控制其开关动作，所述第二开关由使能信号控制其开关动作；
其中，所述偏置电容两端的电压信号作为所述偏置电压信号。
进一步的，所述偏置电压信号产生电路还包括第一二极管，
所述第一二极管的阳极连接所述偏置电容的一端，阴极连接至电压源，所述电压源的另一端接地，所述电压源的值设置为所述偏置电压信号的最大值。
进一步的，所述均流电路还包括多相误差补偿电路和电流母线，
多相误差补偿电路与多相采样电路一一对应；
所述叠加信号通过一电阻连接到所述电流母线；
每相误差补偿电路的两个输入端分别接收所述电阻的两端电压，经误差放大和补偿处理后输出对应相的均流控制信号。
进一步的，每相开关控制电路还包括叠加电路和误差放大电路，
所述叠加电路接收所述均流控制信号和参考电压信号，以产生第一电压信号；
所述误差放大电路的第一输入端接收所述第一电压信号，第二输入端接收所述多相并联变换器的输出电压反馈信号，经误差放大和补偿处理后，输出第一控制信号，所述第一控制信号用以控制该相的功率级电路中的开关管的开关动作，从而控制功率级电路的输出电流的大小。
依据本发明的一种多相并联变换器的控制方法，所述多相并联变换器包括多相功率级电路、多相开关控制电路和均流电路，所述多相开关控制电路与所述多相功率级电路一一对应，包括以下步骤：
采样各相的功率级电路的电感电流，获得一采样信号，然后将一偏置电压信号与所述采样信号叠加，获得一叠加信号；
根据所述叠加信号产生均流控制信号；
接收所述均流控制信号和多相并联变换器的输出电压反馈信号，以产生第一控制信号控制相应相的功率级电路的开关动作；
其中，当所述多相并联变换器的其中一相需要关断时，则对应相的偏置电压信号随时间逐渐增加，以使该相的输出电流降至为零；
当所述多相并联变换器的其中一相需要重新启动时，则对应相的偏置电压信号随时间逐渐减小，以使该相的输出电流与其余相的输出电流相等。
优选的，当所述偏置电压信号随时间减小至零时，该相的输出电流与其余相的输出电流相等。
进一步的，所述偏置电压信号产生的步骤具体包括：
当所述多相并联变换器的其中一相需要关断时，通过第一电流源对偏置电容充电，以使所述偏置电压信号随时间增加；
当所述多相并联变换器的其中一相需要重新启动时，通过第二电流源对偏置电容放电，以使所述偏置电压信号随时间减小。
进一步的，在第一电流源对偏置电容充电的过程中，对所述偏置电压信号进行钳位，当所述偏置电压信号充电至上钳位信号时，则将所述偏置电压信号钳位至所述上钳位信号。
综上所述，根据本发明的一种多相并联变换器及其控制方法，在电感电流的采样信号上叠加偏置电压信号，通过改变偏置电压信号的大小来进行所述多相并联变换器的切相操作，当所述多相并联变换器的其中一相需要关断时，则对应相的偏置电压信号随时间逐渐增加；当所述多相并联变换器的其中一相需要重新启动时，则对应相的偏置电压信号随时间逐渐减小。通过本发明的技术方案，可以使输出电压不发生跳变的前提下，实现对某一相的关断或开启，从而实现了平滑切相的功能。
附图说明
图1A所示为现有技术中的多相并联变换器的一种实现方式；
图1B所示为现有技术中的多相并联变换器的切相的第一实施例的工作波形图；
图1C所示为现有技术中的多相并联变换器的切相的第二实施例的工作波形图；
图2A所示为依据本发明的多相并联变换器的一种实现方式；
图2B所示为依据本发明的多相并联变换器的切相的第一实施例的工作波形图；
图3所示为依据本发明的偏置电压信号产生电路的一种实现方式。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
参考图1A所示为现有技术中的多相并联变换器的一种实现方式，其中，多相并联变换器以三相为例，分别记为CH1、CH2和CH3。在现有技术中，所述多相并联变换器包括多相功率级电路、多相开关控制电路和均流电路，所述多相开关控制电路与所述多相功率级电路一一对应，如图1中的第一相CH1为例，所述均流电路包括多相采样电路、多相误差补偿电路和电流母线，多相采样电路与所述多相功率级电路一一对应，每相采样电路采样对应相的功率级电路的电感电流，获得一表征电感电流的采样信号VSENSE，所述采样信号VSENSE通过电阻R连接到电流母线，这里需要说明的是，所述电流母线指的是各相电流的加权，在图1中仅示意出电流母线的一部分，记电阻R的两端电压为Va和Vb，Vb为与电流母线连接一端的电压，电流母线的电压为各相电阻的电压Vb加权之后的值。每相误差补偿电路的两个输入端分别接收所述电阻的两端电压Va和Vb，经误差放大和补偿处理后输出对应相的均流控制信号V1。之后，每相开关控制电路接收对应相的均流控制信号，以控制该相的功率级电路中的开关管的开关动作，具体的，每相开关控制电路包括叠加电路和误差放大电路，所述叠加电路接收所述均流控制信号V1和参考电压信号VREF，以产生第一电压信号V2；所述误差放大电路的第一输入端接收所述第一电压信号V2，第二输入端接收所述多相并联变换器的输出电压反馈信号VFB，经误差放大和补偿处理后，输出第一控制信号Vc，所述第一控制信号Vc用以控制该相的功率级电路中的开关管的开关动作，从而控制功率级电路的输出电流ICH1的大小。
其中，所述均流电路的工作原理为：如其中某一相的输出电流比其他相的输出电流小，则该相的采样信号VSENSE偏低，使得Va<Vb，该相的均流控制信号V1增加，均流控制信号V1与参考电压信号VREF叠加后的第一电压信号V2增加，相应的，所述第一控制信号Vc增加，从而调节该相的输出电流增加，经过调节，最终各相输出电流均相等，即VSENSE相等。
然而，在现有技术的这种控制方式中，当出现其中一相需要关断或重新开启时，会带来输出电压的跳变现象，如图1B所示为现有技术中的多相并联变换器的切相的第一实施例的工作波形图，Vout为多相并联变换器的输出电压信号，IL1、IL2和IL3分别为第一相、第二相和第三相的电感电流信号。当其中一相关断时，如在t1时刻，第二相关断，则第二相的电感电流会迅速降至到零，由于第二相电感电流的快速下降，导致多相并联变换器的输出电压VOUT出现大幅下降，为了满足负载要求，则第一相和第三相的电流会上升，输出电压VOUT慢慢跟随上升，直到t2时刻，输出电压VOUT恢复至稳定值。如图1C所示为现有技术中的多相并联变换器的切相的第二实施例的工作波形图，其中，Vout、IL1、IL2和IL3与图1B表征的意思相同，在本实施例中，当其中一相重新开启，如在t1时刻，第二相重新开启，则第二相的电感电流会迅速上升，由于第二相电感电流的快速上升，导致多相并联变换器的输出电压VOUT出现大幅上升，为了满足负载要求，则第一相和第三相的电流会下降，输出电压VOUT慢慢跟随下降，直到t2时刻，输出电压VOUT恢复至稳定值。从上述两个波形图看出，现有技术中，在工作过程中，关断或重新开启某一相都会带来输出电压出现较大的跳变，这有可能给负载或电路带来损坏。
为了解决上述问题，本申请的发明人通过调制采样信号的值，使得多相并联变换器中关断或开启某一相时，不会出现输出电压跳变的现象。参考图2A所示为依据本发明的多相并联变换器的一种实现方式；在图2中，多相并联变换器以三相为例，所述多相并联变换器包括多相功率级电路、多相开关控制电路和均流电路，其中多相功率级电路和多相开关控制电路的连接和结构与现有技术中的相同，在此不再赘述。在本发明中，所述均流电路包括多相采样电路，所述多相采样电路和所述多相功率级电路一一对应；每相采样电路采样对应相的功率级电路的电感电流，获得一采样信号VSENSE，然后将一偏置电压信号VOFFSET与所述采样信号VSENSE叠加，获得一叠加信号，所述均流电路根据所述叠加信号以产生均流控制信号V1；每相开关控制电路接收对应相的均流控制信号以控制该相的功率级电路中的开关管的开关动作，从而调节该相输出电流ICH的大小。
具体的，所述偏置电压信号VOFFSET由所述偏置电压信号产生电路提供，参考图3所示为依据本发明的偏置电压信号产生电路的一种实现方式，所述偏置电压信号产生电路包括并联的第一电流源I1、第二电流源I2和偏置电容C；所述第一电流源I1与第一开关S1串联，所述第二电流源I2与第二开关S2串联，所述第一开关S1和第二开关S2由使能信号EN控制其开关动作，其中，所述第一开关S1由使能信号EN的非信号控制其开关动作，第二开关S2由使能信号控制其开关动作。所述偏置电压信号产生电路还包括第一二极管D1，所述第一二极管D1的阳极连接所述偏置电容C1的一端，阴极连接至电压源，所述电压源的另一端接地，所述电压源的值设置为所述偏置电压信号的最大值VOFFSET_MAX。
其中，当所述多相并联变换器的其中一相需要关断时，则对应相的偏置电压信号产生电路中使能信号控制所述第一开关S1导通，所述第一电流源I1对偏置电容C充电，偏置电容两端的电压信号即偏置电压信号VOFFSET随时间逐渐增加，该相的输出电流则会相应慢慢减小，直至为零。相反的，当所述多相并联变换器的其中一相需要重新启动时，使能信号控制所述第二开关S1导通，偏置电容C通过第二电流源I2放电，偏置电压信号VOFFSET随时间逐渐减小，该相的输出电流则会相应慢慢增加，直至与其余工作相的输出电流相等。
在本发明实施例中，为了使所述偏置电压信号产生电路能够应用于重载条件下，由第一二极管D1和电压源组成的钳位电路对所述偏置电压信号VOFFSET进行钳位，即是在对偏置电容C充电过程中，当偏置电压信号VOFFSET随时间增加至钳位信号VOFFSET_MAX时，偏置电压信号VOFFSET不再增加，其保持为最大值VOFFSET_MAX。而在偏置电容C放电过程中，在偏置电压信号从最大值VOFFSET_MAX下降至电流母线的电压时，输出电流保持为零，之后，偏置电压信号进一步下降，当所述偏置电压信号VOFFSET随时间减小至零时，对应相的输出电流与其余工作相的输出电流相等。本领域技术人员可知，为防止偏置电容两端出现负电压，还可以在偏置电容两端并联一个下钳位电路(例如齐纳二极管)，以使偏置电压信号下降最低为零值。
下面参考图2B所示的工作波形图详细阐述本发明的工作原理：在图2B所示的实施例中，在t1时刻，第二相需要关断，这时，第二相均流电路中的偏置电压信号VOFFSET随时间线性增加，而由于电阻R一端的电压Va＝VOFFSET+VSENSE2，根据上述均流电路的原理，均流环达到稳定时Va＝Vb，因此，当偏置电压信号VOFFSET增加时意味着只需更小的采样信号VSENSE2就可以达到电流环的稳定，偏置电压信号VOFFSET的逐渐增加会进一步减小采样信号VSENSE2的值，当VOFFSET增加到Va端需要的电压时，则VSENSE2减小到零，例如图2B中的t2时刻，这时该相的功率级电路的输出电流为零。此时，第二相关断过程结束，从图2B中看出，在这过程中，第一相和第三相的电感电流IL1和IL3会缓慢上升，采样信号VSENSE1和VSENSE3会相应上升，多相并联变换器的输出电压Vout基本维持不变。
同样的，在工作过程中如有某一相需要重新开启时，如在t3时刻，第二相变换器需要开启，则会预先设置第二相的所述偏置电压信号VOFFSET的值，如图2B中的VOFFSET_MAX，VOFFSET_MAX足够大使得该相的输出电流在初始时为零，即VSENSE2为零，并且，所述偏置电压信号VOFFSET_MAX应取合适的值，以使得偏置电压信号VOFFSET随时间减小至零时，对应相的输出电流与其余工作相的输出电流相等。具体的，在t3时刻，VOFFSET随时间线性减小时，由于均流环路的调节，该相输出电流会随着偏置电压信号的减小而增加，采样信号VSENSE2的值随之增加，当偏置电压信号VOFFSET减小至零时，该相的输出电流和其余各相(工作中)的输出电流相等，第二相启动过程结束。从图2B中看出，在这过程中，第一相和第二相的电感电流IL1和IL3会缓慢下降，采样信号VSENSE1和VSENSE3会相应下降，多相并联变换器的输出电压Vout基本维持不变。
从上述的过程可以看出，依照本发明的实施方案，通过在采样信号处叠加一个随时间变化的偏置电压信号，可以实现多相并联变换器的平滑切相。解决了现有技术中切相带来的输出电压突变的问题。
容易理解，在上述实施例中，上述均流电路是多相并联变换器的一种实现方式，本领域技术人员可知，在本发明的发明思想的指导下，本发明的平滑切相方案还可应用至其他方式实现的均流电路中，例如，在申请号为201410746860.X中的均流电路中，在第二相或第三相的电感电流的采样信号上叠加偏置电压信号，增加(或减小)偏置电压信号或导致该相的采样信号减小(或增加)，从而使该相的输出电流减小(或增加)，因此，按照本发明的思想同样可实现平滑切相的技术效果。
最后，本发明还公开了一种多相并联变换器的控制方法，所述多相并联变换器包括多相功率级电路、多相开关控制电路和均流电路，所述多相开关控制电路与所述多相功率级电路一一对应，包括以下步骤：采样各相的功率级电路的电感电流，获得一采样信号，然后将一偏置电压信号与所述采样信号叠加，获得一叠加信号；
根据所述叠加信号产生均流控制信号；
接收所述均流控制信号和多相并联变换器的输出电压反馈信号，以产生第一控制信号控制相应相的功率级电路的开关动作；
其中，当所述多相并联变换器的其中一相需要关断时，则对应相的偏置电压信号随时间逐渐增加，直至该相的输出电流降至为零；
当所述多相并联变换器的其中一相需要重新启动时，则对应相的偏置电压信号随时间逐渐减小，直至该相的输出电流与其余工作相的输出电流相等。
进一步的，当所述偏置电压信号随时间减小至零时，该相的输出电流与其余相的输出电流相等。
进一步的，所述偏置电压信号产生的步骤具体包括：
当所述多相并联变换器的其中一相需要关断时，通过第一电流源对偏置电容充电，以使所述偏置电压信号随时间增加；
当所述多相并联变换器的其中一相需要重新启动时，通过第二电流源对偏置电容放电，以使所述偏置电压信号随时间减小。
进一步的，在第一电流源对偏置电容充电的过程中，对所述偏置电压信号进行钳位，当所述偏置电压信号充电至上钳位信号时，则将所述偏置电压信号钳位至所述上钳位信号。
以上对依据本发明的优选实施例的一种多相并联变换器及其控制方法进行了详尽描述，本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等均可应用于所述实施例。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种多相并联变换器，所述多相并联变换器包括多相功率级电路、多相开关控制电路和均流电路，所述多相开关控制电路与所述多相功率级电路一一对应，其特征在于，所述均流电路包括多相采样电路，
所述多相采样电路和所述多相功率级电路一一对应；
每相采样电路采样对应相的功率级电路的电感电流，获得一采样信号，然后将一偏置电压信号与所述采样信号叠加，获得一叠加信号，所述均流电路根据所述叠加信号以产生均流控制信号；
每相开关控制电路接收对应相的均流控制信号以控制该相的功率级电路中的开关管的开关动作；
其中，当所述多相并联变换器的其中一相需要关断时，则对应相的偏置电压信号随时间逐渐增加，以使该相的输出电流降至为零；
当所述多相并联变换器的其中一相需要重新启动时，则对应相的偏置电压信号随时间逐渐减小，以使该相的输出电流与其余工作相的输出电流相等。
2.根据权利要求1所述的多相并联变换器，其特征在于，当所述偏置电压信号随时间减小至零时，该相的输出电流与其余工作相的输出电流相等。
3.根据权利要求1所述的多相并联变换器，其特征在于，所述均流电路还包括偏置电压信号产生电路，用以产生所述偏置电压信号，
所述偏置电压信号产生电路包括并联的第一电流源、第二电流源和偏置电容；
所述第一电流源与第一开关串联，所述第二电流源与第二开关串联，所述第一开关由使能信号的非信号控制其开关动作，所述第二开关由使能信号控制其开关动作；
其中，所述偏置电容两端的电压信号作为所述偏置电压信号。
4.根据权利要求3所述的多相并联变换器，其特征在于，所述偏置电压信号产生电路还包括第一二极管，
所述第一二极管的阳极连接所述偏置电容的一端，阴极连接至电压源，所述电压源的另一端接地，所述电压源的值设置为所述偏置电压信号的最大值。
5.根据权利要求1所述的多相并联变换器，其特征在于，所述均流电路还包括多相误差补偿电路和电流母线，
多相误差补偿电路与多相采样电路一一对应；
所述叠加信号通过一电阻连接到所述电流母线；
每相误差补偿电路的两个输入端分别接收所述电阻的两端电压，经误差放大和补偿处理后输出对应相的均流控制信号。
6.根据权利要求1所述的多相并联变换器，其特征在于，每相开关控制电路进一步包括叠加电路和误差放大电路，
所述叠加电路接收所述均流控制信号和参考电压信号，以产生第一电压信号；
所述误差放大电路的第一输入端接收所述第一电压信号，第二输入端接收所述多相并联变换器的输出电压反馈信号，经误差放大和补偿处理后，输出第一控制信号，所述第一控制信号用以控制该相的功率级电路中的开关管的开关动作，从而控制功率级电路的输出电流的大小。
7.一种多相并联变换器的控制方法，所述多相并联变换器包括多相功率级电路、多相开关控制电路和均流电路，所述多相开关控制电路与所述多相功率级电路一一对应，其特征在于，包括以下步骤：
采样各相的功率级电路的电感电流，获得一采样信号，然后将一偏置电压信号与所述采样信号叠加，获得一叠加信号；
根据所述叠加信号产生均流控制信号；
接收所述均流控制信号和多相并联变换器的输出电压反馈信号，以产生第一控制信号控制相应相的功率级电路的开关动作；
其中，当所述多相并联变换器的其中一相需要关断时，则对应相的偏置电压信号随时间逐渐增加，以使该相的输出电流降至为零；
当所述多相并联变换器的其中一相需要重新启动时，则对应相的偏置电压信号随时间逐渐减小，以使该相的输出电流与其余相的输出电流相等。
8.根据权利要求7所述的多相并联变换器，其特征在于，进一步包括，当所述偏置电压信号随时间减小至零时，该相的输出电流与其余相的输出电流相等。
9.根据权利要求7所述的多相并联变换器，其特征在于，所述偏置电压信号产生的步骤具体包括：
当所述多相并联变换器的其中一相需要关断时，通过第一电流源对偏置电容充电，以使所述偏置电压信号随时间增加；
当所述多相并联变换器的其中一相需要重新启动时，通过第二电流源对所述偏置电容放电，以使所述偏置电压信号随时间减小。
10.根据权利要求9所述的多相并联变换器，其特征在于，在第一电流源对偏置电容充电的过程中，进一步包括，对所述偏置电压信号进行钳位，当所述偏置电压信号充电至上钳位信号时，则将所述偏置电压信号钳位至所述上钳位信号。
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